三维焊缝激光智能跟踪系统的研制

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随着焊接自动化的不断发展,在大型焊接现场,各种类型的高精度、高效率的视觉传感系统应用日趋成熟。在小型焊接现场,焊缝自动识别和跟踪需求也与日俱增,但由于成熟的跟踪系统价格昂贵、对控制系统要求较高,直接利用这些系统具有很大局限性。研制具有快速稳定、简单高效和价格低廉的焊缝自动识别和跟踪系统,并能与小型焊接工作平台整合具有十分重要的意义。本文在研究了现有激光线识别焊缝特点的基础上,分析了常用的借助一字、多线和十字激光线等进行焊缝识别的系统应用,确定了采用单一的十字激光作为辅助标示,构建三维焊缝跟踪系统的思路。为了得到焊缝特征点的坐标,研究了十字激光线的视觉模型和手眼模型,利用物理学中的小孔成像原理,对相机和图像上的参数进行标定,获得相机上的参数矩阵,通过矩阵转化来确定相机坐标系和空间坐标系之间的关系,来获得相机和三维运动平台上的焊件之间的位置关系,进而形成了一个基于十字激光的焊缝识别模型。在平台构建上,选取了适应性强、易于开发的,且具备电机控制输出的一体化开发平台,该平台采用K210微处理器,并提出了一种简便快速的2D和3D焊缝跟踪图像处理算法,该算法通过平均法和斜率分析法来构建2D焊缝识别模型,获得2D图像上焊枪的大致水平偏移量,通过三角测量法和十字激光线的各个分量上长度和每帧图像上的像素的对应关系,构建3D焊缝识别模型,获得3D图像上焊枪的大致的高度偏移量。利用灰度预测模型来减小焊缝的长度和高度上的识别误差。利用Open CV开源视觉库,在Maix Py IDE编制了本文提出的焊缝跟踪图像处理算法,设计了十字激光传感器的结构,通过理论计算和试验测定确定了十字激光线和摄像头视觉中心线的最佳交叉角为27°,摄像机距离高度最佳距离100mm。在此基础上,完成电路系统设计和机械结构设计,利用3D打印技术制造十字激光传感器的模型,设计了一套完整焊缝跟踪系统工作台。基于此工作台,分别在未焊接状态下和焊接状态下,对带有坡度的直线焊缝和不规则的S形焊缝进行试验,构建焊缝跟踪识别模型,进行焊缝横向识别实验、焊缝高度识别实验和焊缝走向实验。实验结果表明焊缝跟踪识别长度误差在0.3mm以内和高度误差在0.5mm左右。焊态下实际的焊件经过无损检测,焊缝的表面和内部质量符合工业标准要求,算法的稳定性和精度满足焊缝跟踪要求。
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