（材料加工工程专业论文）基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究.pdf

硕士论文基于激光视觉的 焊缝跟踪系统的研究 ab s t f 8 c t t h e arti c l e s t u d i e s th e d e b u g g in g o f a ut o m at i c t r a c k i n g s y s te mo f w七 l d i n g s e am i n 。 川 ertoins眼 w e 记 i ngq ua】 l ty，an d a d 0 pts s u d 触 c e a rr a y c c dv i s i o n s e n s o r th at吹o l l e ct wel d i n g s e am l m a g e in丘 o n t ofp o int ofweld . t h r o u g h th e c o l l e c t i n g c a r d ， whi c h i s a ki nd o f 加a g e c ar dd i re c t l y get p i c t ur e fi mc c di n 1 0 d i s p l aym e m o 以 th e re s u l t o f i m age p r o ce s s i n g c ano b t a 1 n the 0 ffsetv al uebet w e e n wel d i n g s e am and wel d i n g t o rc h . ， 明d p as s i t tothe c o n tr o l l ero f s y st e m ， th e n th e c o n t r 0 1 l e r s e n d s i gna l tocon trol th e m o v e o f wcl d i ng 仍 r c h ， atl ast， th ep e r fo rm mac hi n ed o se i t toach i e v ethe p u rp o s eo f wel d i ng se am a u t o m a t i c t r ack i n g . h a d d e s i g n e d and m ade the l as e r v i s i o n s e n s o r b as e o n th e m etho d o f fa b ri c l i g h t ， u se劝s ua1 c +6 . 0 toana l y s e s a n d p roc e s s th e o ri g i n alp i c t u r e o n the fl ato f win d o w s20 00 s y s l e m ， incl ude th e b u i l d upo f p i c t u r e ， b i n 呵 t h re s hol d i ng气 庵“ redist i ll 、 c e n ter line dist ill 口 路 口 和口 叹inth atp r o ce ss d e a l it 初tha d di ng win d o ws tech ni q ue. h add es i gned the s y s t e mof con t r o 1 ina u t o m atic t r a c k i ng s y s t e mo f wel d i ng s e am， ands i mul ate the sys t e minco m p u t e r w i t h m a t l a b， s t u d y t hee m u l at i o n a l s y stemo f a ut o m atic t r a c k i n g s y 雍mo f wel di ngs e am， fo und th e n umeric alv a l ueo f adju s t g e n e an d p ro p o rti o n g ene i n the fi lzzy 1 o gi c con t r o 1 l er， as c e rt a in e dth e t h r e s hol do f c o n t r o l le r whi c hh as。 刀 odoubl e model co n t r o l m e t h o d . desi gnedse v e r a l exp erim e n l a t i o n tote stth e re sp o nse sp ee d and p 此 c i s i o no fthesy st em.in c l udin g初e l d ing andn o n 一 w i e l d i ng a u t o m at i ct r a c k e x 沐n m e n tati on. 