第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在现代制造业尤其是重工业制造业中，由于行业内需求的增加，焊接技术的发展已经变得越来越重要和关键[1]。在焊接领域，以手持焊枪为代表的人工焊接因为难以满足现代焊接需求，正逐渐被自动焊接技术所取代。采用自动焊接机器人代替人工焊接的好处有：机器人受程序控制，技术水平统一，可以保证焊接质量前后一致；不存在因长期工作导致疲劳影响焊接质量的问题；通常采用六轴机器人形式，在空间上没有焊接死角，等等。焊接机器人技术是工业自动化技术和焊接技术相结合而产生的新兴技术，它的出现解决了部分人工焊接存在的问题，以其高效、稳定的特点成为一种新的生产方式[2]。
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1.2 焊缝识别方法介绍
正如 1.1 中所述，为解决示教再现型焊接机器人因无法获取工件位置信息而造成焊接不当的问题，研究人员提出在焊接机器人上装置焊缝识别系统，这也是焊接机器人向智能化发展的路径。从上个世纪 90 年代至今，机器人焊缝识别技术已经有了长足的发展。机器人焊缝识别系统可分为三大部分：传感器部分、控制系统部分和执行结构部分，如图 1-1 所示。传感器是焊缝识别系统的关键部分，其主要作用即获取工件位置的原始信息以供后续的控制系统进行处理计算，并根据计算结果实时调节机器人位置以达到焊缝识别的目的。根据传感器工作原理的不同，可分为如下几类，如图 1-2 所示。
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第 2 章 视觉测量系统设计
2.1 系统构成
为了实现在焊接过程中对焊缝的实时检测，本文设计并搭建了一套基于激光三角法的非接触式测量实验平台。可以按照其功能划分为三个部分：焊接机器人模块、视觉传感器模块和图像处理模块[15]。硬件构成主要包括：六轴机器人及其示教器、焊枪、智能相机、一字线光源激光器、上位机等。软件部分则主要使用 NI 公司的视觉工具软件 Vision Builder for AutomationInspection（以下简称 VBAI）进行算法的实现，利用 Matlab 提供的相机标定工具箱（Camera Calibration Toolbox）对实验中一些重要参数进行标定。智能相机采集到的图像通过以太网传输给上位机进行分析。
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2.2 视觉传感器设计
本文所设计的视觉测量系统，是通过对运动过程中图像内坡口位置的实时偏移进行测量及储存，进而在焊枪移动中实时指导，从而实现对焊缝整体的识别。在 2.1.2 中提到，视觉传感器模块中 CCD 相机与一字线激光器会依照某种固定的几何结构进行设计，通常的设计方法有两种，即直射式激光三角法和斜射式激光三角法[30]。使用线性光源，将一束激光以一定角度射到被测物体表面上，由于激光会发生反射或散射，使用透镜等成像系统在另一角度方向对激光进行汇聚成像，并使用 CCD 镜头等光敏元件作为传感器检测散射光斑的位置。当被测物体发生移动时，光斑也会随之发生变化，通过检测光斑位置变化与被测物实际位置变换之间存在的关系，可以构建数学模型，从而在之后的移动中计算实际位移[31]。由于构建的数学模型和计算公式与入射光、反射光、汇聚透镜位置、传感器位置等主要器件均有重要关系，且入射光、反射光通常会构成一个三角形，所以这种计算方法通常被称作激光三角测量方法。
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第 3 章 焊缝图像特征点提取...............22
3.1 算法流程................22
3.2 算法实现...............27
第 4 章 标定方法................39
4.1 相机标定...............39
4.2 传感器参数标定................45
第 5 章 实验数据与结论...............49
5.1 实验设备................49
5.2 网络通讯部分...............50
第 5 章 实验数据与结论
5.1 实验设备
本文所采用的焊接机器人，是由哈尔滨某机器人有限公司设计研发的“弧焊 III”型六轴焊接机器人。该机器人可分为三部分：机器人系统、焊接系统和周边装置。其中机器人系统包括机器人本体、控制系统、示教器；焊接系统包括焊接电源、焊枪、送丝机、清枪剪丝、冷却水箱、焊剂输送和回收装置；周边装置包括一些安全防护设施、移动装置、除尘装置等等。该焊接机器人可以很好的完成弧焊工作，其所提供的示教器可以按照最多五种坐标系指挥机器人进行空间上的移动。在标定过程和实验过程中，根据其提供的精度在 0.1mm 内的读数，可以很好的进行实际位移与算法所计算出偏移量的比较，从而得出较为可信的数据。
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5.2 网络通讯部分
本文所采用的焊缝识别系统中，作为传感器的智能相机与上位机之间使用以太网通信作为数据传输方式。以太网最早由 Xerox（施乐）公司创建，在 1980 年，DEC、lntel 和Xerox 三家公司联合开发成为一个标准，以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和 10G(10Gbit/s)以太网，采用的是 CSMA/CD 访问控制法，它们都符合 IEEE802.3。IEEE 802.3标准规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、FDDI 和 ARCNET。历经 100M 以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至 10G 以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。
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结论
对焊缝的自动识别焊接，在当前焊接机器人技术领域、图像处理领域都是比较热门的课题，对于现代制造业的意义也十分重要。国内外对此课题进行了长时间的研究，但直至目前，集成度高、精度高、实时性好的自动焊接机器人尚未能推广普遍使用。本文所设计的焊缝识别系统，利用 NI1772 智能相机作为传感器，在获取图像的同时对图像进行处理，借助 VBAI 提供的库函数，设计了一套特征点提取算法，并通过特征点在图像中的位置计算出焊接工件上焊缝的位置偏移。最后通过实验，验证了算法的有效性。本文完成的主要工作和结论如下：1、分析了主要的焊缝识别方法，并针对基于视觉传感器的焊缝识别系统进行深入的了解，对课题的选题背景、实际应用价值以及国内外发展现状进行了分析。2、利用直射式激光三角法设计了焊缝识别系统的传感器模块，并根据传感器模块的几何参数推导出焊缝的偏移量与图像中特征点偏移量存在的数学关系，以之作为计算公式。
参考文献（略）
