管道焊接机器人激光视觉三维引导系统研究
发布时间：2021-02-04 13:35
焊接是现代机械制造业中最重要的加工方法之一,采用智能机器人实现自动化焊接已成为发展的必然趋势。目前对于管道焊接机器人焊缝跟踪的研究主要基于二维焊缝图像,不仅无法获取焊缝深度、坡口角度等重要参数,而且难以对不同直径的管道均实现高精度焊缝跟踪。本文基于结构光视觉测量原理设计了一套管道焊接机器人激光视觉三维引导系统,该系统能够准确获取焊缝三维信息并引导焊枪实时跟踪焊缝进行焊接。本文的主要研究内容有:1.设计了由激光视觉传感系统和运动控制系统组成的管道焊接机器人激光视觉三维引导系统。其中激光视觉传感系统主要用于采集、处理焊缝图像并计算焊缝三维信息;运动控制系统控制焊接爬行车爬行、焊枪摆动以及焊枪高度调节,实现对焊枪的三维运动控制。采用Modbus协议进行激光视觉传感系统与运动控制系统之间的通信,实现实时焊缝跟踪。2.针对管道焊接机器人的特点,研究了管道焊接机器人激光视觉三维测量原理,建立了焊缝三维形貌测量数学模型,并给出了该模型的相机内部参数和光平面方程参数的标定方法。3.针对受到焊接弧光、焊渣飞溅强烈干扰的焊缝图像,研究了焊缝光条图像处理算法。提出了一种方向性模板阈值分割算法,根据焊缝图像中...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轮式移动焊接机器人结构图
6第2章管道焊接机器人激光视觉三维引导系统设计本章对管道焊接机器人激光视觉三维引导系统进行设计，分为激光视觉传感系统和运动控制系统两部分。其中激光视觉传感系统使用由相机和激光器组成的激光视觉传感器测量得到焊缝的三维形貌特征，计算焊枪的偏移情况，并将偏移量发送给运动控制系统；运动控制系统主要采用PLC实现，不仅能手动设置各项运动参数，而且可与激光视觉传感系统通信获取焊枪偏移量，对焊枪进行三维运动控制实现实时焊缝跟踪。2.1系统总体设计管道焊接机器人总体系统示意图如图2-1所示，焊接爬行车靠磁性轮吸附在管道上；焊枪安装在焊枪高度调节电机上，由于焊接工艺需要，焊枪垂直于焊缝（即指向管道中心）；焊接爬行车内部有爬行电机和焊枪摆动电机，三个电机共同实现焊枪的三维运动控制；激光视觉传感器由相机和激光器组成，安装在焊枪前方，测量焊缝三维形貌，并计算焊枪纠偏量。图2-1管道焊接机器人总体系统示意图
第2章管道焊接机器人激光视觉三维引导系统设计9激光视觉传感器的体积，则会具有较大的安装难度；2.相机垂直于焊缝（即相机中心线指向管道中心），激光器倾斜，如图2-2(b)所示。这种位置关系较第一种图像质量会高很多，导前距离（焊缝上激光条的位置到焊枪当前焊接点之间的距离）也较校该方案需要注意的问题是相机距离焊枪较近，而焊枪温度极高，相机在50℃以上的高温环境可能会烧坏；3.激光器和相机均倾斜，如图2-2(c)和图2-2(d)所示。图2-2(c)这种位置关系虽然弧光影响较小，但是会导致导前距离过大，增大了实时焊缝跟踪的误差；如果将激光器和相机如图2-2(d)所示倾斜安装在较远处以减小导前距离，则不仅会使弧光干扰变严重，还会使得焊接机器人整体所占空间变大，不利于在狭隘环境下的焊接。(a)激光器垂直，相机倾斜(b)相机垂直，激光器倾斜(c)激光器倾斜，相机倾斜(d)激光器倾斜，相机倾斜图2-2激光器和相机的位置关系综合以上分析可以看出，方式2是最理想的激光器和相机位置关系，即图2-2(b)所示的相机垂直于焊缝而激光器倾斜的位置关系。由于焊枪附近温度很高，因此将焊枪高度调整机构放在焊枪和激光视觉传感器中间，将它们隔开，并且适当的增加相机到焊缝的距离，防止相机被烧坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于线结构光和单应性的点云获取方法[J]. 吴福理,吴嘉盛,丁维龙. 浙江工业大学学报. 2018(05)
[2]我国油气管道建设运行管理技术及发展展望[J]. 魏滨. 中国石油和化工标准与质量. 2018(15)
[3]基于多元频域变换与几何校正的彩色图像水印算法[J]. 吴庆涛,施进发,曹再辉. 光学技术. 2018(04)
[4]石油天然气管道运输安全问题及合理应对方式[J]. 官展葵. 化工设计通讯. 2018(06)
[5]基于区域生长法和BP神经网络的红外图像识别[J]. 陈跃伟,彭道刚,夏飞,钱玉良. 激光与红外. 2018(03)
[6]量子彩色图像的频域滤波[J]. 李盼池,孙昊. 电子与信息学报. 2018(03)
[7]基于子图融合技术的图像增强算法[J]. 赵蓝飞,王爱丽,王博,吕鑫淼. 系统工程与电子技术. 2017(12)
[8]基于斜率分析法的焊缝条纹直线特征提取分析[J]. 洪磊,杨小兰,钟冬平. 焊接学报. 2017(08)
[9]线结构光标定方法综述[J]. 张曦,张健. 激光与光电子学进展. 2018(02)
[10]基于HSV色彩模型与区域生长法的水文图像分割[J]. 冷建伟,沈芳婷. 计算机工程. 2017(07)
