激光视觉传感器的机器人焊缝高精度跟踪系统

以提升焊接机器人焊接精度为目的，设计激光视觉传感器的机器人焊缝高精度跟踪系统。由工业相机和激光传感器、焊接机器人等组成系统硬件架构，获取焊缝激光光源后，将其传输至激光图像传感层。采用激光图像传感器对焊缝激光光源图像进行物理滤波处理，使用工业相机拍摄焊缝激光图像。提取焊缝激光图像特征，依据其特征点位置对焊接机器人进行手眼标定，获取焊接机器人校正向量并将该向量输入到机器人运动控制层内的焊缝跟踪程序内，利用该程序不断修正焊接机器人跟踪行为并向接口电路电机驱动器发送控制跟踪命令，实现机器人焊缝高精度跟踪。实验结果表明：该系统具备良好的启动性能，对焊机机器人手眼标定径向畸变、切向畸变数值均较小，跟踪不同类型焊缝的最低偏差数值仅为0.01 mm,跟踪精度高。     

核相关/卡尔曼滤波焊缝路径识别新方法研究

针对线激光视觉传感的焊缝跟踪系统在焊接过程中易受弧光、飞溅等噪声干扰而出现焊缝位置识别精度不高的问题,本研究团队提出了一种基于核相关/卡尔曼滤波算法的焊缝路径识别方法。利用图像处理方法提取焊缝中心区域,在焊接过程中利用核相关滤波(KCF)算法实时定位焊缝中心,根据响应图峰值旁瓣比(PSR)对焊缝目标模板进行自适应更新,以提高模板的抗干扰能力。采用状态扩增法建立带有色观测噪声的焊缝中心位置的卡尔曼滤波模型,对焊缝中心进行最优估计,进一步提高系统在强噪声环境下的焊缝路径识别精度。分别进行对接焊缝和搭接焊缝路径识别试验,试验结果表明:所提算法能在有强烈弧光和飞溅的工况下实现焊缝路径的准确识别,识别误差能分别控制在0.137 mm和0.105 mm以内。     

基于激光视觉传感器的机器人实时焊缝跟踪方法

为实现变姿态焊接过程的实时焊缝跟踪,提出基于机器人坐标系下绝对焊缝轨迹的实时跟踪算法.将线式激光传感器安装在机器人的法兰盘上,且位于焊枪运行的前方.焊接过程中,激光传感器连续采集焊缝位置信息,并结合手眼标定矩阵以及机器人实时姿态,将传感器采集的焊缝坐标转换到机器人基础坐标系下,从而形成空间绝对焊缝轨迹;再根据焊枪的当前...     

双光束激光双路焊接的跟踪控制技术研究

为了实现对T型接头的双光束激光焊接,采用基于多轴联动数控机床的双光束激光焊接平台和基于视觉传感器的焊缝跟踪控制相结合的方法,进行了理论分析和实验研究.通过建立平台的运动学模型实现了焊缝的轨迹规划,设计了基于比例、积分、微分控制的位置环和高速焊接过程中的跟踪算法来提高控制系统的控制精度等,并且通过焊接试验,验证了所提出的算法.结果表明,该焊接跟踪控制系统能够快速、准确地对焊接过程中的偏差进行动态补偿,很好地完成了对T型接头的双光束焊接.     

基于灰度拉伸和遗传算法的焊缝图像二值化算法

焊缝图像处理是焊缝自动跟踪的一个较为重要的环节,而图像二值化在其中起着关键性的作用.传统的Otsu阈值化算法对信噪比较低的图像分割效果不理想,本文通过灰度拉伸增大背景与前景之间的灰度值分布,结合遗传算法,通过编码、选择、交叉、变异等操作对传统的类间方差法进行优化,并将该方法应用于焊缝图像.实际焊缝图像试验证明了该方法的有效性,可以更加准确地提取出适合焊缝图像的二值化阈值,更利于后续的图像处理操作.     

