基于環(huán)形激光視覺(jué)的焊縫3D建模與跟蹤.pdf

1、機(jī)器人與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使焊接自動(dòng)化程度日益提高.影響自動(dòng)化焊接質(zhì)量的因素不僅包括被焊工件的厚度、接頭形式、表面狀態(tài)、焊接材料的化學(xué)成分等焊接的結(jié)構(gòu)因素,還包括焊接方法、焊接速度、焊矩路徑規(guī)劃、工件位置檢測(cè)等工藝因素.特別是被焊工件的三維位置檢測(cè),一直是焊接自動(dòng)化所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題.焊接過(guò)程提升到自動(dòng)化和人工智能化水平需要焊縫信息識(shí)別、定位與跟蹤技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展.沒(méi)有精確、高效且反應(yīng)快速的傳感器,焊接自動(dòng)化的目標(biāo)就無(wú)法實(shí)現(xiàn).

2、 為了實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化,實(shí)時(shí)自動(dòng)地獲得焊縫的位置信息,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多傳感技術(shù),其中,視覺(jué)傳感器由于具有非接觸、反應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注.由于熔池強(qiáng)光的干擾作用,主動(dòng)光技術(shù)無(wú)法用于焊接熔池的信息傳感,焊接熔池的自動(dòng)控制通常采用被動(dòng)視覺(jué)傳感方法,該方法不能直接提取焊縫的深度信息,僅能通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定、陰影恢復(fù)法、光度立體等技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫深度信息的提取.主動(dòng)光傳感技術(shù)采用結(jié)構(gòu)光法或光學(xué)掃描方法產(chǎn)生一定的激光軌跡并將其投射到待焊接的

3、區(qū)域,利用激光三角測(cè)量原理,計(jì)算焊縫空間位置.目前,已有點(diǎn)狀激光、單線激光、雙線激光、五線激光和基于線狀CCD攝像機(jī)的環(huán)形激光作為焊縫位置視覺(jué)傳感的應(yīng)用研究,而且其中部分已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)品化階段,取得了很大的成功,但其對(duì)復(fù)雜形狀構(gòu)件自動(dòng)識(shí)別、焊縫自動(dòng)跟蹤時(shí),存在著信息量少；解釋模糊；跟蹤精度差和僅能一維或二維方向跟蹤等問(wèn)題.利用線陣CCD作為接收器的環(huán)形激光視覺(jué)傳感器由于同樣采用三角測(cè)量方法,要求傳感器各部件的空間位置符合Scheimpfl

4、ug條件,所以測(cè)量效率較低,而面陣CCD的出現(xiàn),使得研究工作者開(kāi)發(fā)"下一代視覺(jué)傳感器"成為可能. 論文在調(diào)查國(guó)內(nèi)外視覺(jué)傳感、焊縫跟蹤研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合環(huán)形激光視覺(jué)傳感思想與面陣CCD的優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)出一種新型的視覺(jué)傳感器.提出了一種差分算法和模板方法來(lái)識(shí)別焊接接頭的特征,并利用攝像機(jī)成像規(guī)律和基于錐形激光傳感器的"半徑.深度關(guān)系"算法,建立了焊縫特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算模型.實(shí)現(xiàn)了焊縫位置的迅速、準(zhǔn)確且高效的定位與跟蹤.利用正負(fù)透鏡組合

5、技術(shù),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于環(huán)形激光的光學(xué)掃描系統(tǒng),構(gòu)建了環(huán)形激光視覺(jué)傳感器.研究了掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)對(duì)環(huán)形激光視覺(jué)器的焊縫成像的影響,提出采用理論采集效率T1l、實(shí)際采集效率η,2>與損耗效率η<,3> 來(lái)表征電樞電壓變化和機(jī)械振動(dòng)之間的關(guān)系. 在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)電樞電壓值和環(huán)形激光掃描速率參數(shù)的優(yōu)化,改善了掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性. 研究了電動(dòng)機(jī)電壓變化、圖像細(xì)化質(zhì)量和機(jī)械振動(dòng)之間的關(guān)系,機(jī)械振動(dòng)分析試驗(yàn)結(jié)果表明

6、:當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓過(guò)低時(shí)(低于 11.8V),圖像采集效率下降,從而導(dǎo)致環(huán)形激光焊縫圖像部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失,無(wú)法獲得完整的反映焊縫形態(tài)的環(huán)形激光軌跡圖像,嚴(yán)重影響圖像細(xì)化質(zhì)量,在圖像中表現(xiàn)為主體骨架周?chē)纬稍S多細(xì)小毛刺,降低焊縫圖像的識(shí)別精度；而當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓過(guò)高時(shí)(22V-額定電壓),由于電動(dòng)機(jī)扭矩變大,掃描速度過(guò)快,使整個(gè)視覺(jué)傳感系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng),可能會(huì)影響焊縫圖像識(shí)別精度.本文研究了攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)和傳感器系統(tǒng)空間參數(shù)的計(jì)算問(wèn)題,利用激光法和改進(jìn)

