基于机器人焊接的视觉传感系统研究综述

综述了焊接机器人传感系统的研究现状，比较了目前常用的焊接机器人传感技术，重点分析了被动视觉技术和基于激光三角测量原理的主动视觉技术在焊接中的应用，并给出了国内外的开发实例。     

药芯焊丝水下焊接焊缝跟踪视觉传感系统的设计

为满足药芯焊丝水下焊接自动化的需要,研究了用于水下焊缝自动跟踪的视觉传感系统。该系统较好地解决了药芯焊丝水下焊接弧光对焊缝图像传感的干扰问题,能获取较清晰的焊缝图像。采用基于图像分割的边缘检测技术成功地提取了焊接电弧和待焊焊缝的边缘,使用该系统可获得电弧和待焊焊缝的偏差信息,为进上步实现药芯焊丝水下焊接焊缝的自动跟踪控制打下了基础。     

水下焊接机器人视觉传感器设计

为满足水下焊接的要求,提出了一种用于水下焊接机器人视觉传感器的设计方案.首先介绍了水下焊接机器人视觉传感系统的组成.并对传感器内部CCD和激光器的空间布局结构进行了设计,最后对视觉传感系统与焊接装置的总体进行了设计,并着重介绍了传感器的密封设计.给出了设计后传感器实物照片.     

药芯焊丝水下焊接视觉传感焊缝自动跟踪系统

根据水下焊接的特殊情况,研究设计了一套药芯焊丝水下焊接视觉传感焊缝自动跟踪系统。该系统硬件结构简单,成本低廉,软件功能丰富,人机界面友好,操作简单易学,为进一步进行水下药芯焊丝焊接焊缝自动跟踪的研究打下了基础。     

焊接机器人视觉系统

通过对电弧和熔池表面的谱线分析和对比,提出可能的近弧区图像观察窗口。确定了Ar弧焊及CO_2气体保护焊在低碳钢母材上的相应观察窗口,由此开发出焊接机器人视觉系统,并在汽车后桥上得到应用。     

基于视觉传感的机器人水下焊缝跟踪

根据视觉条件下水下自动化焊接的特殊要求,设计了一套机器人水下视觉焊缝跟踪系统.针对水下焊缝图像干扰严重、模糊等特点,采用小波变换技术去除了弧光、飞溅等干扰噪声,采用改进的模糊增强图像处理方法,提高了图像处理的效率,获取了清晰的边缘图像.边缘检测后,对焊缝左右特征点进行扫描,准确地提取了焊缝中心.为了减小跟踪误差,将焊缝轨迹中的每个小线段的坐标偏移量分成50等份,同时设计了有效地机器人轨迹跟踪控制程序.水下斜线和曲线焊缝的跟踪试验表明,在正常的条件下,可以满足跟踪要求.     

水下机器人激光视觉传感焊缝跟踪

为实现水下焊接的智能化,在设计好的水下机器人平台上,开发了一套焊缝自动跟踪算法。采用2自由度PID控制算法控制横向滑块实时精确跟踪焊缝,爬行小车依据滑块的位置与速度信号粗略跟踪焊缝轨迹的模糊控制方法实现大范围的焊缝自动跟踪。焊接试验表明,该算法具有较好的稳定性、可靠性,跟踪精度高,可达到±0.3 mm,在水下环境中移动机器人自动焊接具有良好的应用前景。     

视觉传感技术在机器人智能化焊接中的研究现状

随着我国《中国制造2025》战略实施,焊接制造领域经过"两化"融合的推动,正朝数字化、信息化、智能化制造转型,进而使焊接制造过程的信息需求量显著增加。围绕上海交通大学智能化焊接与材料精密制造研究所近年来在智能化焊接领域所取得的成果和关键技术应用等展开讨论,内容涉及基于视觉传感的焊接路径自主导引与规划、焊接动态过程液态熔池的智能表征和基于视觉传感的焊接全场高温应变的在线测量及多尺度计算。上述研究成果的工程应用,一定程度上丰富和发展了焊接智能化技术领域的内涵。期望展示的焊接视觉智能化传感研究成果为焊接智能制造的发展抛砖引玉。     