物1 1 d at e d th e auto m at i c t r a c k abi l i t y o f s y stem k e y w o rds: laser ds p vi s 1 0n s e fls 0r au t o mati c f u z z y 一 p c o n t r o ld i g i t a l s i m u l at i o n 肠a c k l n g o f w 己 l d i n g s e am 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研究生签名 郑之 叔 一 洲7 年 月 门日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 日年 7 月17日 硕士论文 基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 1 . 绪论 l l 研究背景及意义 焊接工程在制造业中占有重要的地位， 它是仅次于机械制造业中的装配和切削加 工的第三大工程川 .由 于它具有工作条件恶劣、 工程量大及质量要求高等特点， 焊接 过程自 动化、 机器人化以及智能化已成为焊接行业的发展趋势。 焊接机器人的自动化 水平直接标志着整个焊接工业的自 动化水平， 同时也标志着相应工业如汽车制造工业 的 现代化 水平 12 川 。 随着生产的自 动化和智能 化的发展，自 动焊接在焊接领域得到了 越来 越广 泛的 应用 151 。 为了 进行 精确的自 动焊接， 必须 进行焊缝的自 动跟踪。 尤其在 飞行器制造及其他高、 精、 尖产品的焊接生产中， 有许多钦、 铝及其合金等的薄板对 接接头， 焊接时对工艺参数要求十分严格， 需要采用自 动焊接。 精确的焊缝跟踪是保 证焊接质量的 关键1，lo 一 为了 确保焊接件的焊接质量， 尽量降低人为因素对其影响， 缩短生产周期， 势必 要实现焊接的自 动化和智能化， 这也是未来焊接的主要发展方向。目 前机器人已 经在 弧焊领域得到了越来越广泛的应用t7 . 目 前的 弧焊机器人大多为可编程的示教再现式 机器人。 弧焊机器人有着很好的柔性; 可以 严格按照规定的运动参数施焊， 控制精度 高， 稳定性好; 焊接质量高等。 在配有传感器时， 机器人可以表现出一定的智能。由 于机器人焊接过程是一个多因素影响的复杂过程， 使得焊缝质量监控和智能化控制都 很困难， 由 于大型复杂工件的形状及尺寸极为不规则， 焊装夹具的装配精度达不到工 艺要求， 以及大量随机干扰和不确定因素的存在， 使得有效地实时控制焊缝质量和精 度成为国内 外焊接界多 年来研究的 热点 181 。 本课题来源于总装备部的“ 车体炮塔自 适应焊接技术” ， 是与6 17厂合作的项目， 该项目的目 标是解决坦克车体炮塔焊接质量与效率问题， 而本课题的主要任务是研制 出一套焊缝实时跟踪系统。 一个典型的焊缝实时跟踪系统一般由焊缝偏差信号传感及 其提取、 纠偏控制算法、 跟踪执行机构三个部分组成。 对工件接缝进行视觉检测， 提 取有效的 接缝的类型和特征参数， 智能 化判断焊枪与接缝的偏差方向与偏差量， 控制 算法根据控制理论由获得的偏差信号转换为控制信号: 输出给机器人控制器， 从而达 到焊接过程的自 动化、智能化的目 的19.1 。 硕士论文基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 l z国内外焊缝跟踪技术发展现状及应用 l 2. 1 国内外焊缝跟踪技术发展现状概况 在焊缝跟踪系统中， 焊缝跟踪传感器占有非常重要的地位， 一个合适的传感器是 保证正确跟踪的重要基础，焊接工作者已开发出了许多弧焊跟踪用的传感器。 清华大学的王军波、 陈强等主要利用ccd 传感器研究以轮式移动机器人为本体的 球罐焊接机器人的焊缝跟踪。 设计了 在一定运动约束条件下的轮式机器人本体与焊炬 运动机构， 建立了基于双ccd 传感器的焊缝路径检测系统。 在对轮式移动机器人在球 罐表面移动时的运动学基础上， 建立了机器人本体在一定误差范围内 跟踪焊缝的控制 模型， 并设计了相应的控制策略。 根据机器人与焊炬之间的运动约束关系， 提出了 焊 炬位置实时精确的跟踪控制策略。 现场工艺试验表明， 所研制的球罐焊接机器人焊炬 跟踪精度可达正负0 . s mln，能够满足实际工程应用11 21 。 华中理工大学的张新宝、 谢铁邦、 李柱等介绍和研究了一种以双线阵c cd为传感 器， 激光二极管为光源的主动式的设定轨迹焊缝的高精度c cd跟踪系统。 