冷轧带钢激光拼焊的焊缝在线检测研究

焊缝质量在线检测是冷轧带钢激光拼焊过程中的重要关键技术之一。为了解决武钢TRUMPF12000 轴快流激光拼焊设备在焊接过程中出现的错边、拼缝、焊缝形态等问题,采用3个传感器分别采集焊前间隙图像信息、焊接过程图像信息以及焊后焊缝图像信息,利用OTSU 自动计算图像阈值、运用投影矩阵的方法将图像坐标转换到工件坐标,编写程序提取图像特征点的方式建立焊缝质量在线检测系统,并以5m/min焊接速率对3mm厚冷轧板进行焊接实验,测量焊接试样焊缝宽度相对误差在4.42%左右。结果表明,焊缝质量检测系统可以计算出较为准确的焊缝宽度、焊缝错边量等信息。     

激光视觉传感在焊接机器人焊缝识别中的应用

为实现复杂工况下焊接机器人精准识别焊缝目标，将激光视觉传感技术应用于机器人焊缝识别中。以激光视觉传感器作为核心硬件，构建焊接图像采集系统，运用PCI总线卡检测传感器及外部指示灯是否为连接状态，通过PXR800图像采集卡在规定时间内得到激光焊接图像，使用串口通信程序完成图像高效传输。分别采用双边滤波器与模糊算子实施图像去噪与增强处理，优化图像角点与激光条纹中心点，利用等式约束方程修正卡尔曼滤波后的图像坐标值，完成高精度焊缝识别任务。仿真结果证明，激光视觉传感能够帮助机器人提升焊缝识别精度、增强抗干扰能力，为焊接机器人的推广应用发挥积极作用。     

对接间隙对激光填丝焊接头成形与性能影响

为阐明异种钢激光填丝焊接工艺参数对焊缝成形的影响，以不等厚板2 mm 45钢和6 mm 316L不锈钢为试验材料，采用激光填丝焊接方法进行焊接，研究不同对接间隙下的焊缝成形以及焊接接头的力学性能。结果表明，随着对接间隙的增加，余高逐渐减小，焊缝形貌从钉子形向H形过渡，随着对接间隙变大，焊缝形成缺陷。焊缝中心硬度随着对接间隙的增加而减小，焊接接头硬度最高处位于45钢热影响区。焊接接头的抗拉强度随着对接间隙的增加先增大后减小。在对接间隙为0.6 mm时，表面形貌良好且抗拉强度最高，焊接试验断裂位置在2 mm 45钢一侧。     

基于机器视觉的激光焊接焊缝智能检测研究

为了优化激光焊接质量,设计了基于机器视觉的激光焊接焊缝智能检测方法。首先利用机器视觉技术设计扫描成像单元,在获得基础的激光焊接焊缝图像后,对图像实施离焦误差校正处理。然后在补偿图像缺陷的基础上,对激光焊接焊缝图像作放大处理,设计扩束准直光路与动态聚焦光路识别焊缝特征信息,从而完成对焊缝的智能检测。实验结果表明：该方法可以能够获得更有效的焊缝信息,有利于提高激光焊接质量。     

一种不规则焊缝自适应焊接机器人系统研究

提出了一种基于摆动电弧传感器焊接系统的焊缝宽度自适应焊缝跟踪算法。焊接摆动控制器由步进电机驱动滚珠丝杠机构,实现焊枪的摆动。机器人主控制器基于ARM处理器开发,实现机器人的运动轨迹控制、运算求解、示教、再现。通过分析摆动电弧的信号和焊枪前一周期摆动数据,建立复函数自适应算法控制模型,计算出焊缝变化后的摆动参数反馈控制系统,完成焊缝宽度自适应跟踪焊接,并以x,y,z三轴直角坐标焊接机器人为运动平台进行模拟试验来验证算法的合理性。试验结果证明,焊接速度4mm/s、焊接频率0.5 Hz条件下,该算法能良好的适应焊接过程中焊缝宽度的变化,性能稳定,焊枪运动轨迹良好。     

