焊接机器人焊缝跟踪与仿真技术

由于机器人焊接的特殊性和复杂性，目前国内外实际焊接生产使用的机器人，总的来说绝大多数还是“示教-再现”型的“盲人”机器人，这种类型的机器人对于焊接环境的一致性要求异常严格，其焊接路径和相关参数都是需要预先设置的。

但是在实际的焊接中常常因为存在变形、变散热、变间隙、变错边、工件加工误差和装配误差等因素造成焊缝位置和尺寸的变化，导致焊缝和示教轨迹有偏差。要让机器人模拟熟练焊工进行智能化焊接，就必须给“盲人”机器人安装“眼睛”和“大脑”，其中机器人的“眼睛”就是视觉传感系统，“大脑”就是机器人跟踪控制系统，让机器人能够自主导引、寻找初始焊位并对焊接过程进行实时焊缝跟踪控制。

通过视觉传感的方式对焊接工作空间进行重建，识别工件位置，并将焊枪准确移动到初始焊接位置，在引弧后控制机器人保持对焊缝的跟踪。这样提高了机器人的自主焊接水平，解决人工示教效率低的问题。安装多功能智能化视觉系统，是实现智能化机器人焊接的重要手段之一。

《焊接机器人跟踪与仿真技术》有针对性地阐述了焊接机器人图像传感与处理、机器人焊接自主导引与跟踪、焊接机器人建模与控制、焊接机器人离线仿真等关键技术。在介绍基础性知识的同时，对专业性内容进行了适度的阐述解析与探讨，力求为读者展示当前焊接机器人传感与仿真技术，拓展读者的思维方式。

全书共五章，第1章绪论，第2章介绍焊接机器人图像传感与处理，第3章介绍机器人焊接自主导引与跟踪，第4章介绍焊接机器人建模与控制，第5章介绍焊接机器人离线仿真。

▼ 目 录

前言

第1章 绪论1

1.1 机器人的定义1

1.2 机器人的发展历程2

1.2.1 机器人的产生与发展2

1.2.2 工业机器人发展现状4

1.3 焊接机器人的分类及发展5

1.4 焊接机器人技术6

1.5 本章小结8

第2章 焊接机器人图像传感与处理9

2.1 引言9

2.2 激光视觉传感器的设计10

2.2.1 激光视觉传感器的结构10

2.2.2 传感器中关键部件的选型10

2.3 焊接硬件系统14

2.4 外围软件系统15

2.5 视觉系统标定16

2.5.1 相机系统标定16

2.5.2 手-眼系统标定17

2.6 电弧区域的提取及作用18

2.7 基于视觉注意模型的激光条纹的提取19

2.7.1 多区域多方向Gabor滤波20

2.7.2 非均匀性度量22

2.7.3 亮度突变性度量23

2.7.4 综合显著图的生成25

2.7.5 基于聚类的干扰数据的去除26

2.8 T形接头腹板上边沿轮廓线的提取28

2.9 斜率突变点的提取29

2.9.1 焊缝轮廓预处理30

2.9.2 斜率计算与平滑31

2.9.3 斜率单调区间的获取31

2.9.4 单调区间斜率跨度的OTSU分割32

2.10 焊缝轮廓局部极值点的提取33

2.11 焊缝轮廓特征点提取算法有效性的验证33

2.12 本章小结35

第3章 机器人焊接自主导引与跟踪37

3.1 引言37

3.2 导引与跟踪系统38

3.3 视觉传感系统39

3.3.1 主动视觉传感器39

3.3.2 被动视觉传感器41

3.4 焊缝跟踪软件系统44

3.5 焊缝跟踪系统自动标定46

3.6 机器人焊缝跟踪图像处理47

3.6.1 被动视觉焊缝图像处理47

3.6.2 主动视觉焊缝图像处理49

3.7 初始焊位导引53

3.7.1 三维点云重建过程54

3.7.2 基于KD树的点云背景减除57

3.7.3 焊接工件分割与拟合59

3.7.4 焊缝与焊接起始点检测60

3.8 焊缝跟踪控制62

3.8.1 实验系统62

3.8.2 精度验证实验63

3.8.3 焊缝跟踪结果64

3.9 本章小结68

第4章 焊接机器人建模与控制69

4.1 引言69

4.2 机器人自动焊接中常见建模方法69

4.3 智能化机器人焊接系统的混杂特性及模型预测控制研究70

4.3.1 智能化机器人焊接过程的混杂特性70

4.3.2 机器人T形接头多层多道自主焊接的HS分析72

4.3.3 焊枪运动特性分析72

4.3.4 机器人多层多道自主焊接过程的自动机描述73

4.3.5 模型预测控制与焊接77

4.3.6 MIQP问题78

4.4 焊枪偏差实时获取79

4.5 焊缝跟踪控制方案80

4.5.1 焊枪纠偏控制方案80

4.5.2 多层多道自主焊接控制流程82

4.6 无弧跟踪轨迹为参考输入的MPC83

4.6.1 预测模型83

4.6.2 基于带约束遗传算法的MPC滚动优化设计87

4.6.3 TTWARIMPC的反馈校正90

4.6.4 MPC的离线仿真91

4.6.5 TTWARIMPC焊接试验92

4.7 优化时域参考轨迹均等的MPC95

4.8 基于增量式PID的焊缝跟踪控制97

4.9 焊接机器人信息优化控制99

4.10 焊接柔性系统建模条件100

4.10.1 系统分析100

4.10.2 焊接柔性制造系统建模方法100

4.11 焊接机器人柔性制造系统信息建模101

4.11.1 焊接机器人系统信息流特点101

4.11.2 单机器人焊接制造柔性系统建模101

4.11.3 多机器人焊接柔性制造系统建模103

4.12 焊接柔性制造系统模型结构约简104

4.13 焊接机器人柔性制造系统PN模型仿真105

4.13.1 单次仿真105

4.13.2 多次仿真105

4.14 机器人焊接柔性制造系统控制实验107

4.14.1 引言107

4.14.2 实验平台107

4.15 本章小结108

第5章 焊接机器人离线仿真110

5.1 引言110

5.2 离线编程仿真技术现状111

5.3 基于虚拟样机的焊接机器人仿真112

5.3.1 焊接机器人的参数建模112

5.3.2 焊接机器人模型的建立113

5.3.3 虚拟样机仿真前处理115

5.3.4 焊接机器人轨迹规划118

5.3.5 焊接机器人轨迹仿真122

5.3.6 仿真结果数据处理与分析125

5.4 本章小结126

参考文献128

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