大型构件水下焊接机器人系统

针对水下焊接环境要求,设计了一种履带式水下焊接机器人系统,该系统由机器人本体机构、激光视觉传感器、控制系统和焊接系统组成. 机器人本体机构由履带式移动平台和焊枪调节机构构成,运动灵活可靠,满足水下焊接焊缝跟踪要求. 完成了视觉传感器部件选型及光路设计,实现水下环境的焊缝自动识别. 设计了基于PLC机器人控制系统和协调控制方法,实现水下环境的焊缝跟踪控制. 同时在水下焊接试验平台完成焊接跟踪试验. 结果表明,机器人运行稳定,焊缝成形较好,焊接质量满足要求.     

机器人焊缝跟踪水下双目视觉图像采集系统

分析了水下焊接的影响因素,采用大红和紫红复合滤光片进行滤光.根据机器人的结构,采用可调焦微型摄像机,满足跟踪精度的要求.设计了内外压环和密封圈的防水结构,使摄像机及光源的防水性能达到70～80 m.采用相交光轴双目摄像头的布局形式,设计了一块带弧形槽的装配板来装配摄像头与灯源,使其既适应于水下焊接,又易于匹配.对直线对接焊缝和坡口焊缝进行采集试验,所采集焊缝清晰可见、干扰较少,完全可以用于水下焊缝跟踪.     

湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展

海洋作为能源、食品和原材料的重要来源地,越来越受到世界各国研究人员的重视.大量海洋工程的出现,对水下焊接技术提出了更高的要求.着眼于水下焊接中的湿法焊接技术,介绍了国内外的最新发展,概括了当前研究的两个重要领域,即水下焊接专用焊务的研制和湿法焊接用传感器;指出水下焊接机器人是实现人类从浅水走向深水的必然选择,从水下焊接机器人的机构设计和密封设计、远距离通信及遥控焊接等方面介绍了当前水下焊接机器人的技术进展.     

基于激光视觉系统的水下焊接焊缝识别

设计了一套基于激光器的视觉系统,该系统利用激光器作为辅助光源,同时利用复合滤光片进行滤光,由CCD采集图像.设计了一种基于最大灰度平均值及其改变量的二维输入、一维输出模糊处理器,能自动获取每个3×3列区域的局部阈值,二值化后单独求取焊缝图像中每个光斑的平均高度,提出基于贝叶斯最小概率模式识别对V形焊缝的左右边进行分类,通过准确分类获得V形焊缝左右边的平均高度,以此高度为基准,结合焊缝深度的特征可以在空域上最大限度去除强光斑形成的干扰数据;最后用分类获得的数据对焊缝的左右边采用最小二乘法进行拟合,可以准确获取焊缝中心位置的坐标.     

机器人水下焊缝跟踪中双目立体视觉系统

根据机器人水下焊缝跟踪的要求,设计了一套双目立体视觉传感器.采用卤钨灯辅助光源加复合滤光系统,较好地去除了噪声,拍摄到较为清晰的焊缝图像.针对水下焊缝图像模糊、对比度低的特点,采用模糊增强图像处理技术,对Pal处理算法进行了改进,改进算法中采用OTSU法选择最佳阚值,提出了新的隶属度函数.试验表明,该算法提高了图像处理的效率,提取的边缘比较精细,为空间焊缝跟踪中焊缝识别及立体匹配奠定了基础.     

基于OpenCV的移动焊接机器人视觉系统自主标定方法

标定工作是实现机器人视觉计算的前提.根据移动焊接机器人工作场合的特殊性,基于OpenCV,提出一套针对手眼双目视觉系统的自主标定方法.自动提取角点,自主筛选有效标定图像序列,由亚像素角点提取结果求取相机内参数,由同时刻获取的标定图像对估算双目间几何矩阵,由标定板面在摄像机坐标系下位姿矩阵改变量间接求取摄像机运动矩阵,用最小二乘法快速计算出手眼关系.标定试验结果表明,相对于传统的Matlab标定工具箱,该方法能够满足用于机器人焊接的视觉系统所需标定精度,同时因无人为参与可很大程度地提高移动焊接机器人的自主性.     