基于轻量化DeepLab v3+网络的焊缝结构光图像分割

基于激光结构光视觉传感的焊缝跟踪技术将焊缝定位转化为结构光条纹特征点的定位，具有较强的普适性。然而，实时焊缝跟踪中弧光（焊接电弧产生的强烈可见光）、飞溅（溅射焊渣）、烟尘等噪声对结构光图像造成了严重的污染，从而影响了焊缝定位的精度和鲁棒性。滤除结构光图像中的噪声对于提升焊缝定位的精度和鲁棒性具有重要作用。为滤除焊缝结构光图像中的噪声，本文提出了一种基于轻量化DeepLab v3+语义分割网络的焊缝结构光图像分割方法，通过分割出结构光条纹的前景图像来达到噪声滤除的目的。采用浅层Resnet-18网络替代DeepLab v3+的原始深层骨干网络，以提高分割效率；以像素占比的补数为权重设计了加权交叉熵损失函数，以提高结构光条纹分割的像素准确率。实验结果表明：所提方法的平均单张图像推理时间为15.9 ms，结构光条纹的像素准确率为96.47%，结构光条纹的平均交并比为89.04%，可以实现高效、精确、鲁棒的结构光图像分割，从而达到焊缝结构光图像中弧光、飞溅、烟尘等噪声滤除的目的。     

管道焊接激光视觉跟踪的定位方法研究

为解决在管道自动焊接过程中V型坡口的识别定位问题,提出了一种基于激光视觉传感的局部区域内分步式定位方法。首先建立模板匹配,利用模板匹配方式获取焊缝初始位置区域;然后采用阈值分割和边缘提取获得激光条纹边缘线,通过Shi-Tomasi算法对边缘线进行角点检测,得到边缘线上的亚像素角点位置坐标;最后采用最小二乘法拟合得到精确的边缘直线,对上下边界线求平均值提取激光条纹的中心线,求取直线的交点得到坡口轮廓的拐点信息。通过对实际焊接现场拍摄的50幅同一高度不同位置的图像进行检测,结果表明,分步式定位方法抗干扰性强,精度较高,为完成整个跟踪自动焊接过程奠定了基础。     

热丝填充激光焊接光斑直径与对接间隙裕度研究

装配间隙是影响国际热核聚变实验反应堆(ITER)校正场线圈盒激光封焊质量的重要因素之一。采用热丝填充激光焊接,在离焦量分别为+5、+10、+16mm的情况下对5mm厚核聚变用钢316LN在不同对接间隙条件下进行光斑直径与对接间隙裕度的研究。焊后进行了焊缝表面、截面形貌的分析,同时进行了金相组织、接头拉伸强度、显微硬度测试及断面电镜与成分分析。结果表明,在热丝填充激光焊接中,光斑直径大小不仅可以与对接间隙量相当,还可以在小于对接间隙量0.1~0.2mm的情况下,得到表面成形较好且抗拉强度值较高的焊缝,当光斑直径小于对接间隙量达到0.3mm时,焊缝表面成形变差且抗拉强度值下降。     

基于3D激光扫描传感器的焊缝区域跟踪方法设计

一般二维数据传感器在智能焊接领域应用中,跟踪焊缝区域时,焊接枪抖振会导致跟踪误差大的问题,提出基于3D激光扫描传感器的激光焊缝自动跟踪方法,应用3D激光扫描传感器获取到完整的激光焊缝3D位置数据。对采集到的焊缝位置信息展开全局最优解处理,提取激光焊缝的相关特征。对激光焊缝跟踪相关的距离特征进行分类处理:设计模糊跟踪算法,利用基本论域方法建立目标边缘特征模型,调整激光焊缝隶属度参数,实现目标融合特征分类。在激光焊缝特征分类的基础上,利用变论域理论提高焊接跟踪控制准确率和焊缝成形检测效率,完成焊缝区域的控制跟踪,实现无人化焊接。实验结果表明:这种方法在减小跟踪误差中有明显的效果。     

主动热防护结构光纤激光焊接侧吹保护试验研究

主动热防护构件作为航空航天领域的重要结构，光纤激光焊接是该类结构的优选制造工艺。苛刻的服役环境对焊缝成形、表面保护及气孔缺陷提出了很高的综合要求。基于侧吹保护的光纤激光非穿透深熔焊接工艺试验，采用超景深显微镜、数字RT检测及灰度处理等设备及方法，系统分析光气间距、气体输送角度、保护气输出长度及气体流量等参数对焊缝成形、焊缝保护效果及气孔的影响规律。结果表明，保护气流量及光气间距对焊缝形貌及气孔率影响较大，正值光气间距参数下焊缝气孔率较低，气孔率同保护气流量正相关。基于优化的气体保护参数，优化了喷嘴结构，实现了主动热防护凹槽三维构件的激光焊接制造，并通过台架测试。     

