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焊接机器人焊缝信息视觉检测系统研究

作　者: 王璇
导　师: 李慨
学　校: 河北工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 焊接机器人视觉传感器视觉系统标定图像处理导前误差
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

焊接技术的自动化、柔性化和智能化是提高焊接质量、提高生产效率、降低制造成本的保证。采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。由于视觉传感器为非接触测量，可获得的信息量大，具有强灵敏度、高精度和强抗干扰能力等优点，已成为焊接机器人的必然发展趋势。要实现焊缝自动跟踪控制，焊缝信息视觉检测技术是其中的核心技术。目前焊缝视觉跟踪仍存在实时性不强、智能性不高、存在导前误差等应用性难题。因此开发一种智能化高、抗干扰能力强、处理速度快、能够减小导前误差的焊缝信息视觉检测系统是十分必要的。本文主要完成以下几方面内容：针对视觉传感系统的各种干扰因素对图像的影响及视觉传感器体积较大的问题，研制结构光视觉传感器，对视觉传感器硬件进行选型，对光路和结构进行设计，减小视觉传感器体积，并且滤除因工件反光产生的干扰，提高其抗干扰能力。针对焊缝跟踪系统输入量为实际值这一特点，对该视觉检测系统进行标定，主要包括摄像机标定、手眼标定和结构光标定，建立从二维图像中获取三维实际坐标的关系。针对具有强干扰的结构光焊缝图像，深入研究各种处理方法，采用基于背景校正的方法改进最大类间方差阈值分割法，并与中值滤波、孤点滤波等处理方法组成针对具有强干扰的焊缝图像预处理组合方法，能够快速准确地提取出焊缝信息。经过大量实验证明，该图像处理方法处理一幅537(H)×597(V)图像的时间不大于25ms，完全能够满足焊缝跟踪的实时性要求。针对焊缝视觉跟踪存在导前误差的问题，采用了一种拟合焊枪前后一段距离内焊缝路径的方法来减小导前误差。经大量实验证明，此方法精度较高，能够有效的减小导前误差。采用LabVIEW和Matlab混合编制了一套基于结构光视觉传感器的焊缝信息检测系统，系统人机界面友好。实验表明，该检测系统检测精度高、处理速度快。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-19
  §1-1 课题研究背景和意义  10-11
  §1-2 焊接机器人发展现状  11-14
  §1-3 焊接信息视觉传感技术  14-15
    1-3-1 被动视觉传感器  15
    1-3-2 主动视觉传感器  15
  §1-4 视觉传感焊缝跟踪技术的发展现状和前景  15-17
    1-4-1 焊缝视觉传感商业化产品  16
    1-4-2 焊缝视觉跟踪图像处理技术的研究现状  16-17
  §1-5 本文目标及内容  17-19
第二章结构光视觉传感系统  19-30
  §2-1 实验系统的总体构件设计  19-20
  §2-2 结构光视觉传感原理  20-21
  §2-3 结构光视觉传感系统的设备选择  21-24
    2-3-1 传感器壳体  21
    2-3-2 激光器的选择  21
    2-3-3 CCD 摄像机及镜头的选择  21-23
    2-3-4 滤光片组的选择  23
    2-3-5 图像采集卡的选择  23-24
    2-3-6 挡板和防飞溅透明片  24
  §2-4 结构光视觉传感器的结构设计  24-26
    2-4-1 CCD 摄像机与半导体激光器位置布局关系  24-25
    2-4-2 激光器与 CCD 摄像机夹角设计  25-26
  §2-5 结构光视觉传感器的数学模型  26-27
  §2-6 结构光视觉传感器的机械设计  27-29
  §2-7 结构光视觉传感器的安装  29
  §2-8 本章小结  29-30
第三章移动焊接机器人视觉系统标定  30-45
  §3-1 摄像机模型  30-32
    3-1-1 理想状态下的摄像机模型  30-31
    3-1-2 实际摄像机模型  31-32
  §3-2 摄像机的成像变换  32-34
    3-2-1 摄像机坐标系和世界坐标系关系  32
    3-2-2 摄像机坐标系和图像坐标系之间变换关系  32-33
    3-2-3 世界坐标系和图像坐标系之间关系  33-34
  §3-3 摄像机标定  34-39
    3-3-1 内部参数  34
    3-3-2 外部参数  34
    3-3-3 传统摄像机标定方法概述  34-36
    3-3-4 摄像机标定实验及结果  36-39
  §3-4 “手眼”关系标定  39-40
    3-4-1 手眼标定数学模型  39-40
    3-4-2 手眼标定实验与结果  40
  §3-5 结构光参数标定  40-44
    3-5-1 结构光参数标定数学模型  40-43
    3-5-2 结构光参数标定实验与结果  43-44
  §3-6 本章小结  44-45
第四章焊缝图像处理  45-65
  §4-1 焊缝图像的特点  45
  §4-2 图像处理的整体过程  45-46
  §4-3 图像的预处理  46-57
    4-3-1 加窗处理  46-47
    4-3-2 图像增强  47-49
    4-3-3 焊缝图像的滤波  49-52
    4-3-4 图像分割  52-57
    4-3-5 焊缝图像的孤点滤波  57
  §4-4 焊缝图像特征点的提取  57-61
    4-4-1 焊缝图像中心的提取  57-58
    4-4-2 焊缝特征信息提取  58-61
  §4-5 焊缝路径的拟合  61-64
    4-5-1 超前检测  61
    4-5-2 曲线拟合的方法  61-63
    4-5-3 焊缝的曲线拟合  63
    4-5-4 跟踪过程分析  63-64
  §4-6 本章小结  64-65
第五章焊缝检测系统软件设计及实验  65-74
  §5-1 软件开发工具的选择  65
  §5-2 检测系统设计  65-69
    5-2-1 硬件系统  65-66
    5-2-2 软件系统  66-69
  §5-3 焊缝视觉信息检测的实验与分析  69-73
    5-3-1 焊接实验  69-72
    5-3-2 误差分析  72-73
  §5-4 本章小结  73-74
第六章结论与展望  74-75
  §6-1 全文结论  74
  §6-2 展望  74-75
参考文献  75-79
致谢  79

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