基于视觉传感的弧焊跟踪系统的研究与应用

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3.0 侯斌 2025-01-09 6 4 4.56MB 71 页 15积分

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摘要

机器人自动焊接系统通常采用示教的发法来规划焊枪沿着焊缝的移动。但是

这种方便并没有考虑焊接过程中工件的位置或者工件边缘的差异性。导致的结果

往往是使焊接的质量得不到保证。在机器人自动焊接系统中添加一个焊缝跟踪器，

通过在焊接过程中实时的调整路径，就会解决上述问题。

本论文的目的是为了开发一个焊缝跟踪系统，就有自动跟踪焊缝，实时控制

焊枪速度，方向，位置的能力。这个系统将会安装在一台标准的工业机器人上，

这个机器人要具有从焊接控制系统接受焊枪高度，速度指令的能力。

本文采用一个激光三角测量传感器和硬件处理器去捕捉工件表面的图像。开

发的软件用来分析焊缝的位置和计算出焊枪移动方向的纠偏值。通过焊缝的位置，

焊枪的高度，以及来自焊缝控制器的速度信息来计算出机器人运动的轨迹。

在非常恶劣的焊接环境下，对设计焊缝跟踪系统进行测试，并且成功指导焊

枪沿着焊缝移动。焊缝跟踪器跟踪复杂焊缝的能力通过一个测试用的焊缝进行。

结果表明，焊缝跟踪器是可以跟踪复杂的三维焊缝的。对速度改变响应和精度测

设上也取得了满意的结果。

关键词：焊接机器人视觉传感器视觉伺服控制特征提取

ABSTRACT

Automated robotic welding systems often use a preprogrammed path to guide

the welding torch along the seam to be welded. This process cannot take into account

differences in part positioning or war page of the part while welding. The result is often

poor quality. Adding a seam tracker to the system can alleviate this problem by

modifying the path of the robot to suit the part it is welding.

The goal of this research is to develop a seam tracking system that is capable of

locating the seam and controlling the torch position, orientation, and velocity in

real-time. The system is to be installed on a standard industrial robot with the ability to

receive torch height and travel speed commands from a weld control system.

A Laser triangulation sensor and hardware preprocessor were used to capture an

image of the surface profile of the work piece. The software routines developed analysis

this image to find the position of the seam and calculate the necessary corrections to the

orientation of the torch. The trajectory of the robot is calculated in real-time using the

position of the seam and the torch height and travel speed commands received from an

external weld control computer.

The seam tracking system was tested in the harsh environment of GMA welding

and successfully guided the torch along the seam. The geometric following capabilities

of the seam tracker were tested with a complex test seam. The results show that the

seam tracker was able to follow a complex three-dimensional path. Good results were

also obtained from the travel speed response and accuracy testing.

Key words: Welding Robot, Vision Sensor, Robot Visual

Serving Control, Feature Extraction

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论…………………………………………………………………………1

