機器人脈沖MAG焊過程視覺與電弧特征提取及焊縫跟蹤控制.pdf

1、目前生產(chǎn)中應(yīng)用的焊接機器人主要在“示教-再現(xiàn)”模式下工作，即精確重復(fù)預(yù)先示教的動作進(jìn)行焊接生產(chǎn)。因此為了得到較高的焊接質(zhì)量，就要求焊縫與示教軌跡應(yīng)該盡可能一致。但由于一些干擾因素的存在，如工件的加工誤差，焊前的裝配誤差以及焊接過程中的熱變形等，實際生產(chǎn)時焊縫往往會在不同程度上偏離示教軌跡，從而影響機器人焊接的質(zhì)量。針對這一問題，本文以脈沖MAG焊在低碳鋼中的應(yīng)用為背景，采用被動視覺傳感技術(shù)獲取焊接過程的視覺信息，實現(xiàn)焊縫的左右跟蹤；同時

2、針對焊槍高度信息難以通過視覺傳感技術(shù)所獲得這一不足，引入電弧傳感技術(shù)，實現(xiàn)焊槍高度方向的跟蹤；最后基于這兩種傳感技術(shù)，實現(xiàn)機器人脈沖MAG焊三維空間焊縫的跟蹤。隨著焊接機器人價格的降低和性能的提高，以及制造業(yè)勞動力成本的上升和熟練焊工的短缺，本文研究的實時焊縫跟蹤技術(shù)對促進(jìn)焊接機器人在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，提高中國制造業(yè)的自動化水平有重要的意義。
　　為了實現(xiàn)焊縫跟蹤功能，本文首先對傳統(tǒng)“示教-再現(xiàn)”型機器人系統(tǒng)進(jìn)行了改造。在對脈沖M

3、AG焊的工藝特點以及電弧光譜進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研制了一套視覺傳感器，能夠穩(wěn)定地獲取焊接過程的視覺信息；采用霍爾電流和電壓傳感器測量焊接過程的電信號，并開發(fā)了基于DSP的信號采集與處理程序；在Visual C++環(huán)境下，利用多線程技術(shù)編寫開發(fā)了主控軟件，可以實現(xiàn)視覺信息和電弧信息的同時采集、處理以及對DSP與機器人的控制。
　　針對帶有一級反射光路的CCD攝像系統(tǒng)，本文通過分析空間中同一點在不同坐標(biāo)系下坐標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系，建立了圖像坐標(biāo)

4、系與機器人坐標(biāo)系間的映射關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，分析了該映射關(guān)系成立的條件，并分別對其在機器人直角坐標(biāo)系與機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的表達(dá)形式進(jìn)行了修正，為實現(xiàn)不同機器人姿態(tài)下的焊縫跟蹤提供了依據(jù)。
　　本文研究了低碳鋼脈沖MAG焊中的圖像特征，提出了一種自適應(yīng)窗口分割方法，用于將電弧與焊縫區(qū)域從背景圖像中分割出來。在分析電弧圖像灰度分布的基礎(chǔ)上，提出了基于閾值分割的焊絲投射點提取方法。在分析焊縫形態(tài)特性的基礎(chǔ)上，針對單一判據(jù)難以準(zhǔn)確區(qū)分噪聲邊

5、緣與焊縫邊緣的不足，提出了一種多判據(jù)目標(biāo)識別方法，并采用角度-間隙輔助焊縫定位法定位焊縫邊緣，提高了焊縫邊緣檢測的準(zhǔn)確性。
　　本文根據(jù)脈沖MAG焊的電源特點，通過實驗得到了與焊槍高度相關(guān)的若干電弧特征。在對電弧信號進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種防異常干擾滑動平均濾波法，能夠有效減少噪聲信號的干擾，提高電弧特征表征焊槍高度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。針對電弧特征間的信息冗余以及焊縫跟蹤實時性的要求，利用特征選擇的方法確定采用平均電流表征焊槍高

6、度，并得到了滑動平均窗口的參考尺寸。在此基礎(chǔ)上，建立了平均電流與焊槍高度之間的關(guān)系模型。
　　本文研究了機器人運動空間的直線插補算法與圓弧插補算法，實現(xiàn)了主控計算機對機器人軌跡的控制，能夠?qū)C器人軌跡進(jìn)行實時調(diào)整。針對焊接過程的多參數(shù)時變非線性特點，設(shè)計了一種模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)合模糊控制的雙模復(fù)合控制系統(tǒng)。通過對視覺處理滯后引入的誤差成因進(jìn)行分析，推導(dǎo)出誤差的估計公式，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于焊絲投射點預(yù)測修正的誤差補償算法。