焊接機(jī)器人焊縫跟蹤與仿真技術(shù)

由于機(jī)器人焊接的特殊性和復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際焊接生產(chǎn)使用的機(jī)器人，總的來(lái)說(shuō)絕大多數(shù)還是“示教-再現(xiàn)”型的“盲人”機(jī)器人，這種類型的機(jī)器人對(duì)于焊接環(huán)境的一致性要求異常嚴(yán)格，其焊接路徑和相關(guān)參數(shù)都是需要預(yù)先設(shè)置的。

但是在實(shí)際的焊接中常常因?yàn)榇嬖谧冃?、變散熱、變間隙、變錯(cuò)邊、工件加工誤差和裝配誤差等因素造成焊縫位置和尺寸的變化，導(dǎo)致焊縫和示教軌跡有偏差。要讓機(jī)器人模擬熟練焊工進(jìn)行智能化焊接，就必須給“盲人”機(jī)器人安裝“眼睛”和“大腦”，其中機(jī)器人的“眼睛”就是視覺傳感系統(tǒng)，“大腦”就是機(jī)器人跟蹤控制系統(tǒng)，讓機(jī)器人能夠自主導(dǎo)引、尋找初始焊位并對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)焊縫跟蹤控制。

通過(guò)視覺傳感的方式對(duì)焊接工作空間進(jìn)行重建，識(shí)別工件位置，并將焊槍準(zhǔn)確移動(dòng)到初始焊接位置，在引弧后控制機(jī)器人保持對(duì)焊縫的跟蹤。這樣提高了機(jī)器人的自主焊接水平，解決人工示教效率低的問(wèn)題。安裝多功能智能化視覺系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人焊接的重要手段之一。

《焊接機(jī)器人跟蹤與仿真技術(shù)》有針對(duì)性地闡述了焊接機(jī)器人圖像傳感與處理、機(jī)器人焊接自主導(dǎo)引與跟蹤、焊接機(jī)器人建模與控制、焊接機(jī)器人離線仿真等關(guān)鍵技術(shù)。在介紹基礎(chǔ)性知識(shí)的同時(shí)，對(duì)專業(yè)性內(nèi)容進(jìn)行了適度的闡述解析與探討，力求為讀者展示當(dāng)前焊接機(jī)器人傳感與仿真技術(shù)，拓展讀者的思維方式。

全書共五章，第1章緒論，第2章介紹焊接機(jī)器人圖像傳感與處理，第3章介紹機(jī)器人焊接自主導(dǎo)引與跟蹤，第4章介紹焊接機(jī)器人建模與控制，第5章介紹焊接機(jī)器人離線仿真。