1.1 弧焊机器人在焊接中的应用现状…………………………………………1

1.2 焊缝跟踪背景………………………………………………………………2

1.2.1 传感器…………………………………………………………………2

1.2.2 焊缝跟踪方法…………………………………………………………3

1.2.3 焊枪的控制……………………………………………………………4

1.3 本课题研究的内容与意义…………………………………………………4

第二章系统总体方案设计…………………………………………………………5

2.1 机器人………………………………………………………………………5

2.2 焊缝跟踪器…………………………………………………………………8

2.3 VME 到PC 接口板卡………………………………………………………10

2.4 本章小结…………………………………………………………………10

第三章焊缝识别……………………………………………………………………11

3.1 焊缝图像预处理…………………………………………………………15

3.2 图像分析…………………………………………………………………15

3.3 确定图像中焊缝的位置…………………………………………………18

3.4 本章小结…………………………………………………………………20

第四章焊枪的运动路径与控制……………………………………………………21

4.1 焊接机器人的低层次控制………………………………………………21

4.2 坐标转换…………………………………………………………………21

4.3 焊枪的焊接方向…………………………………………………………22

4.4 焊枪的位置控制…………………………………………………………27

4.5 焊枪的速度控制…………………………………………………………28

4.6 焊枪的高度控制…………………………………………………………35

4.7 本章小结…………………………………………………………………37

第五章系统误差分析………………………………………………………………40

5.1 图像误差…………………………………………………………………40

5.2 严重误差…………………………………………………………………43

5.3 本章小结…………………………………………………………………43

第六章数据通信…………………………………………………………………44

6.1 数据处理中心……………………………………………………………44

6.2 图像处理板卡到焊缝跟踪器的通信接口………………………………44

6.3 焊缝跟踪控制器到机器人控制器的通信接口…………………………44

6.4 同步通信…………………………………………………………………45

6.5 本章小结…………………………………………………………………46

第七章校准…………………………………………………………………………47

第八章系统测试和结果……………………………………………………………51

8.1 系统的整体测试…………………………………………………………51

8.2 图像分析测试……………………………………………………………51

8.3 复杂几何形状的焊缝的跟踪……………………………………………52

8.4 焊缝跟踪精度的测试……………………………………………………53

8.5 焊接速度的测试…………………………………………………………59

8.6 本章小结…………………………………………………………………61

第九章总结和改进…………………………………………………………………62

9.1 总结………………………………………………………………………62

9.2 改进………………………………………………………………………63

附录…………………………………………………………………………………65

参考文献………………………………………………………………………………67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果……………………………69