博士论文
[1]基于视觉传感管道焊接机器人跟踪系统研究[D]. 李慨.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]中厚板机器人多层多道自动横焊工艺研究[D]. 朱宵阳.天津大学 2017
[2]结构光三维测量中光条中心提取方法及其评价的研究[D]. 徐静珠.南京大学 2012
[3]视觉图像三维测量教学实验平台设计与开发[D]. 周迈.天津大学 2008
本文编号：3018396
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轮式移动焊接机器人结构图
6第2章管道焊接机器人激光视觉三维引导系统设计本章对管道焊接机器人激光视觉三维引导系统进行设计，分为激光视觉传感系统和运动控制系统两部分。其中激光视觉传感系统使用由相机和激光器组成的激光视觉传感器测量得到焊缝的三维形貌特征，计算焊枪的偏移情况，并将偏移量发送给运动控制系统；运动控制系统主要采用PLC实现，不仅能手动设置各项运动参数，而且可与激光视觉传感系统通信获取焊枪偏移量，对焊枪进行三维运动控制实现实时焊缝跟踪。2.1系统总体设计管道焊接机器人总体系统示意图如图2-1所示，焊接爬行车靠磁性轮吸附在管道上；焊枪安装在焊枪高度调节电机上，由于焊接工艺需要，焊枪垂直于焊缝（即指向管道中心）；焊接爬行车内部有爬行电机和焊枪摆动电机，三个电机共同实现焊枪的三维运动控制；激光视觉传感器由相机和激光器组成，安装在焊枪前方，测量焊缝三维形貌，并计算焊枪纠偏量。图2-1管道焊接机器人总体系统示意图
第2章管道焊接机器人激光视觉三维引导系统设计9激光视觉传感器的体积，则会具有较大的安装难度；2.相机垂直于焊缝（即相机中心线指向管道中心），激光器倾斜，如图2-2(b)所示。这种位置关系较第一种图像质量会高很多，导前距离（焊缝上激光条的位置到焊枪当前焊接点之间的距离）也较校该方案需要注意的问题是相机距离焊枪较近，而焊枪温度极高，相机在50℃以上的高温环境可能会烧坏；3.激光器和相机均倾斜，如图2-2(c)和图2-2(d)所示。图2-2(c)这种位置关系虽然弧光影响较小，但是会导致导前距离过大，增大了实时焊缝跟踪的误差；如果将激光器和相机如图2-2(d)所示倾斜安装在较远处以减小导前距离，则不仅会使弧光干扰变严重，还会使得焊接机器人整体所占空间变大，不利于在狭隘环境下的焊接。(a)激光器垂直，相机倾斜(b)相机垂直，激光器倾斜(c)激光器倾斜，相机倾斜(d)激光器倾斜，相机倾斜图2-2激光器和相机的位置关系综合以上分析可以看出，方式2是最理想的激光器和相机位置关系，即图2-2(b)所示的相机垂直于焊缝而激光器倾斜的位置关系。由于焊枪附近温度很高，因此将焊枪高度调整机构放在焊枪和激光视觉传感器中间，将它们隔开，并且适当的增加相机到焊缝的距离，防止相机被烧坏。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于线结构光和单应性的点云获取方法[J]. 吴福理,吴嘉盛,丁维龙. 浙江工业大学学报. 2018(05)
[2]我国油气管道建设运行管理技术及发展展望[J]. 魏滨. 中国石油和化工标准与质量. 2018(15)
[3]基于多元频域变换与几何校正的彩色图像水印算法[J]. 吴庆涛,施进发,曹再辉. 光学技术. 2018(04)
[4]石油天然气管道运输安全问题及合理应对方式[J]. 官展葵. 化工设计通讯. 2018(06)
[5]基于区域生长法和BP神经网络的红外图像识别[J]. 陈跃伟,彭道刚,夏飞,钱玉良. 激光与红外. 2018(03)
[6]量子彩色图像的频域滤波[J]. 李盼池,孙昊. 电子与信息学报. 2018(03)
[7]基于子图融合技术的图像增强算法[J]. 赵蓝飞,王爱丽,王博,吕鑫淼. 系统工程与电子技术. 2017(12)
[8]基于斜率分析法的焊缝条纹直线特征提取分析[J]. 洪磊,杨小兰,钟冬平. 焊接学报. 2017(08)
[9]线结构光标定方法综述[J]. 张曦,张健. 激光与光电子学进展. 2018(02)
[10]基于HSV色彩模型与区域生长法的水文图像分割[J]. 冷建伟,沈芳婷. 计算机工程. 2017(07)
博士论文
[1]基于视觉传感管道焊接机器人跟踪系统研究[D]. 李慨.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]中厚板机器人多层多道自动横焊工艺研究[D]. 朱宵阳.天津大学 2017
[2]结构光三维测量中光条中心提取方法及其评价的研究[D]. 徐静珠.南京大学 2012
[3]视觉图像三维测量教学实验平台设计与开发[D]. 周迈.天津大学 2008
本文编号：3018396
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