此跟踪系统 是一种智能型的成像探测器， 它对焊缝的识别精度为3 . sum 八o nuu; 对设定轨迹焊缝 的识别精度高于3 . s u m / 1 0 咖。 此跟踪系统具有对其金属板坯表面的光学性能、 角 度 变化包容性强和抗强光的特点iljl。 哈尔滨工业大学的孔宇、 戴明、 吴林提出了机器人结构光视觉三点焊缝定位技术， 使弧焊机器人可以 适应批量生产中每次焊缝位置的变化。 通过适当的数学描述将焊缝 定位问 题转化为确定位姿变换矩阵【 141 。 给出了三点焊缝定位法的求解过程， 具有良 好 的理论可靠性。 利用结构光视觉传感器获取焊缝位置信息， 可以快速实现对焊缝的精 确定位。 牛津大学的c . g . m org an 等设计了视觉传感器 焊枪一体式的 视觉弧焊机器人 引导系统阴。视觉传感器m etatorchz oo的结构如图1 .2 2 . 1 所示。 激光束经过柱面镜 形成单条纹结构光. 由于c cd摄像机与焊枪有合适的位置关系， 避开了电 弧光直射的 干 扰。 研 制此系统最初目 的 是 解决汽车工 业上大量1 。至3 而薄板的 搭接和角接接头 的自 动跟踪问 题。系统的识别能力有一定的限制，如搭接板厚需大于0 .8 咖，对接间 隙需大于0. 6 咖11 6-1 91 。 为使此类传感器扩展应用于大型结构的多层焊中， m eta m ach i ne 硕士论文 基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 紫外线或电子轰击等) 转换为按时序串行输出的电信号视频信号，而视频信号能 再现入射的光辐射图像。固体传感器主要有三大类型，第一种是电祸合器件 cco ( c h a r g e o u p l e dd e v i c e ) ， 第二种是c m 0 s 图 像传感器， 又称自 扫描光电二极管 阵列， 第三种是电荷注入器件。目 前在焊接工程中应用较广的是c cd 摄像机， 它是由 若干个像敏元以一定顺序排列形成的一条光敏线或光敏面， 并同辅助电路组合成大规 模集成电路。 c cd 的工作原理是通过光学成像系统将景物图像成像在c cd的像敏面上， 像敏面将照在每个像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于 像敏单元中。 然后在转移脉冲的作用下， 再转移到c cd 的移位寄存器中， 并在驱动脉 冲的作用下顺序地移出 器件， 成为视频信号。 视频 信号再由 后续处理电 路进行处理或 计算，成为电视信号或检测信号13， 10 ccd 分为线阵c cd和面阵c cd。线阵c cd应用线阵集成电路作为传感器，其处理 信息的速度快， 后续处理电路简单， 易实现实时控制， 但它只能获得一维图像， 不能 处理复杂的图形。 面阵c cd可以获得二维图像， 获取的信息量大， 能处理复杂的图形， 但处理信息速度相对慢， 成本也比 线阵c cd高。 由 于焊缝跟踪需要获取大量的图像信 息，且焊缝图像复杂，所以面阵c cd在焊缝跟踪中应用较广13 6-3 9 。 l 3主要研究内容 本课题研究一种基于激光视觉的焊缝跟踪系统， 利用激光作为主动光源照射在接 缝上， 通过c cd摄像头摄取接缝上的激光图像， 并将图像信号输入计算机进行分析处 理， 以获取接缝位置信息， 并通过此信息识别焊枪与接缝之间的偏差量， 运用控制算 法得出 控制信号， 并将控制信号传达给执行机构， 调节焊枪的位置以实现焊缝跟踪的 目 的。 其中 对ccd 采集到的图 像信息进行分析处理以及对焊枪运动的控制技术是本课 题的关键技术问题. 本课题在w ind ows20 00环境下编写了跟踪系统的人机交互控制软 件，将图像分析处理以 及控制整合在软件中。具体需要研究的内容如下: 1 .光路系统的设计.根据本课题需要设计出良 好的光路系统，以保障能采集到 符合要求的接缝图像信息; 2 .视觉传感器的设计和制作。根据所设计的光路系统的设计出性能良好的传感 器; 3 .改善行走机构， 使行走机构能够更准确稳定而又及时的执行控制器的控制命 令: 4 .处理ccd 采集到接缝图像信息，并在试验中不断完善处理程序，以尽量得到 清晰便于分析的图像信息; 5 .设计焊枪运动的控制算法。本课题采用比例一模糊双模控制方法对焊枪运动 硕士论文基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 进行控制; 6 .对该系统进行数字仿真，验证并改进系统性能: 7 . 在无弧条件下进行跟踪精度的测试试验，以研究在无弧光千扰情况下图像分 析处理的效果以及跟踪控制算法的效率; 8 .进行琳g 焊接钢板的跟踪试验， 以验证和研究系统的综合性能。 硕 t 论文基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 2 . 