基于激光视觉的机器人焊接区噪声图像处理及快速寻位与焊缝跟踪研究

作     者：杜荣强 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈善本;许燕玲

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：机器人焊接 快速寻位 焊缝跟踪 视觉传感 噪声图像处理 

摘      要：机器人智能化焊接具有工作效率高、质量稳定和改善劳动条件等优点,在汽车制造、船舶重工及装备制造等领域应用广泛,是现代智能制造中不可缺少的组成部分。目前,国内外大部分实际焊接生产中使用的机器人是“示教-再现型机器人,这种类型的机器人对示教轨迹偏差没有适应性,不具备初始焊接寻位与焊缝的实时跟踪控制功能。同时实际焊接过程中的工况是复杂多变的,这增加了机器人初始焊位导引与焊缝的实时跟踪控制的难度。本文基于激光视觉传感技术研究了机器人焊接区噪声图像处理及快速寻位与焊缝跟踪技术。视觉传感技术在机器人初始焊位导引与焊缝的实时跟踪控制中具有重要的作用。本文基于3D打印技术快速研发了一套视觉传感器硬件系统,基于模块化、整体化思想开发了一套机器人初始焊位导引与焊缝的实时跟踪控制的软件系统。经过实验验证,传感器软硬件系统满足机器人在实际焊接过程中进行初始焊位导引与焊缝的实时跟踪控制的要求。本文基于针孔与三维立体模型,对视觉系统进行了标定,实现了图像像素坐标到空间世界坐标系的转换,给出了详细的视觉标定参数及其求解过程,同时对标定误差进行了分析,给出了误差公式。其视觉系统的标定精度为0.6mm,满足实际焊接寻位、焊缝跟踪的需求。根据实际焊接的需求,针对直线型焊缝类型本文提出了三线搜索法并完成参数求解工作,进行了机器人的快速导引与寻位。针对常见典型的V型、T型、对接焊缝,本文开发出寻位软件模块,对焊接初始点进行寻位,实验表明该软件模块能够快速有效的工作。由于焊接过程的复杂多变性,基于激光视觉传感技术的焊缝跟踪系统常常因受到强噪声干扰而出现不稳定,本文针对几类常见的强噪声焊接图像,例如非典型焊缝、强弧光和大飞溅的焊接图像,利用快速图像分割、卷积神经网络特征区域识别与特征搜索技术相融合的方法,完成了焊缝特征的稳定识别,增加了实时焊缝跟踪系统的鲁棒性。基于强噪声焊接图像处理方法,焊接图像处理过程的灰度的选择阀值从0.5×10提高到1.5×10,其焊接图像时间的选择长度扩大到为原来的2倍,增加实时焊缝跟踪系统的稳定性和实用性。采用自主设计视觉传感系统,分别对T型焊缝、V型焊缝和对接焊缝进行验证实验,其初始焊接寻位精度分别为:0.80mm、0.93mm和0.9mm。同时研究中对T型焊缝、V型焊缝进行了焊缝的实时跟踪控制实验,得到其跟踪精度分别为:0.50mm、0.62mm。整个系统满足实际机器人焊接生产需要。