智能焊接机器人的视觉系统构成

前言：

---

局部环境自主智能焊接机器人系统要在一定范围和技术程度上完成焊工焊接任务的功能

• 首先需要具备相应的硬件载体和焊接设备，如机器人本体，焊接电源，保护气体等
• 从功能模拟的分类需要有焊接环境的识别，使焊枪接近焊接位置，焊缝对中与跟踪调整，焊接过程当中的工艺参数，移动速度以及焊枪姿态的调整。
  可以将总体系统分为以下几个子系统

基于视觉传感的初始焊位识别与引导子系统

---

对焊接机器人进行视觉传感的初始焊位识别及导引研究，是实现智能化焊接机器人的关键技术之一。
在这个子系统中，操作人员只需要对焊接机器人进行简单的粗略示教甚至不需要示教，而由焊接机器人根据传感器信息自动完成寻找初始焊接位置，并自动导引焊枪端点运动到初始焊接位置，开始焊接工作，从而使焊接机器人具有更大的自主能力和智能化水平。

• 任务
  通过视觉传感器，在工作空间内拍摄焊件的图像，通过图像处理和立体匹配，提取焊缝的初始点在三维空间内的坐标，把这个结果传送给中央控制计算机（IWR）由IWR服务器控制机器人的焊枪运动到初始焊位准备焊接。

基于视觉传感的焊缝跟踪子系统

---

由于加工和装配上的误差以及焊接过程中的热和残余应力而产生的形变等会造成接头位置和尺寸的变化，因此焊接条件的变化要求焊接机器人能够实时检测出这种变化以调整焊接路径，保证焊接质量的可靠性。

• 任务：
  在机器人导引到初始焊缝位置以后，通过视觉传感，在工作空间内实时拍摄焊缝的图像，通过图像处理，提取焊缝的中心点与焊枪尖端点在焊件平面内垂直投影点之间的距离和焊缝在图像上的走向，把这个结果传送给IWR服务器。由IWR根据标定结果，把这些变量以及机器人当前的姿态转化为机器人实际可控的变量。控制机器人的焊枪始终在焊缝正上方保持相同的高度并沿着焊缝前进。
• 细节
  CCD1获取待焊工件焊缝位置，形状与方向的图像信息，然后经过特定设计的图像处理的算法提取焊缝形状与方向特征，并根据焊缝位置确定焊枪的下一步接近或纠偏运动方向和位移量，再行启动焊缝跟踪计算程序，通过中央控制机和机器人控制驱动机器人本体移动焊枪端点跟踪焊缝走向和位置纠偏。

有两种可行性方案：

• 未起弧焊接前焊缝跟踪，相当于自主寻迹示教，识别的焊缝和焊枪移动的过程可以记忆用于再次实施焊接时机器人可复现的运动。
• 不进行焊缝跟踪示教，直接利用电弧照亮成像提取焊缝的形状，间隙大小和走向特征，并根据焊缝特征和走向确定下一步接近或纠偏运动方向和位移量。

基于视觉传感的焊缝熔透实时控制子系统

---

弧焊过程的熔透信息传感，焊接动态过程模型的建立和反馈实时控制是保证焊接质量的关键技术。同时也是高质量，高精度机器人焊接自动化的重要基础之一。由于焊接过程是一个多参数相互耦合的时变非线性系统，焊缝成形质量受各种因素的影响，这使得在焊缝成形控制中，经典和现代控制理论方法都不同程度的存在适应性差等缺点。

• 子系统构成
  CCD2摄像机焊接熔池正面视觉信息传感器，图像采集接口卡，焊接数据采集接口板，计算机控制系统
• 目标
  熔池熔宽及成形为控制目标
• 方案
  摄像机CCD2安装于机器人焊枪行走方向的后部，用于在焊接弧光照射下获取机器人运动后方向的半部熔池变化图像。经过算法提取熔池形状特征如：宽度，半长，面积，形状特征信息等。在根据这些信息，通过中央控制机结合相应的工艺参数和预先建立的焊接熔池动态过程模型预测熔深，熔透，熔宽和余高等焊接质量参数。调用合适的控制策略给出适当的焊接参数调整以及机器人的运动速度，姿态，送丝机速度的调节变化，通过焊接电源和机器人本体等机构执行，实现对焊接熔池动态特征的实时监测，熔透与焊缝成形质量的智能控制。