图像采集系统 图像采集系统主要由硬件组成， 该系统完成将激光器发射的激光照射在工件表面 的自然图像经过滤光片滤光处理后的图像采集到计算机内存中，交给计算机分析处 理。 激光视觉传感器将获取到的焊缝信息转换为视频信号， 视频信号一方面送装在控 制器上的液晶显示器显示作为监控， 另一方面经图像采集卡转换为数字信号送计算机 处理。该系统主要包括激光视觉传感器、图像采集卡和计算机。 图2 1图像采集系统示意图 2. 1激光视觉传感器原理 视觉传感器由是否采用光源分为主动光视觉与被动光视觉。 主动光视觉一般指使 用具有特定结构的光源与摄像机组成的视觉传感系统， 主要采用一些特殊的照明光源 投射到工件表面， c cd摄像机摄取工件表面的图像并进行处理l0l。 2. l i被动光视觉 被动光视觉大都采用周围环境的光作为光源， 对于焊缝跟踪系统而言， 主要是采 用电弧光作为光源， ccd 摄像机直接摄取焊接熔池图像， 通过图像处理检测出 熔池中 心位置， 并将焊接熔池中心位置和焊炬位置的偏差送入控制器， 控制执行机构调整偏 差， 直至偏差消除为止。 其优点是 检测对象 ( 焊缝中心线) 与被控对象( 焊炬) 在同一 位置， 不存在检测对象与被控对象的位置差， 即时间差的问题， 因而更容易实现较为 精确的跟踪控制。 但其缺陷也是显而易见， 由于是在极为强烈的弧光下摄取焊接熔池 的图 像， 焊接熔池的弧光对所摄取的图像有很大的影响， 图像噪声很大， 因此如何在 7 硕士论文 摧于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 极为强烈的弧光作用下， 获取包括焊丝( 或钨极) 端头及熔池在内比较清晰的图像， 将 成为跟踪系统的关键之一1411. 另外一种解决的方法是采用激光频闪摄像获得较清晰的焊接区图像， 利用脉冲激 光束的瞬时高强度压过电弧光的辐射强度， 同步打开高速摄像头快门摄取焊接区的图 像，所得的图像不再是电弧光反射的结果，而是瞬时强激光反射的结果圈。 采用被动光视觉传感直接摄取熔池图像的方法存在着强烈弧光的千扰问题。 虽然 说有上面两种解决的方法， 但是采用特殊滤光片和瞬时降低电流的办法对电源和控制 系统都有很高的要求， 因而系统将变得比较复杂， 并且图像处理与特征提取过程实施 比较困难。 而采用激光频闪摄像的系统价格昂贵， 其摄像头与激光照射装置在焊枪周 围占 据的空间 较大， 使用的机动性和灵活性较差，而且抗干扰能力也不是很理想t43 1. 因而在视觉传感焊缝跟踪系统中， 被动光视觉方法并不是一个主流， 主动光视觉特别 是激光跟踪方法将成为主要采用的方法。 2. l l z主动光视觉 在实际应用中， 采用外加辅助光源的方法， 即主动光视觉。 主动光视觉应用更为 广泛， 光源常采用一些特殊的照明光源， 如卤钨灯、 激光二极管等。卤钨灯具有发光 效率高、 体积小、 功率大、 寿命长的优点， 且成本较低，常用在水下焊接的视觉传感 焊缝跟踪系统中。 激光管的单色性方向 性和相干性最好，是常采用的外加辅助光源。 主动光源一般为单光面或多光面的激光或扫描的激光光束， 为简单起见， 分别称为结 构光法和激光扫描法网。 2. 2光路系统的设计 本课题采用激光作为主动光源， 照射在接缝表面后发生漫反射。 在主动式视觉系 统中， 最主要的目的是采集到清晰有效的包含焊缝特征的图像， 这是能够从图像中获 取接缝特征值的基本条件。 经过大量试验及汲取国外同类产品优点后， 本课题采取结 构光法作为核心光路结构。 2. 2. 1结构光法原理 如图2. 2 1 所示， 激光管发出点光源经一柱状镜转换成条形光。投射到工件表面 的v 型坡口，角接焊缝或搭接焊缝上，发生相应的变形，并向工件上方漫反射。c cd 接收从工件上漫反射的反映不同焊缝坡口 形式的条形光， 通过信号采集或图像处理环 节。 便可知条形光变形处的中心位置， 即焊缝中心线的位置。 若将光源安装到焊接机 头上， 在开始焊接前让条形光的中心位置对应焊炬的位置， 则可根据c cd接收到的变 硕士论文挑于激光视觉的焊缝跟踪系 统的研究 l = 一 兰 竖 一 国弛q夕 式中:醋 光源表面积; q光源发射的光束立体角; at发光时间; 石 然后， 编 制程序， 使计算机按一定的规则对上述信息进行处理， 并获得他们的信息关系和仿真 结果。可见，计算机的仿真方法是控制论研究的客体的具体体现。 s. i ma t l a b平台及对应工具箱 以talab 是集科学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便地进行科学计算和 大量工程计算的数学软件。 目 前， 它己 成为世界上用应最为广泛的工程计算软件之一。 