致谢……………………………………………………………………………………70

第一章绪论

当前，焊接作为材料加工的一种手段，在工业生产中得到广泛应用，并且在

材料加工中起到越来越重要的作用。在这样一个趋势下，对焊接过程中焊接质量

的稳定性、应用的灵活性、操作的安全性及经济性等，焊接过程自动化、机器人

化的要求越来越高。初步的应用表明焊接机器人在制造业技术改造、提高焊接质

量、减少工人劳动强度、改善焊接劳动条件等方面显示了无法比拟的优越性。尤

其是研究开发具有智能的焊接机器人及其智能化技术，实现焊接路径自动规划、

实时自动校正路径及焊缝跟踪、焊接熔深、熔透以及焊缝成形等质量控制功能，

将成为引领 21 世纪焊接工艺技术发展的方向。

焊接质量控制的研究是焊接过程自动化研究中，非常重要的一部分。随着对

焊接过程自动化和智能化水平的要求逐渐提高，对焊接质量的控制就变得越来越

重要。目前，随着计算机视觉技术的迅速发展，通过机器视觉直接观察焊接熔池，

通过图像处理获取熔池的几何形状信息，对焊接质量进行闭环控制，己成为非常

重要的一个研究方向。焊接质量控制是指利用一定的焊接传感器传感，传感对象

包括焊枪与焊缝的相对位置关系、焊接电弧、熔池等，得到焊接过程的特征参数，

通过一定的建模方法建立焊接过程的数学模型，根据所得到模型，采用合适的控

制手段和策略对焊接过程的工艺参数进行控制从而得到好的焊接质量的过程。

1.1 弧焊机器人在焊接中的应用现状

自从机器人进入工业领域以来，发展及其迅速。从 2008-2015 年，世界实际装

备工业机器人数量将由 2008 年的 743,000 台增加到 1892,000 台，其中在“机器人

王国”日本有 1370，000 台，世界其他地区通用工业机器人的实际装备数量将由

1340,000 台增加到 1508,000 台。在美国，实际装备通用工业机器人的数量 2003 年

就已经达到 155,000 台，欧洲达到 262,000 台，其中超过一半为焊接机器人。

焊接作为工业机器人应用的一个重要领域，不仅国外加速了对工业机器人在

焊接方面的研究应用，我国也开始了对焊接机器人的研究。在数量上，根据到 2011

年的统计，全国大约共有焊接机器人 91040 台，其中弧焊机器多于点焊机器人。

汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 76％，是我

国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的弧焊焊机器人少，而点焊机器人相对

多一些；在汽车零部件厂，恰恰相反。

随着焊接机器人的技术水平在不断的提高，现在，焊接机器人往往采用交流

伺服电机来驱动，交流伺服电机具有没有电刷，故障率低等优点。控制器中通常

采用 32 位的计算机，除可以控制机器人本体的 5－6个轴外，还可以使外围设备

和机器人协调联动。在 2004 年的中国焊接会议上，日本安川公司的新型焊接机器

基于视觉传感的弧焊跟踪系统的研究与应用

人控制器 NX100 技术中，一台控制器能同时控制四台机器人共 36 轴，并且使用

软PLC 对周围装置进行控制。除此之外，示教盒也采用了功能强大的 Windows CE

操作系统。

配套焊接系统也有很多新的进展，日本松下公司把旋转电弧焊技术用于弧焊

机器人。由于采用旋转电弧焊时，焊丝能够以 50HZ 以上的频率旋转，所以用这种

技术进行焊缝跟踪时，其跟踪精度比机器人经常采用的摆动焊（摆动频率小于

10HZ）要高的多。另外，该公司在控制柜中内藏焊机的机器人，依靠数字通讯技

术实现焊机和机器人的结合，实现焊机和机器人的融合，既由机器人控制器直接

控制焊接波形。采用频率为 100KHZ 的逆变电源，具备体积小巧，控制精度高等

优点。焊机和机器人相互融合产生的优点主要有焊机和焊枪的动作可以实现同步

的精确控制，以便于实现焊接条件控制，并使焊接系统小型化。另外，该机器人

把送丝机和机器人手臂一体化，送丝机能够配合焊枪进行旋转动作，这样就可以

保证送丝过程始终顺畅。

1.2 焊缝跟踪的背景

1.2.1 传感器

目前，在焊缝位置识别和焊缝跟踪中，常用的传感器有视觉传感器、电弧传

感器、接触传感器、超声波传感器、红外传感器等。电弧传感器在使用过程中不

需要其他传感器的辅助，它可以直接通过焊接电弧本身的电弧长度和电流变化情

况对焊缝进行跟踪，该类型的传感器具有很高的实时性和灵活性，广泛应用在在

低成本的自动化焊接过程中，但是要确定焊接电弧比较精确的数学模型往往很难，

尤其是在焊缝宽度较小的情况下，焊接的精度很难得到保证。接触式传感器是通

过检测传感触指与焊缝破口之间的距离来获取焊枪与焊缝之间的相对位置信息，

该类传感器通过判断与触指相接触的焊缝边缘的不同来确定焊枪移动的方向，它

的物理结构比较简单，受焊接产生的烟尘和焊液的飞溅影响很小，工作相对比较

稳定。但是由于不同的焊缝种类所需要的传感器触指类型并不相同和使用过程中

对传感触指所造成的物理磨损等问题难以克服，因此该类传感器的使用范围相对

较小。和前两种传感器相比较，超声波传感器的原理非常先进，由于超声波会在

