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基于激光视觉传感的机器人焊接系统及多层多道规划研究

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基于激光视觉传感的机器人焊接系统及多层多道规划研究

作者：张洵上海交通大学

学位级别：硕士

在中厚板的焊接中,多层多道焊是常用的焊接方法之一。现阶段实际应用中多采用人工焊接,劳动强度大、焊接作业环境恶劣,急需一种可以用弧焊机器人替代人力的自动化智能化焊接方法。目前大量使用的“示教-再现”型机器人的焊接路径和焊接... 详细信息

在中厚板的焊接中,多层多道焊是常用的焊接方法之一。现阶段实际应用中多采用人工焊接,劳动强度大、焊接作业环境恶劣,急需一种可以用弧焊机器人替代人力的自动化智能化焊接方法。目前大量使用的“示教-再现”型机器人的焊接路径和焊接参数是预先设置的,如果焊接过程中焊接条件发生变化,焊接机器人无法感知并做出相应的反馈,将会导致焊接质量下降甚至无法完成正常焊接。针对弧焊机器人在中厚板焊接生产中的应用,本文开发了一套用于弧焊机器人的激光视觉传感系统,该系统包括激光视觉传感器、图像采集卡和主控计算机,可以显著提高弧焊机器人中厚板焊接的自动化和智能化水平。本文根据激光传感器获取的图像特征对图像处理算法进行了分析和综合,通过提取感兴趣区域减少运算量,排除弧光和飞溅的干扰,提高了图像处理的准确度和稳定性。结合重心法和二阶导数极值寻找出焊缝特征点在图像中的位置并且还原出其在空间中的三维坐标。为了实现焊缝的实时跟踪处理,引入了目标跟踪技术中的目标区域模板,结合图像处理和特征点识别方法,可以满足焊接过程中焊缝边缘稳定连续提取的要求。经过实验验证,焊缝边缘的跟踪精度在X-Y方向为0.7mm,Z方向为0.8mm,可以满足实际焊接要求。本文基于等面积焊道规划方法,建立了中厚板焊缝坡口间隙变化情况下的焊道规划解析模型。该模型首先将多层多道焊接的坡口截面简化为梯形截面焊道和平行四边形截面焊道,并分别推导了两种截面下焊接工艺的规划方法。针对变间隙情况下的多层多道焊接,该方法通过建立解析模型计算出焊接速度、焊枪摆幅和焊枪姿态的修正量,最终实现焊道层高和焊后成形的稳定,提高了焊接机器人对焊接条件变化的适应能力。为了验证该方法的正确性,对坡口间隙变化的工件进行了多层多道焊接的工艺规划,并用规划的结果进行实验验证。通过还原焊接过程中每一层焊缝表面的三维形貌,验证了该方法对焊道层高和成形的控制是有效的,可以满足弧焊机器人实际生产的要求。

关键词：焊接自动化焊接机器人焊缝跟踪多层多道规划视觉传感

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中厚板多层多道焊视觉测量与工艺规划

天津工业大学学报 2024年第3期43卷 75-81页

作者：王天琪张树浩龙斌王克宽天津工业大学天津市现代机电装备技术重点试验室天津300387 中国石油集团工程技术研究有限公司天津300451

针对中厚板多层多道焊的焊道测量问题,提出利用焊缝检测和焊道尺寸视觉测量的信息融合自适应微调焊枪位置的方法。首先基于结构光视觉传感器系统采集焊缝图像,在典型图像处理算法的基础上,结合FROSAC提取算法提取焊缝特征信息;将提取到... 详细信息

针对中厚板多层多道焊的焊道测量问题,提出利用焊缝检测和焊道尺寸视觉测量的信息融合自适应微调焊枪位置的方法。首先基于结构光视觉传感器系统采集焊缝图像,在典型图像处理算法的基础上,结合FROSAC提取算法提取焊缝特征信息;将提取到的特征点进行坐标转换,采用视觉测量获得焊道轮廓和尺寸信息,来修正机器人的运动路径;根据焊缝特征信息分析工艺参数对焊道成型的影响,确定焊道层数、各焊道的工艺参数以及焊枪的偏移量,完成多层多道焊接工艺规划;最后基于搭建的机器人焊接视觉系统在12 mm母材上进行V形坡口多层多道焊接试验。结果表明:该方法下坡口填充良好,焊道尺寸平均测量误差小于0.2 mm,满足多层多道焊接工业应用需求。