7、的顯示標(biāo)定方法對(duì)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定.分析了激光錐體坐標(biāo)系原點(diǎn)、攝像機(jī)比例系數(shù)、分離角對(duì)焊縫3D計(jì)算的影響,.提出了一種利用激光成像的原理來(lái)計(jì)算各參數(shù)的方法.實(shí)際試驗(yàn)表明:該方法既避免了工具空間測(cè)量誤差較大的難題、也解決了使用空間三維測(cè)量?jī)x造成的投資較大和利用率不高的問(wèn)題.標(biāo)定精度能夠滿(mǎn)足焊接應(yīng)用要求. 論文針對(duì)環(huán)形激光焊縫圖像存在的噪聲問(wèn)題,將小波變換用于圖像去噪處理,試驗(yàn)結(jié)果表明,3層Harr小波不僅去除了環(huán)形激光焊縫圖

8、像中的噪聲,而且最大程度地保留了焊縫細(xì)節(jié)信息；針對(duì)光線弱化的問(wèn)題,提出了一種順序統(tǒng)計(jì)量非線性濾波技術(shù)一以模板內(nèi)最大值減1來(lái)代替模板中值作為計(jì)算值來(lái)進(jìn)行濾波的方法,實(shí)際濾波結(jié)果表明,光線弱化問(wèn)題得到完全解決；此外根據(jù)環(huán)形激光焊縫圖像的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了基于灰度最大值統(tǒng)計(jì)與區(qū)域分割的兩步法分割技術(shù).試驗(yàn)結(jié)果表明,該分割方法能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形激光焊縫圖像的準(zhǔn)確分割.論文討論了如何根據(jù)圖像中的二維像素坐標(biāo)計(jì)算焊縫3D坐標(biāo)的問(wèn)題,建立了三種焊縫深度計(jì)算數(shù)學(xué)模

9、型,并給出了完整的推導(dǎo)公式；研究了焊縫深度(Z<,L>)隨著分離角(β)的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明,利用基于"半徑-深度關(guān)系和攝像機(jī)放大系數(shù)"的焊縫3D計(jì)算模型能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算多種焊縫的3D坐標(biāo)；論文計(jì)算了"對(duì)接V_型坡口接頭、對(duì)接I型接頭、搭接接頭、角接接頭、環(huán)形焊縫及斜坡焊縫"的3D坐標(biāo),并將焊縫三維坐標(biāo)的計(jì)算值與測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明焊縫位置三維坐標(biāo)的計(jì)算精度完全可以用于焊縫特征點(diǎn)提取、定位與跟蹤. 論文基于焊縫激光視覺(jué)圖

10、像分析了不同焊接接頭上的環(huán)形激光圖像形態(tài).結(jié)果表明,不同焊接接頭形式,其環(huán)形激光形態(tài)各異:焊縫部分的環(huán)形激光在搭接焊縫條件下的圖像形狀呈缽形,在對(duì)接I型接頭呈曲柄形,在角接焊縫條件下呈蝶形,在對(duì)接V型坡口焊縫條件下呈蝙蝠形.針對(duì)環(huán)形激光檢測(cè)圖像的特點(diǎn),論文提出了三種基于環(huán)形激光軌跡的焊縫特征點(diǎn)搜尋算法:移動(dòng)模板算法、梯度算法和搜索窗算法,結(jié)合建立的焊縫3D坐標(biāo)的計(jì)算模型,確定焊縫特征點(diǎn)在機(jī)器人本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)焊縫的定位.論文利用

11、移動(dòng)模板模型尋找焊縫位置,并采用基于"半徑-深度關(guān)系和攝像機(jī)放大系數(shù)"的焊縫3D坐標(biāo)計(jì)算模型計(jì)算了焊縫特征點(diǎn)的3D坐標(biāo).試驗(yàn)結(jié)果表明,提出的焊接接頭特征點(diǎn)搜尋技術(shù)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到焊縫特征點(diǎn)的位置,計(jì)算值和測(cè)量值對(duì)比分析表明,三維坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果的最大誤差約為0.8mm,基本滿(mǎn)足鎢極氬弧焊焊縫跟蹤系統(tǒng)對(duì)定位精度的要求. 本文研究了焊縫跟蹤系統(tǒng)模型,針對(duì)焊縫檢測(cè)點(diǎn)與焊接點(diǎn)不一致的問(wèn)題,構(gòu)建了一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組.動(dòng)態(tài)數(shù)組用于存儲(chǔ)機(jī)器人運(yùn)行路徑上

12、激光視覺(jué)傳感器系統(tǒng)依次檢測(cè)并計(jì)算的各個(gè)焊縫特征點(diǎn)的3D坐標(biāo)值,當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)焊炬到達(dá)上述激光視覺(jué)傳感器檢測(cè)點(diǎn)時(shí),依次調(diào)用相應(yīng)點(diǎn)位置參數(shù)實(shí)施焊縫跟蹤.針對(duì)通用工業(yè)(ABB)機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)路徑上傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)插補(bǔ),論文提出了一種基于"小線段逼近"的焊縫跟蹤模型.試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠解決焊縫跟蹤過(guò)程中機(jī)器人代碼封閉的問(wèn)題.本文基于C語(yǔ)言和RAPID語(yǔ)言的軟件和論文提出的焊縫特征的3D坐標(biāo)算法模型,開(kāi)發(fā)了基于模塊化和可視化的機(jī)器人焊