琳t a lab 的最初版本是由 cle v e m ol er 博士用f o r t r a n 语言开发的 矩阵分析软件， 掀t alab是“ 矩阵试验室”的缩写，它是一种以 矩阵计算为基础的交互式程序语言， 最早用来作为l i n p a c k e i s p a c k( 基于特征值计算的软件包) 矩阵软件1 具包的接口。 在80年代初期，由 cl eve m o le r 和jo hnlitle 采用c 改写了 m a t a l a b 的内 核。不久， 他 们成立m ath wo rks软件开发公司，并于1 9 84年将袱talab 正式推向市场。1 9 92年初推 出了应用于w i ndows 操作系统m a t a l a b 4 .x 版本，1998年推出5 .2 版本，1 9 99年推出 以t l a b s . 3 版本，2 0 00年为琳t l a b6. 0 版本，现在最新的为拟t lab6. 5 版本。以t l ab的 主要特点 期 八 t l ab的基本单位为矩阵，其表达式与数学、工程计算中常用的形式类似。 并且矩阵的行和列无需定义，可随时添加和修改; m a t 以 b 语言以解释方式工作，对 每条语句进行解释后即运行， 键入算式即得结果， 无需编译， 对错误可立即做出反映， 大大减少了编程和调试的工作; 具有非常友好的人机界面。m atlab 语言规则与人们长 期以来使用的在演算纸上进行演算的书写习惯十分相似，易学易读适于交流; 具有强 大的作图和数据可视化功能。 可以把数据以多种形式加以 表现， 非常简单、 直观、 方 便; 具有极强的可扩展性。以t l ab软件包括以丁 lab 主程序和许多日 益增多的工具箱， 工具箱实际就是用琳t lab 基本语句编写的各种子程序集， 用于解决某一方面的专门问 题或实 现某一类的新算法。 mat l as还提供了与其他应用语言的接口， 以实现数据的 共 享 和 传 递 1621 。 3 吕 硕士论文旅于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 以t lab 的基本组成m a t l a b 主要由m a t l a b 主程序、 s i m u l i n k 动态系统仿真和m a t l a b 工具箱三大部分组成。 其中m a t l ab主程序包括m a t lab 语言、工作环境、 句柄图形、 数 学函数库和应用程序接口五个部分: sim u l i n k 是用于动态系统仿真的交互式系统，允 许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统， 并能动态地控制该系统， 目 前的 51刚l i nk 可以处理线性、非线性、连续、离散、多变量及多系统: 工具箱实际就是用以t lab 的 基本语句编写的各种子程序集和函数库， 用于解决某一方面的特定问 题或实现某一类 的 新算法， 它是开放性的， 可以 应用也可以 根据自 己的需要进行扩展。 以t l ab工具箱 大体可分为功能性的工具箱和学科性的工具箱两类。功能性的工具箱主要用于扩展 撇tlab的符号计算功能、 图形建模功能、 文字处理功能和与硬件的实时交互过程， 如 符号计算工具箱等: 学科性的工具箱则有较强的专业性，用于解决特定的问题，如信 号处理工具箱和模糊逻辑工具箱。 5. 2焊缝跟踪仿真系统的建立 根据理论分析可知采用双结构模糊控制器控制， 需要确定多个参数， 而参数的选 取直接影响到跟踪控制系统的动态跟踪性能。 各参数的确定往往都是在大量试验的基 础上得出的， 因此需要耗费大量的人力和物力。 但在实际中，由于各种条件的限制能 够进行的试验有限，因而所确定的参数往往不是系统的最佳参数。为了解决此问题， 本文采用计算机仿真的方法对跟踪控制系统的各个参数进行分析研究， 从而大大减小 了实际的试验; 而且在计算机仿真系统上可以进行多参数变化的研究，从而找到它们 之间的变化规律，最优控制. 乐 2. 1偏差信信号输入 对于焊缝偏差的输入可以 根据实际接缝的类型和焊接速度换算成具体方针信号 输入由于焊缝跟踪系统是位置随动系统， 通常随动系统以 跟随性作为判断系统性能的 重 要 指 标， 而 系 统的 跟 随 性 往 往以 阶 跃 输 入 响 应 作 为 衡 量 尺 度， 在仿 真 过 程中 以 阶 跃 信号为主，同时采用了斜坡和正弦等输入信号。 5 .2.2 焊缝偏差检测 当 焊缝偏差信号输入以 后， 系统就会对其进行识别和检测。 首先是传感器将其图 像信息采集到计算机中， 然后计算机对其进行处理， 分析和提取信息， 最后得出 焊缝 的偏差。 这个过程需要一定的时rj， 时间的长短根据计算机性能和处理程序的复杂程 度有关，因此这里需要设置延时环节。这里设置延时时间为0 . 45。 3 9 硕士论文 苹于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 此时焊缝的偏差信号是一图像中的像素点为单位的， 而实际的偏差信号是一长度 单位为单位的，为次必须进行换算.