关键词：多层多道规划结构光视觉传感器三维检测 FROSAC算法焊接工艺参数

基于激光视觉传感的多层多道智能排道焊接系统研究

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基于激光视觉传感的多层多道智能排道焊接系统研究

作者：杨宇邦南昌大学

学位级别：硕士

中厚板构件在船舶制造、航空航天、汽车制造等领域被广泛应用,与薄板相比中厚板构件焊缝坡口更大、所需焊接时间更长、焊接发热更严重。如果任然只焊接一层,其焊接效果将会远远不符合要求。如果采用多层多道这种焊接方式对这种中厚板工... 详细信息

中厚板构件在船舶制造、航空航天、汽车制造等领域被广泛应用,与薄板相比中厚板构件焊缝坡口更大、所需焊接时间更长、焊接发热更严重。如果任然只焊接一层,其焊接效果将会远远不符合要求。如果采用多层多道这种焊接方式对这种中厚板工件进行焊接,就能大大提高焊接的效果,目前在实际的焊接应用中,多层多道这种焊接方式基本上都是由工人来完成焊接工作,这也就使得焊接的工作强度加大、焊接的环境也更加恶劣、焊接质量稳定性也不能得到保证,因此急需研发出一种用机器人来代替人工进行焊接作业的自动化的稳定的焊接方法,用于解决上面人工焊接面临的问题。当前焊接机器人主要还以示教再现的工作方式,这种工作方式只能完成特定条件下的焊接任务,对于焊接条件复杂多变的情况,这种焊接方式则不能很好的完成焊接任务。针对上诉提出的问题及目前实际的焊接需求,本文将设计并自主开发一套可以很好适配焊接机器人的激光结构光视觉传感系统,这套激光结构光视觉传感系统主要由以下几部分组成:激光传感器、图像采集卡、工业控制机。这套系统的完成将在一定程度上提高焊接机器人在中厚板工件中的自动化水平。本文对于从激光视觉传感系统中采集到的包含中厚板坡口特征信息的焊缝图像中提取出特征信息并用于后续计算坡口焊缝尺寸信息。本文设计了一套用于中厚板坡口焊缝图像的图像处理算法,通过对焊缝的图像进行滤波处理,滤除原始图像上的噪声影响,然后对滤波操作处理后的焊缝图像做图像二值化处理使焊缝图像从背景中凸显处理,接着对二值化处理后的图像进行焊缝中心线提取使焊缝特征信息更明显,最后对提取到的中心线进行最小二乘法直线拟合并计算三条直线间两两直线的交点,所得的交点即为我们要求的特征点。对于焊缝特征点的三维坐标还原,本文提出了一种基于线结构光的相机参数标定方法。可以实现焊缝特征点从二维像素坐标还原到三维世界坐标。并进行实验验证,x轴和y轴两个方向的误差小于0.7mm,z轴方向的误差小于0.5mm,满足实际焊接要求中厚板焊缝多层多道规划,本文对V形坡口焊缝做了层道数、焊接参数以及焊枪摆动等方面的规划,最后还进行焊接试验验证了多层多道规划的可行性。

关键词：激光视觉传感线结构光焊缝图像处理相机标定多层多道规划

基于激光传感的机器人MAG焊变间隙自适应规划方法

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基于激光传感的机器人MAG焊变间隙自适应规划方法

作者：顾帆上海交通大学

学位级别：硕士

在海工装备、工程机械及桥梁等结构件中存在大量中厚板的焊接制造。传统手工焊接对应着劳动强度高、作业环境恶劣等,所以需要一种可以用弧焊机器人替代人的智能化焊接方法。目前焊接机器人大多是“示教-再现”机器人,需要预先设定路径,... 详细信息