基于卡尔曼滤波器的焊缝识别算法

为了提高工业现场焊缝跟踪的准确性和抗干扰能力,提出了一种基于约束卡尔曼滤波器的焊缝识别算法。采用结构光测量系统获取焊缝连续图像,然后利用形态学处理定位焊缝图像角点,并通过高斯拟合法提取激光条纹中心点,将角点和中心点的位置和速度作为卡尔曼滤波器的状态变量,建立卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程,再由角点和中心点的位置关系构建等式约束方程,通过约束方程对卡尔曼滤波后的结果进行修正。结果表明该算法能有效实现焊缝跟踪,提高了焊缝识别的精度和抗干扰能力。     

基于回归分析的钛合金T型接头激光焊接焊缝成形尺寸预测

利用光纤激光对TA15钛合金蒙皮网格结构进行焊接,采用同轴高速摄像监测方案对不同焊接参数下的熔池形貌进行图像采集与特征提取。结果表明,采取基于亮度特征的熔池边缘分段提取方法可以解决熔池图像前后亮度不均匀问题,提取准确的熔池边缘信息。熔池宽度和后拖角度与对T型接头焊缝结合面宽度具有强相关性,熔池长度、宽度、后拖角度与T型接头焊缝熔深具有强相关性。同时,建立了焊接工艺参数与焊缝成形的回归分析模型,并对焊缝成形尺寸进行预测,焊缝结合面宽度和熔深的平均预测误差分别为0.14 mm和0.10 mm。     

基于改进TLD算法的激光视觉传感型焊缝跟踪

为了解决基于线激光视觉传感的焊缝中心位置定位精度不高的问题,采用了一种基于改进跟踪-学习-检测(TLD)算法的焊缝跟踪方法.由激光视觉传感器实时获取焊缝图像,采用将跟踪器与检测器结合的TLD算法实时跟踪焊缝特征点,同时通过在线学习机制更新分类器参量.在此基础上对激光条纹图像截取感兴趣区域,大幅减少检测器的搜索区域;根据...     

激光焊接工艺参数对NiTi形状记忆合金焊缝成形的影响

采用Nd∶YAG连续激光器对2mm厚NiTi形状记忆合金(SMA)进行激光焊接。研究了激光焊接过程中激光功率、焊接速度、离焦量、侧吹保护气流量等主要工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明,激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数的合理匹配是实现NiTi合金良好焊缝成形的关键因素。线能量为59～75.6J/mm时能获得最佳焊缝成形;离焦量在-2～3mm时均能使厚度2mmNiTi合金试件焊透,其中离焦量在0～1mm可以得到最佳焊缝成形;当侧吹气流量为15～20L/min时,气体保护效果和焊缝成形最好。通过大量工艺实验得到2mm厚NiTi合金焊接速度与激光功率的不同匹配对焊缝成形影响的曲线,为NiTi合金焊接加工及工程应用提供参考。     

AZ31B镁合金可调环形光斑光纤激光焊接试验研究

针对镁合金激光焊接焊缝成形和接头性能差的问题,提出了可调环形光斑光纤激光焊接新工艺。对5 mm厚的AZ31B镁合金对接接头进行了焊接试验,研究了中心激光束和环形激光束功率组合对焊缝宏观成形、显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,当中心激光束功率大于环形激光束功率时,施加环形激光束可以显著增大焊缝上部的熔宽;当中心激光束功率小于环形激光束功率时,焊缝上表面和下表面成形均不稳定。在中心激光束作用区域,焊缝熔合线附近未见明显的热影响区和柱状晶区,且等轴晶晶粒较细。在环形激光束作用区域,焊缝熔合线附近存在热影响区和柱状晶区,且等轴晶晶粒粗大。随着环形激光束功率的增大,焊缝中心区的硬度值减小。当中心激光束的功率为2000 W、环形激光束的功率为1000 W时,接头抗拉强度和延伸率最高,接头断裂于焊缝熔合线附近,呈韧-脆混合断裂模式。