经过多次试验测量出，一个单位像素点相当于 0 . i nun 的距离，而系统的输入值为长度单位毫米，所以在输入信号后乘以10转化为 计算机中的像素点单位。 5. 2. 3控制器的 选择 由于本系统中采用比例一模糊控制双模控制， 在焊缝偏差检测结束后， 需判断偏 差大小来决定选用哪个模糊控制器。 因此， 系统检测是偏差信号后， 需设置一个判断 偏差大小模块， 当偏差大于设置的闭值时选择比例控制器， 当偏差小于阐值时选择模 糊控制器。 根据一些试验和经验，将分段阐值预设为48，单位为像素点。 5. 2. 4比例控制器和模糊控制器 本系统中包括两个控制器， 比例控制器和一个二维的模糊控制器。 比例控制器结 构简单， 将检测的偏差直接乘以比例系数k 作为输出即可。 经试验测定， 一个单位像 素点的偏差需要电动机约巧个脉冲的输出，故将比例系数k 设为巧。 运用初 a t lab 中模糊逻辑工具箱， 可以根据上文中模糊控制器设计构造出模糊控 制器。 在本系统二维模糊控制器中，根据引入了两个调整因子，故输出 一 l a l e + ( 1 一 a l ) e c i e= 0 ，土 1 ， 士 2 ，士 3 一 a z e + ( 1 一 a z ) ec1 e = 封，士 5 ，幼 ( 2 . 1 ) 5. 2. 5 执行机构 一般调整机构是通过输出脉冲给步进电机驱动器来完成调整的。由于电 机拖动 的 机械装置在调节过程中需要一定的调整时间。 当系统采用查询方式工作时， 应该考 虑每一次系统输出 所要的时间，因此需要设置延时环节。同时只有 在每一次调节完毕后，系统的反馈回路刁 起作用，而在此前任何检测的数据不 应该输入系统或者即使输入系统也不应该对系统的输出有任何影响。仿真系统 不仅要延时，还要根据系统的调节速度按一定的规律输出调整。 中焊缝跟踪仿真系统模型的建立 根 据以 上 各环节特征， 构建出了 如 下图5 . 2 . 6 . 1 焊缝 跟踪仿真系 统，图中s t ep 4 0 硕士论文摧于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 为输入偏差信号，由于输入偏差信号是一毫米为单位，故用g ain 将其转化为计算机 中的像素点为单位的输入信号;d etectd elay 为计算机对偏差进行识别和检测所需 的时间， 系统中设置为12o ms; f u z zy 一 pcontrol 为控制器选择模块， 将初始阐值设 置为48，该模块自动判断并选择控制器:p control 为比例控制器模块，系统将比例 因子设置为 15;k : 和 k : 分别为偏差和偏差变化率的量化因子，其所在通道为偏差和 偏差变化率的输入通道;f u z z yl ogic c ont rol l er 为模糊控制器;k3为模糊控制器 的比 例因子; 。 utp ut 将计算机中像素点为单位的偏差计算转化为毫米为单位输出; d elay为行走机构延时模块，延时与输出的大小成正比。 卜10月1 是 午 弩 卜 呀 嗯打戈麟 气 试 日 砂 冲卜 、: ; ， 吻. - ， 二蕊 r . 国 ， 比9 舀 。 亡0 . 臼 口“ 山 图52 . 6 . 1比 例一模糊控制双模控制焊缝跟踪仿真系统 5 3模糊控制参数的 计算机仿真 5. 3. 1模糊控制调整因子。 ， 和 丙的 仿真研究 评价控制系统的动态性能， 通常以阶跃响应为判断依据。 所以在此只在阶跃信号 为输入信号对系统进行研究以找出最佳的q ， 和q : 值。由式 ( 2 . 1) 知，要找出 最佳 的q . 值需在偏差 e 落3 时， 所以 选择偏差e=o . 8 。， 1 . z lnln， 1 ， 6 nun作为选择。 ， 时的输 入偏差， 对每一个偏差都以。二 0 . 1 一 0 . 9 进行仿真试验，以寻找最佳。 ， 值。 仿真结果相同结果如下图: 硕士论文基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 得出了正确使用弧光挡板的方法和确定二值化阐值关键性。 3. 设计并进行了ma g焊条件下对斜线板的跟踪试验，依据试验结果，验证了系 统在实际焊接情况下的响应速度和跟踪状况， 并发现了系统在对1 型坡口 识别的不稳 定性。 从整体上看，本系统跟踪效果基本符合设计要求，能够满足自动跟踪的要求。 硕士论文基于激光视觉的焊缝跟踪系统的 研究 7 . 结论 本文开发了一套基于数字图像处理技术的焊缝跟踪系统， 并对该系统进行了较深 入的研究，主要结论和成果有如下几点: 1 . 选取了结构光法作为传感方法， 采用6 5 o n m 半导体激光二极管、 面阵c c d 、 16丽 镜头、6 50 n m 窄带滤光片等组成了 激光视觉跟踪传感器。 