在海工装备、工程机械及桥梁等结构件中存在大量中厚板的焊接制造。传统手工焊接对应着劳动强度高、作业环境恶劣等,所以需要一种可以用弧焊机器人替代人的智能化焊接方法。目前焊接机器人大多是“示教-再现”机器人,需要预先设定路径,无法对焊接过程中焊接装配情况(如装配间隙、错边等的变化)进行自适应调整,导致焊缝成形及质量不稳定。本文针对弧焊机器人在中厚板焊接过程中的应用,开发了一套应用于焊接的激光视觉传感器,搭建了视觉传感器与FANUC机器人控制器之间的软件通讯平台,提高了FANUC机器人在中厚板自动化和智能化水平。首先,建立了自主研制的视觉传感系统标定,包括摄像机内外参数标定,基于投影关系的线结构光标定,激光条纹的成像位置与实际位置的关系公式的求解,以及机器人的手眼标定。其次,对采集的焊缝激光条纹图像进行综合分析,分别对原始图像进行预处理、阈值分割、中心线提取、直线拟合等步骤提取出焊缝坡口特征参数,并基于线结构光标定原理将坡口特征参数转化至机器人世界坐标系下,然后利用通讯平台将数据实时传输给机器人控制器。考虑到实时采集过程中图像数据波动,采用平滑滤波的方法过滤了干扰性的波动。该算法在中厚板摆动焊接过程中,仍能表现出良好的鲁棒性,并可实时、稳定表征激光条纹特征信息。最后,在渐变间隙的焊接试板上进行了机器人焊缝跟踪工艺试验和算法验证。针对焊缝间隙渐变的装配情况,通过解析模型计算出了相应的焊接参数,包括焊接速度、焊枪摆幅,制定了多道焊过程中的焊枪姿态自适应调整方法和控制策略。最后在工件板厚20mm、坡口渐变情况下,开展了多层多道规划及自适应调整焊枪摆幅、焊接速度的自适应规划和控制试验,并可视化了每一层焊道表面的三维形貌,从理论层面验证了上述变间隙自适应规划方法的有效性,为今后类似中厚板机器人焊接提供了理论支撑和算法验证。

关键词：焊接自动化焊接机器人自适应多层多道规划视觉传感

基于激光视觉信息的机器人多层多道焊接自主规划及其在线修正

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基于激光视觉信息的机器人多层多道焊接自主规划及其在线修正

作者：赖延辉上海交通大学

学位级别：硕士

中厚板焊接制造工件被广泛应用在海工装备、工程机械以及桥梁结构件当中,与薄板焊接相比,其焊缝坡口更大、焊接时间更长、焊接过程更复杂。目前的焊接机器人大多数是“示教—再现”型机器人,无法根据工件坡口的实际情况修正焊道的焊接参... 详细信息