Real-time seam tracking control technology during welding robot GTAW process based on passive vision sensor

This paper presents a technology about real-time seam tracking, which is necessary to overcome the deficiencies of the teaching-playback welding robots in seam tracking control during gas tungsten arc welding (GTAW) process. A set of vision sensor system has been designed for the welding robot, which can acquire clear and steady welding images. By analyzing the features of welding images, a new improved Canny algorithm has been proposed to detect the edges of seam and pool, and extract the characteristic parameters of welding images. Based on the analysis of the characteristic of the real-time seam tracking, a segmented self-adaptive PID controller is introduced to the system, and some experiments have been done to testify whether the accuracy of the technology can meet the requirements of quality control of seam forming.     

遥操作干式高压海底管道维修焊接机器人系统

干式高压焊接是既能保证焊接质量又易于实施的海底管道维修方法.基于目前的自动化技术水平和海管坡口制备难度大的现实,提出了基于高级焊工焊接知识和潜水员水下工作技能的遥控海底管道维修焊接策略.研制了一套干式高压环境管道全位置焊接机器人及其分置于水面母船甲板和水下干式舱的机器人焊接控制系统,研制了分别用于场景、坡口和焊缝的视觉监视系统,以及计算机远程信息采集监控系统,它们与水下干式舱系统一道构成了水下干式管道维修系统.还研究了干式舱充气气体种类、焊接电源特殊性和舱内引弧问题.利用先期在干式高压焊接实验室获得的海管焊接工艺完成了海上焊接维修试验,焊缝质量良好.

Abstract：

Among the available underwater pipeline repair methods, hyperbaric TIG welding technology may be the easier one to obtain better joint quality. Due to the low automation level and the bevel preparation difficulty, the repair welding should be conducted based on both the welding knowledge of the welder on deck and the operation skill of the diver. A tele-operated robot for all position hypetharic pipe welding was developed. In the specified case of underwater welding, the process was controlled by a surface based operator, a clear and real time image of the arc as well as the image of groove location were required. An observation system of three cameras for chamber, groove and weld was also developed respectively. All the necessary message of vision, welding current and arc voltage were collected and transferred to the surface by the developed computerized information system. The underwater pipeline maintanence system consists of the welding robot, observation system, the informarion system, together with the habitation. The chamber gas type, the welding power source and arc striking were also studied. With the welding proceedure developed in the hyperbaric welding laboratory, a good weld was obtained in a underwater pipe repair welding test at Bohai sea.     

A vision tracking system of robot CO_2 short transfer welding

ＡｖｉｓｉｏｎｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｒｏｂｏｔＣＯ_２ｓｈｏｒｔｔｒａｎｓｆｅｒｗｅｌｄｉｎｇＷｕＲｅｎｙｕ；ＷａｎｇＧｕｏｄｏｎｇａｎｄＬｉＸｉａｏｑｉ（ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＺｈａｎｇＬｉａｎｃｈａｎｇ（ＭｏｔｏｒｏｌａＣ?..     

弧焊机器人焊缝图像处理及识别方法的研究

针对电荷耦合器(CCD)所获取焊缝图像的特点,研究了相应的图像处理方法,有效地消除了焊接过程中的飞溅和弧光对焊缝图像的干扰.通过识别激光带在焊接坡口处的变形,准确识别出图像中焊缝中心位置并计算出焊枪的偏差.采用多线程技术编写了应用程序,充分利用计算机系统资源,大大提高了图像采集、处理和存储的速度.识别算法对每幅图像的平均运算时间为16 ms,识别精度达到±0.2ms.试验证明:图像处理的过程和焊缝中心识别的方法是有效的,该系统满足焊缝跟踪控制的实时性要求.