2 改进了图像预处理的算法:在对图像进行预处理前， 对图像进行加窗处理， 提高了系统的响应速度;并提出了二值化处理中闽值的正确选择方法; 3设计了基于比例一模糊控制双模控制的焊缝跟踪控制系统。本系统采用了比 例一模糊控制双模分段控制， 其中模糊控制为参数自 调整模糊控制， 使得系统具有智 能性的特点; 4 . 在m 八 t l a b 平台下建立了 焊缝跟踪仿真系统， 并对其进行了仿真研究， 通过 仿真发现: 1) 双模分段控制中，阐值的大小不仅确定了 模糊控制和比例控制的区间，而且 对系统的动态性能和控制精度均有影响，在本系统条件下， 选择阐值为4 inm : 2 ) 在本系统条件下， 模糊控制调整因子的最佳值分别为。 .二 0 . 4 或0 . 5 ，。 厂 0 . 5 或0 ， 6 ，本系统选用q ， =0. 4 、q z :0. 5 的组合; 3 )在本系统条件下，设定模糊控制调整因子q . = 0 . 4 、q : = 0 . 5后，确定了最佳 比例因子k 3 二 6 。 5 . 撇g 焊接条件下的焊缝跟踪试验表明: 研制的基于激光视觉的焊缝跟踪系统能 够满足实际焊接工程的需要。 有待改进的问题 1 . 系统中数字图像处理部分有待改进， 虽能跟踪v 型、 半v 型、 u 型和1 型坡口 的接头，对坡口的识别不够稳定，导致跟踪精度受限，且不能识别搭接接头; 2 . 由于本系统跟踪原理的局限性，实现实际焊接条件下对曲线的跟踪困难较大， 需要做定标才能完成，本文由于时间问题未能完成。 硕士论文 基于激光视觉的焊缝跟踪系统的研究 致谢 衷心感谢我的导师王克鸿教授两年来对我在学习、 生活上的支持和帮助， 王 老师刻苦耐劳的精神、 渊博的学识以及对我耐心指导时时激励着我前进。 刘永副教授 作为本课题的主要负责人之一， 在研究的过程中给予了非常大的帮助， 提供了宝贵的 建议， 没有他的帮助我将很难完成本课题的研究。 他们在课题的研发和论文的完成过 程中给予了的悉心地指导， 并提出了很好的修改意见， 刁 使我有可能顺利的完成论文 的撰写工作。 感谢同窗两年的吴杨、 赵红卫、蔡大志、任江毅、张俊、 沈莹吉、梅丛富和郭磊 等同学在课题和生活中的帮助! 感谢师弟郑石雄在试验过程中提出的一些建议和所给予的帮助生 感谢所有支持和帮助过我的人们! 硕士论文篆于激光视觉的焊缝跟踪系统的 研究 参 考 文 献 1 王军波， 陈强， 纪萌， 孙振国. 基于戊0 传感器的球罐焊接机器人焊缝跟踪 焊接学 报. 2 0 0 1 ( 2 ) : 2 2 2 蔡自 兴 编著.机器人原理及其应用.1 988 3 p i erre s i c arde c t . ， a na p p r o acht oane x p e r tr o b o t w e l d i n gs y s t e m . i e e e t ran s . o n s y s . m a n . c y b e r . ， 1 9 8 8 ， 1 8 ( 2 ) : 2 0 4 一 2 2 0 . 4 何方殿等.用于电 弧焊接的跟踪传感 上) ( 一 下 ) .电焊机，1 9 90 ( 2):4 一 9 ，(3) 3 一 7 s jg . h o l m e sa n db . jr e s n i s h . an f l e x i b l erobota r c贾 e l d i n g s y s t e m ， s o c . m e c h . eng . d e a r b o r n ， m l ， s m et e c h ， 1 9 7 9 6 张新宝， 谢铁邦， 李柱. 设定轨迹焊缝的高精度戊0 跟踪系统. 仪器与仪表. 2 0 0 0 ( 6) 7 孔宇， 戴明， 吴林. 机器人结构光视觉三点焊缝定位技术. 焊接学报. 1 9 9 7 ( 3) s p . gd a v e y ， j . 份b arr a t t ， a . rv i d l e r . las e rs e n s o r sf o ra r cw e l d i n gr o b o t sr obo t i c 贾 e l d i n g . i fs l t d ， u k ， 1 9 8 7 : 1 0 5 一 1 1 5 gc g m o r g an ， j 5 e b r om l e y ， p g da v e y ， a r v i d l e r v i s u a l g u i d an c e t e c h n i q u e s 乡 r r 0 b o t a r cw e l d i n g. rob o ts e n s o r s ， v o l . 1 一i s i o n . 1 00 x f o r d s e n s e r 公司网站 l l m e t a 公司网站 12 贾昌申 ， 梁晋， 贾涛. 图像法焊接缝隙检测的 研究. 西安交通大学学报. 