中厚板焊接制造工件被广泛应用在海工装备、工程机械以及桥梁结构件当中,与薄板焊接相比,其焊缝坡口更大、焊接时间更长、焊接过程更复杂。目前的焊接机器人大多数是“示教—再现”型机器人,无法根据工件坡口的实际情况修正焊道的焊接参数,更无法自主决定各道焊道的焊枪起始点位置。为了保证中厚板的焊接质量,同时提高中厚板焊接制造件的生产效率,急需探索一种具有智能化行为的中厚板焊接方法。本文针对中厚板焊接中的焊道规划问题,利用激光视觉传感器采集每道焊道的焊后坡口轮廓图,通过图像处理和特征提取算法得到焊缝坡口特征点,并通过坐标转换将其转换为三维坐标点,利用特征点信息和预先得到的焊道宽度与焊接参数的数学关系式,对焊道的焊接参数进行修正。同时,根据特征点信息来确定下一道焊道的焊枪起始点。首先,通过焊接工艺试验,构建了V型坡口多层多道焊接中打底焊的焊接电流与其成形尺寸间的关系。同时,根据工件对熔池的约束条件个数不同对摆动焊道进行分类,分析了中厚板摆动焊接中焊接电流、摆幅对焊道成形宽度的影响,并拟合得到相应的数学关系式。然后,利用激光视觉传感器采集每条焊道的焊后坡口轮廓图。通过二值化图像、中值滤波、均值法提取激光条纹中心线,并利用焊缝最低处的特点提取第一个特征点,利用第二个特征点与第一个特征点的相关关系提取第二个特征点。并通过相机标定、激光平面方程求解、机器人手眼标定,得到相应的坐标转换矩阵,把二维图像坐标点转换到机器人三维基坐标系。最后,利用特征点信息得到待填充焊道的宽度信息,并利用焊接工艺得到的焊接参数与焊道宽度的关系式计算得到相应的焊接参数,应用此参数值修正预规划的焊接参数。同时,利用特征点信息可以确定每道焊道的焊枪起始点位置。为了验证上述方法的可行性,以V型坡口中厚板工件为试验对象,基于自定义填充方案对焊道进行预规划,通过上述的方法修正焊接参数,并把计算得到的焊枪起始点位置与实际焊枪位置作对比,验证其精确性。结果表明,通过该方法可以有效地修正焊道的焊接参数,并准确地确定各道焊道的焊枪位置,其误差在1.2mm以内。

关键词：激光视觉传感多层多道规划焊接参数修正特征点提取焊枪起弧点图像处理

基于焊道自适应编排的船舶型材弧焊机器人系统研制

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基于焊道自适应编排的船舶型材弧焊机器人系统研制

作者：刘希鹏上海交通大学

学位级别：硕士

船舶产业是国家传统产业中的重要组成部分,但我国造船耗能大,劳动力资源紧张,自动化水平低。目前船舶型材仍采用手工焊接方式,现场生产环境恶劣,效率低下,焊接质量稳定性难以保证。同时,焊接制造行业用工难、用工贵和高技能焊工稀缺等... 详细信息

船舶产业是国家传统产业中的重要组成部分,但我国造船耗能大,劳动力资源紧张,自动化水平低。目前船舶型材仍采用手工焊接方式,现场生产环境恶劣,效率低下,焊接质量稳定性难以保证。同时,焊接制造行业用工难、用工贵和高技能焊工稀缺等现实需求,使得“机器换人”成为焊接制造业转型升级的必然发展趋势。实际焊接生产过程中,由于装配间隙、错边及散热不均等因素,传统的“示教再现型”机器人在焊接过程中容易出现焊接轨迹偏离或者焊接参数不匹配等问题,导致焊接接头质量不稳定甚至失效。基于上述问题,本文针对船舶分段T型材机器人自动化需求,研制了一套基于激光视觉传感的弧焊机器人系统,用于船舶分段型材的自动化焊接。借助激光视觉传感技术、多层多道规划及焊接专家系统成功实现了分段型材的自动化、智能化焊接。构建的系统具备初始焊缝识别、跟踪、多层多道规划、焊枪姿态及工艺参数自适应调整等功能。首先根据船舶T型材所用焊接材料及其焊接工艺要求,结合船舶制造业的生产现状,详细分析了大船船舶T型材对口焊接自动化生产所面临的问题,根据船舶型材弧焊机器人系统的实际作业环境,明确了焊接机器人系统性能指标和技术要求,并给出了系统总体设计方案。本文首先构建了船舶型材弧焊机器人系统,包括:机器人本体、控制柜、焊接电源、激光视觉传感器、焊接专家库系统、多层多道规划以及主控计算机等六部分组成。硬件系统包括机器人系统、焊接设备、线激光传感器、主控计算机、防碰撞传感器、清枪站及外围辅助设备等,基于系统开发的软件人机操作界面友好、故障响应迅速,便于远程监控、操作。其次,提出了线激光视觉传感器一套简单适用的标定方法,解析了视觉传感器和机器人的“手眼”关系矩阵。针对T型材平板对接、立板对接两种接头形式,在工件坐标系下分别提出了焊接始、末点寻位策略,改进了厚板焊缝根部中心位置坐标的提取方法。通过在工件上建立焊枪坐标系的方法保证了焊接过程中焊枪姿态可达性和合理性,并可实现焊缝跟踪功能。开发了分段型材的焊接专家系统,支持焊接工艺规程导入导出功能。根据输入的焊接工艺参数,结合板材厚度自动规划多层多道焊道编排,采用相邻数据插值法计算焊接电流和焊缝填充量法优化焊接速度,优化初始规划算法,避免喷嘴和工件干涉碰撞。最后,本文研制的船舶型材分段弧焊机器人系统,在大连船舶重工集团有限公司船舶分段制造数字化车间进行了试点应用。针对现场应用提出了一系列安全操作规程;借助开发的焊接专家系统,可实现现场不同尺寸工件自动生成焊接规范参数。现场焊接试生产结果表明,采用本文开发的船舶型材分段弧焊机器人系统可大大提高生产效率,降低工人劳动强度和保证焊缝质量。对提高我国船舶制造的高效化和自动化技术,促进船舶自动化制造水平具有重要意义。

