弧焊机器人焊缝跟踪视觉控制研究

焊接是一项关系到交通、建筑、能源、国防等众多行业生产的基础技术，同时，焊接生产又是机器人技术应用最为广泛的行业。研究机器人焊接控制技术，提高焊接质量和效率，具有实际意义和重大应用价值。先进机器人与制造系统研究组在基于视觉的焊接机器人控制领域开展了研究工作，解决了焊接恶劣环境下机器人视觉控制问题，并紧密结合焊接生产实际，积极进行应用探索，取得了良好的成绩。

研究组在弧焊机器人视觉控制方面的研究工作，主要包括焊接视觉传感技术、焊缝图像处理与特征提取、焊接机器人智能控制技术等。重点是研究机器人对焊接工件焊缝的跟踪控制，以及机器人焊接过程中基于视觉信息的焊接质量检测，提高焊接机器人对环境的适应性和智能化水平，改善焊接生产劳动强度，实现高质量、高效率的焊接。

围绕焊接机器人视觉控制研究，提出了一系列新方法。(1) 在弧焊机器人视觉控制方法方面，提出了基于结构光视觉的混合视觉伺服方法，在内环采用笛卡儿空间的位置控制，外环沿焊缝的移动采用笛卡儿空间的位置视觉控制，焊缝跟踪中的纠偏采用图像空间的视觉控制，解决了焊接过程中对焊缝跟踪和纠偏控制的平稳性问题。(2) 在焊接视觉信息处理方面，针对焊接过程中弧光、烟尘、飞溅等恶劣环境，提出了焊接图像鲁棒处理算法和激光条纹抽取算法；针对焊接生产中不同类型焊缝和焊缝接头不规则形变的情况，提出了焊缝识别和特征提取算法。(3) 焊接视觉检测方面，采用多种视觉传感方法，通过信息融合，实现对焊接工件的视觉测量和焊接过程质量视觉检测与控制。

2002年9月，研制出基于双目结构光视觉的机器人焊接系统。该焊接系统实现了视觉测量系统、开放式机器人控制器运动控制系统、外部辅助加工设备的有机集成。图为机器人焊接实验和工件焊缝轨迹测量结果。

2003年10月，研制出基于结构光的机器人焊接视觉控制系统。该焊接视觉控制系统采用一种机器人弧焊的混合视觉伺服控制方法，可应用于所有能够接受基于末端相对运动的机器人，实现视觉测量与跟踪。

2004年12月，研制出平板长直缝自动纠偏埋弧焊接系统。该系统攻克了焊缝坡口反光、毛刺、外形不规则等情况下图像处理与特征提取的难题，解决了焊缝坡口的一致性和清洁度对视觉控制效果影响大这一问题，视觉系统的适应性大幅度提高。

2005年7月，针对焊接质量在线检测问题，研究了结构光视觉对工件表面的视觉测量和缺陷识别方法。实现了在焊接过程中对折线、曲线等复杂焊缝进行扫描测量，对焊后焊缝表面成形状态进行视觉测量，有效地避免了焊缝缺陷，提高焊接质量。

2005年10月，研制出圆管环缝自动纠偏埋弧焊接系统，采用无标定视觉控制，不需要对摄像机和激光平面参数进行标定，应用方便灵活。能够自动识别焊缝坡口类型，图像处理和特征提取的可靠性与适应性进一步提高，能够实现圆管单边坡口、双边坡口、对接等类别焊缝的在线纠偏自动焊接。该埋弧焊接系统，已经开始推广应用到压力容器、罐体等圆管工件的焊接生产中。

 

与山东山大奥太电气公司联合研制开发了基于视觉的焊缝跟踪系统，分别于2004年和2006年在亚洲最大的焊接与切割展览会——埃森展览会上进行了联合展示。其中在2004年埃森展会上，我们展出的基于视觉的焊缝跟踪系统，是国内参展商中唯一的基于先进结构光视觉方法的焊缝跟踪系统产品，引起了广泛的关注，得到了良好的展览效果。2006年埃森展会上，我们进行了独家的现场实时跟踪系统演示，以出色的现场表现和合理的价格吸引了广大厂家和用户的注意力，成为展品中的一大亮点。

在已有的研究基础上，课题组2006年得到国家“863”计划“大型工件焊接的智能技术与设备研究”项目支持，研究面向重大设备的焊接制造装备与控制技术。