焊接工件内部传播时焊接坡口会发生声波的反射。检测超声波反射的时间就可以

得到焊缝特征点的位置信息。虽然超声波传感器确保了实时性，但是在使用过程

中超声发射和接收器与焊接工件要相互足够接近，因此对焊接所使用的方法、焊

接工件的尺寸和金属表面状况要求高，这样就不利于超声波传感器的大范围使用。

相比与其他类型的传感器，CCD 视觉传感器能够提供丰富的焊缝信息，还有

非常高的测量精度。采用不同的焊缝图像处理方式，视觉传感器能够跟踪对不同

第一章绪论

形式的焊缝，例如搭接、角接、对接、V型等。另外，视觉传感器不仅可以用于

对焊缝的跟踪，还可以测量焊接过程中焊接的质量。通过高效的焊缝图像分析程

序和控制程序设计，可以保证视觉传感的焊缝跟踪系统的实时性。

基于视觉传感的弧焊缝跟踪系统由以下几个主要部分组成，CCD 视觉传感器、

焊缝图像处理系统、运动控制系统等。CCD 视觉传感器是一种非接触型的焊缝探

测传感器，在焊缝跟踪控制系统中起着非常重要的作用。CCD 视觉传感器可以分

为两类，一类是被动光视觉传感器，另一类是主动光视觉传感器。被动光传感器

在采集焊缝图像时，需要借助外部的辅助光源，通常采用的是普通光或者是焊接

的弧光进行照。而主动光视觉传感器往往利用线结构光等特殊类型的光源进行照

明，摄像机获得经过焊缝形状调制的特殊形式的条纹，经过图像处理即可得到焊

缝特征点在世界坐标系下的坐标值。

在实际的焊缝跟踪控制系统中，被动光视觉传感器比主动光视觉传感器应用

的更为广泛。在主动光视觉的辅助光源中，往往采用一些特殊的照明方式。采用

线结构光源进行辅助照明就是其中的一种。线结构光源具有很高的单色性和相干

性。根据线结构光源结构的不同，可分为单线结构光、多线结构光、环形结构光

等不同类型。

结构光源发出的激光条纹，投射到不同类型的焊接工件表面上时，会根据焊

接坡口形状的不同发生相应的形变。CCD 摄像机接通过收，经过焊缝形状调制过

的结构光条纹，再经过相应的焊缝图像分析处理，再结合焊缝的类型的预知信息，

就可以求得焊缝特征点的位置信息，也就是坐标值。

在焊缝跟踪控制系统中，激光光源和 CCD 摄像机集成在一起，并固定于焊接

机器人的末端。在焊接的过程中，可以通过调整机器人的末端姿态使经过焊缝调

制过的结构光条纹以合适的形式出现在 CCD 摄像机的视野中。经过焊缝图像处理，

分析和坐标系转换就可以得到结构光条纹处焊缝特征点的坐标值。这样就可以对

焊接机器人的位置，姿态，焊接速度等进行控制。为了得到最终的控制信息，结

构光视觉往往需要对机器人的视觉系统进行标定，包括机器人末端坐标系与本体

世界坐标系之间的转换关系标定、机器人的手眼关系（摄像机坐标系相对于机器

人末端坐标系之间的转换关系）标定等，而且该标定过程相当复杂，但是该方法

得到的控制信息为焊缝特征点的三维坐标，是一个精确直观的控制量，在下一步

可以方便的实现机器人的运动控制。

在基于结构光视觉的跟踪控制系统中，可以方便得到不同类型焊缝的特征信

息，和确定特征点的坐标。除此之外，结构光条纹法还有使用非常简单、测量精

度较高和实时性很好等优点，因此是最有前景的一种焊缝跟踪控制方式。

基于视觉传感的弧焊跟踪系统的研究与应用

1.2.2 跟踪方法

焊缝跟踪就是在焊接时实时监测出焊缝的偏差，调整焊接的路径和焊接的参

数，保证焊接的质量和可靠性。由于焊接过程中热形变，装夹精度和加工误差的

不同的存在，以示教-再现方式工作的弧焊机器人在焊接时，往往由于焊缝和示教

轨迹存在偏差，从而导致焊接质量的下降。因此焊缝跟踪在保证焊接质量中起着

尤为重要的作用。在弧焊跟踪控制系统中，占主导地位的传感器是电弧传感器和

视觉传感器，目前电弧传感器的使用是最为广泛的，视觉传感器是最有前景的一

种传感器。

当下，主动视觉焊缝跟踪主要研究的内容有以下方面：

1.提高激光跟踪的稳定

性，例如可以跟踪各种各样的焊接接头，和适应不同焊接尺寸的变化。2.焊缝跟踪

中的如何进行快速稳定的图像处理，图像分析，确定图像中的焊缝位置信息。3.

焊缝跟踪系统中所用传感器的设计问题。4.焊缝跟踪中焊枪的控制问题。

1.2.3 焊枪的控制

焊枪的控制指的是焊枪的方向，速度和高度的控制。目前对于焊枪的控制研

究相对来说还是比较少的。在大多数的装置中，焊枪的方向，高度，速度是保持

恒定的。一个可以实时控制焊枪速度，高度，方向的系统是对当前焊缝跟踪技术

现状的很好的改进。

1.3 本课题研究的内容和意义

本文的总体目标是为了开发一个焊缝跟踪系统，并且可以进行焊枪的控制，

在没有示教的前提下，可以一次性追踪三维的焊缝。研制系统要达到以下目标：1.

系统能够控制焊枪的所有参数，速度，方向，高度。2.系统中采用的跟踪方法应该

可以准确的跟踪到任何形状的焊缝。3.系统能够跟踪任何形状的接头 4.系统必须具

有稳定性，可以在恶劣的焊接环境下进行焊接。

这个系统的最终会用在一个实时自动焊接中心，一个焊接控制器将会和这个

系统相互连接，需要实时控制焊枪的高度，速度。因此，这将是本研究的最终目

的。

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