▼ 目 錄

前言

第1章 緒論1

1.1 機(jī)器人的定義1

1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程2

1.2.1 機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展2

1.2.2 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀4

1.3 焊接機(jī)器人的分類及發(fā)展5

1.4 焊接機(jī)器人技術(shù)6

1.5 本章小結(jié)8

第2章 焊接機(jī)器人圖像傳感與處理9

2.1 引言9

2.2 激光視覺傳感器的設(shè)計(jì)10

2.2.1 激光視覺傳感器的結(jié)構(gòu)10

2.2.2 傳感器中關(guān)鍵部件的選型10

2.3 焊接硬件系統(tǒng)14

2.4 外圍軟件系統(tǒng)15

2.5 視覺系統(tǒng)標(biāo)定16

2.5.1 相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定16

2.5.2 手-眼系統(tǒng)標(biāo)定17

2.6 電弧區(qū)域的提取及作用18

2.7 基于視覺注意模型的激光條紋的提取19

2.7.1 多區(qū)域多方向Gabor濾波20

2.7.2 非均勻性度量22

2.7.3 亮度突變性度量23

2.7.4 綜合顯著圖的生成25

2.7.5 基于聚類的干擾數(shù)據(jù)的去除26

2.8 T形接頭腹板上邊沿輪廓線的提取28

2.9 斜率突變點(diǎn)的提取29

2.9.1 焊縫輪廓預(yù)處理30

2.9.2 斜率計(jì)算與平滑31

2.9.3 斜率單調(diào)區(qū)間的獲取31

2.9.4 單調(diào)區(qū)間斜率跨度的OTSU分割32

2.10 焊縫輪廓局部極值點(diǎn)的提取33

2.11 焊縫輪廓特征點(diǎn)提取算法有效性的驗(yàn)證33

2.12 本章小結(jié)35

第3章 機(jī)器人焊接自主導(dǎo)引與跟蹤37

3.1 引言37

3.2 導(dǎo)引與跟蹤系統(tǒng)38

3.3 視覺傳感系統(tǒng)39

3.3.1 主動(dòng)視覺傳感器39

3.3.2 被動(dòng)視覺傳感器41

3.4 焊縫跟蹤軟件系統(tǒng)44

3.5 焊縫跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定46

3.6 機(jī)器人焊縫跟蹤圖像處理47

3.6.1 被動(dòng)視覺焊縫圖像處理47

3.6.2 主動(dòng)視覺焊縫圖像處理49

3.7 初始焊位導(dǎo)引53

3.7.1 三維點(diǎn)云重建過(guò)程54

3.7.2 基于KD樹的點(diǎn)云背景減除57

3.7.3 焊接工件分割與擬合59

3.7.4 焊縫與焊接起始點(diǎn)檢測(cè)60

3.8 焊縫跟蹤控制62

3.8.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)62

3.8.2 精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)63

3.8.3 焊縫跟蹤結(jié)果64

3.9 本章小結(jié)68

第4章 焊接機(jī)器人建模與控制69

4.1 引言69

4.2 機(jī)器人自動(dòng)焊接中常見建模方法69

4.3 智能化機(jī)器人焊接系統(tǒng)的混雜特性及模型預(yù)測(cè)控制研究70

4.3.1 智能化機(jī)器人焊接過(guò)程的混雜特性70

4.3.2 機(jī)器人T形接頭多層多道自主焊接的HS分析72

4.3.3 焊槍運(yùn)動(dòng)特性分析72

4.3.4 機(jī)器人多層多道自主焊接過(guò)程的自動(dòng)機(jī)描述73

4.3.5 模型預(yù)測(cè)控制與焊接77

4.3.6 MIQP問(wèn)題78

4.4 焊槍偏差實(shí)時(shí)獲取79

4.5 焊縫跟蹤控制方案80

4.5.1 焊槍糾偏控制方案80

4.5.2 多層多道自主焊接控制流程82

4.6 無(wú)弧跟蹤軌跡為參考輸入的MPC83

4.6.1 預(yù)測(cè)模型83

4.6.2 基于帶約束遺傳算法的MPC滾動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)87

4.6.3 TTWARIMPC的反饋校正90

4.6.4 MPC的離線仿真91

4.6.5 TTWARIMPC焊接試驗(yàn)92

4.7 優(yōu)化時(shí)域參考軌跡均等的MPC95

4.8 基于增量式PID的焊縫跟蹤控制97

4.9 焊接機(jī)器人信息優(yōu)化控制99

4.10 焊接柔性系統(tǒng)建模條件100

4.10.1 系統(tǒng)分析100

4.10.2 焊接柔性制造系統(tǒng)建模方法100

4.11 焊接機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)信息建模101

4.11.1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)信息流特點(diǎn)101

4.11.2 單機(jī)器人焊接制造柔性系統(tǒng)建模101

4.11.3 多機(jī)器人焊接柔性制造系統(tǒng)建模103

4.12 焊接柔性制造系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)約簡(jiǎn)104

4.13 焊接機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)PN模型仿真105

4.13.1 單次仿真105

4.13.2 多次仿真105

4.14 機(jī)器人焊接柔性制造系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)107

4.14.1 引言107

4.14.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)107

4.15 本章小結(jié)108

第5章 焊接機(jī)器人離線仿真110

5.1 引言110

5.2 離線編程仿真技術(shù)現(xiàn)狀111

5.3 基于虛擬樣機(jī)的焊接機(jī)器人仿真112

5.3.1 焊接機(jī)器人的參數(shù)建模112

5.3.2 焊接機(jī)器人模型的建立113

5.3.3 虛擬樣機(jī)仿真前處理115

5.3.4 焊接機(jī)器人軌跡規(guī)劃118

5.3.5 焊接機(jī)器人軌跡仿真122

5.3.6 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理與分析125

5.4 本章小結(jié)126

參考文獻(xiàn)128

責(zé)任編輯：lq6