关键词：船舶型材焊接焊接机器人系统焊接专家系统视觉传感多层多道规划

厚板窄间隙多层多道自动化激光填丝焊接及焊缝跟踪

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厚板窄间隙多层多道自动化激光填丝焊接及焊缝跟踪

作者：施浩上海交通大学

学位级别：硕士

传统上,窄间隙激光填丝焊主要以人工示教为主,人为因素对焊接质量影响较大,焊接效率低。针对以上问题提出厚板窄间隙多层多道自动化激光填丝焊接及焊缝跟踪。首先研究了厚板激光填丝焊的工艺参数。实验结果表明,影响填丝焊焊缝成型的主... 详细信息

传统上,窄间隙激光填丝焊主要以人工示教为主,人为因素对焊接质量影响较大,焊接效率低。针对以上问题提出厚板窄间隙多层多道自动化激光填丝焊接及焊缝跟踪。首先研究了厚板激光填丝焊的工艺参数。实验结果表明,影响填丝焊焊缝成型的主要因素有激光功率、送丝速度、焊接速度、离焦量以及保护气流量。随激光功率的增加,单道焊缝的填充量下降,熔宽增加;随着送丝速度增大,焊缝填充量与堆高均增大;焊接速度的增加导致焊缝填充量与堆高下降,熔宽因热输入减小而下降;离焦量对熔深的影响较大,随着离焦量增大,焊缝熔深下降;保护气体流量过大,会影响焊缝成型的质量。其次建立单道填丝焊的焊缝几何与焊接输入参数之间的关系。本文通过响应曲面法分别建立了焊缝填充横截面积、熔宽、堆高、熔宽与堆高的比值与激光功率、送丝速度以及焊接速度之间的数学关系。验证实验结果表明,所建立的模型均能准确的对焊缝的几何参数进行预测。继而建立了基于单道填充横截面积的多层多道焊缝轨迹规划方法,包括焊接道数、焊枪端点坐标的算法、填充顺序等,使得焊道规划更加准确。随后利用KUKA机器人编程实现多道焊焊接程序。最后结合焊缝跟踪传感器实现了多层多道焊缝跟踪。该激光扫描式传感器能够实时调整焊缝跟踪轨迹,避免焊接过程中因焊接变形或者工装移位导致焊枪端点偏离原焊接轨迹的问题。验证实验结果表明,采用上述方法,能够准确的对焊缝几何、焊接道数、焊枪端点坐标偏移量进行预测。对于多层多道焊接接头缺陷的分析表明,热输入P/Vw以及送丝速度与焊接速度的比值Vf/Vw是影响接头质量的主要因素。另外,单道焊缝熔宽Ww与被填充层宽度Wt的比值会影响多层-单道填充时缺陷的形成。

关键词：激光填丝焊多层多道规划焊缝几何模型焊缝跟踪窄间隙