【摘 要】
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针对激光焊接机器人焊接高铁闸机时需要配合专用夹具精确定位,不适合小批量、个性化生产,以及对工件加工一致性要求高的问题,引入机器视觉传感技术,实时获取焊缝轨迹,将大大提高生产效率,拓展激光机器人焊接应用范围。本文研究了基于激光三角测量法的主动式光视觉焊缝跟踪传感器,此传感器能够对窄焊缝高铁闸机焊缝进行焊缝中心位置跟踪。本文主要研究内容如下:（1）对高铁闸机的结构特点和焊缝提取难点进行了研究分析。闸机
【基金项目】
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广东省佛山市“激光智能装备关键技术研究及产业化”（编号为2017IT100112）项目；
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针对激光焊接机器人焊接高铁闸机时需要配合专用夹具精确定位,不适合小批量、个性化生产,以及对工件加工一致性要求高的问题,引入机器视觉传感技术,实时获取焊缝轨迹,将大大提高生产效率,拓展激光机器人焊接应用范围。本文研究了基于激光三角测量法的主动式光视觉焊缝跟踪传感器,此传感器能够对窄焊缝高铁闸机焊缝进行焊缝中心位置跟踪。本文主要研究内容如下:（1）对高铁闸机的结构特点和焊缝提取难点进行了研究分析。闸机焊缝信息提取的难点在与闸机尺寸较大,为80 mm、宽25 mm、高50 mm,三个角度分别为120°、120°以及145°曲线焊缝使得闸机的二维焊缝变成了三维焊缝,加大了焊缝提取难度。将高铁闸机的焊缝类型分解为对接焊缝、角接焊缝、T型焊缝以及搭接焊缝,对它们的焊缝图像进行了分析,并得出了结论:由于焊接过程中存在着弧光干扰,所以焊接时曝光值应该下降300～500μs。（2）介绍了传感器的测量原理并确定初始光学参数。介绍了要获得清晰像的理想成像条件——Scgeimpflug条件并选择了直射式三角测量法进行系统设计。然后分析了基准物距(60、基准物距(70、激光平面与透镜主光轴夹角为等参数对传感器设计的影响。最后确定基准物距(60=140 mm、基准物距(70=46.67 mm、激光平面与透镜主光轴的夹角为=30°,感光芯片与镜头主光轴的夹角=60°,精度为0.025 mm,传感器尺寸为93.3 mm。镜头焦距为35 mm。（3）基于三角测量法对传感器的光路部分进行了仿真分析,优化光学参数。对激光器光源进行了仿真建模,最后获得了160 mm为激光器的最佳基准工作距离,并确定优化后的基准物距(60=138.56 mm、基准物距（70=46.19 mm、激光平面与透镜主光轴的夹角为=30.25°,感光芯片与镜头主光轴的夹角=60.25°,精度为0.025mm,传感器尺寸为93.3 mm。镜头焦距为35 mm。（4）深入研究并确定了传感器参数选型。根据传感器光学参数选择了工作距离为160 mm时线激光宽度为0.5 mm、长度为40 mm、波长为450 nm一字型激光器,中心为450 nm峰值透过率为80%以上的窄带滤光片,焦距为35 mm、视场角为14.6°×11.8°×8.7°的镜头,分辨率为1280×1024、靶面尺寸为6.4 mm×4.8 mm的相机。然后根据选型设计了尺寸为12 cm×12 cm×8 cm的传感器外壳。（5）实验测试传感器的性能指标。对焊缝跟踪传感器深度标定进行了研究,通过对比线性拟合和多项式拟合的误差,最后选择了基于残差补偿的分段多项式拟合标定,标定方程为1）（）=1.0195×10-9~3-5.1678×10-6~2+0.024946+160。在测量量程范围内,传感器的深度测量误差在0.1 mm以内。最后利用传感器对不同宽度的焊缝进行了宽度测量,最后结果表明传感器的宽度测量误差在0.06 mm以内。本文研究的基于scheimpflug条件和激光三角测量法的主动式光视觉焊缝跟踪传感器可以对焊缝距离坐标与焊缝宽度进行误差不超过0.1 mm和0.06 mm的检测,能够满足实际生产需要。本课题所研究的传感器提高了高铁闸机焊接焊接效率,对推动交通领域内焊接过程自动化以及焊缝质量统一化有着重要意义。
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