1 9 9 4 ( 4):2 8 1 3r . n i e pol d ， f . e r u 咖e rp a s s 一 av i s u a ls e n s o rf o rs e 胡 t r a c k i n ga n do n 一 l i n epro c e s s p ar幽e t e rc ont r o li narc贾 e l d i n ga p p l i c a t i o n s . r o b o t i c份 e l d i n g . i fs l t d . ， jk， 1 987 : 1 2 9 一 1 4 0 1 4tak a o b 幽b a . a narc 一 贾 e l d i n g r o b o t w i t h a c o m p act v i s u a l s e n s o r. s e n s o r s a nd con t r o l s y s t emsi narc份 e l d i n gcha p m a n&h a l l ， londo n ， 1 9 9 4 : 1 1 8 一 1 2 6 15 王 秀媛， 黄石生. 基于图像分割的图像处理法在焊缝识别中的应用. 电焊机 2 0 0 0 ( 1 0):3 2 一 34焊 接学 报.1 9 9 6 ( 3 ) : 1 7 16 王倩， 阮海波. 快速模糊边缘检测算法 中国图 像图形学报， 2 0 01( 1):6 17 王学军， 陈贺新 基于边缘提取的分形图 像编码方法 长 养邮电人学， 吉林_ ! 二 业大学. 中国图像图形学报.2000(8 ) :5 18 吕 植勇 基于轮廓法线上亮度的极小、 极人值边缘检测. 武汉交通科技大学. 中国图像图形学报.2 0 01( 5):5 19 谈正， 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j . 刊 a . as e l f ee o l ， g a n i z i n gf u z z ycon t r o la p p r o a c ht oa r cs e n s o rf o r 份 e l dj o i n t t r a c k i n gi ng 以wo fb u t tj o i n t s . w e l d i n gj o u r n a l . 1 9 9 3 ， 7 2 ( 1 ) 6 0 币6 3 3k e n j i o h s h i 帕. f u z z yc o n t r o lo fc02 s h o t 一 a r cw e l d i n g . s e n s o randcon t r o 1 s y s t 伽 i narc贾 e l d i n g . londo n : c h a 卿a nh a l l ， 1 9 9 4 : 1 3 7 一 1 46 3 4k e n j iohs h i . 氏y a s u y o s h ik ane k o . a 即l i c a t i o no fg e n e t i ca l g l o r i t 腼 andfuz z y con t r o lt os e 曲一 t r a c k i n g . 1 1铁ix 蛇 x l l 一 1 4 0 1 一 9 5 35 王滨， 视觉弧焊机器人焊接参数白 动规划系统. 哈尔宾 业大学博十论文. 1 9 9 2 : 28一6 3 6陈 强， 潘际蜜， 大岛健司 . 焊接过程的 模糊控制 j. 机械 程学 报， 1 9 9 5 ， 3 1 ( 4 ) : 8 6 、 9 1 . 3 7黄石生等. 钨极氖弧焊缝熔宽 模糊控制系统的设计 焊接学报. 1 9 96， 1 7 ( 2):9 4 芍8 38 乌日图 . fuzzy 控制在焊缝自 动跟踪过程中的应用. 内蒙古1 : 业人学学报. 1 9 9 6 ( 4): 1 5 一 26 3 9j e ng一 丫 队nj e n g ， t z v o h es fei 拟uands h y 印一 m l 比 l e u .c o m p u t e r i n t e gra t e d b u t t i o i fi t v i s i o nandn e u ， a ln e t wor kt e c h n o l o g i e sf o ri n t e l l i g e n t明t o m a t i cl a s e r i n t e g l ，a t e d口 犷 ， e l d i n g .c o m p u t e r 4 0张 绍 彬， 赵家瑞 用于弧 焊焊缝 跟踪的空 气 超声 传感 器系 统 电 焊机 1 9 9 4 ( 5):1 0 一 12 4 l k e n n e t hr c a s