摘 要

坡口焊接是中厚板钢构件的主要焊接方式，通过焊接坡口可以保证焊接的焊接度。当前工业上坡口焊接主要依赖于人工焊接，存在着效率低，对人体有害等问题，也阻碍了焊接作业的自动化进程。本文采用了机器人代替人工焊接坡口，采用了基于机器视觉的测量方法对坡口进行检测，并进行了相关的坡口检测实验与焊接轨迹实验，对基于机器视觉和机器人控制的坡口焊接系统的研究具有一定的理论和实际意义。

本文主要的工作：

（1）设计了针对中厚板钢构件的基于机器视觉和机器人控制的坡口焊接系统总体方案，通过对比现有的表面三维信息测量方法的优缺点，选择了采用线结构光视觉测量方法测量钢构件表面，并对线结构光视觉测量设备和实验用机器人进行了选型。

（2）建立了基于线结构光视觉测量方法的坡口检测系统，设计了一种坡口三维信息的提取算法和坡口焊接的分层分道算法，实现了坡口的在线检测和重构，以及坡口三维数据的提取与处理。

（3）采用了机器人逆解算法进行焊接机器人各关节的逆运动学求解，建立了基于matlab的机器人运动学模型，并利用机器人运动学模型对求解结果进行仿真分析，采用了基于多项式插值的轨迹规划算法进行了机器人关节变量的轨迹规划。

（4）搭建了基于机器视觉和机器人控制的坡口焊接系统，进行了基于线结构光视觉测量方法的钢构件表面检测实验和机器人焊接轨迹实验，验证了系统对坡口测量和处理的准确性，证明了系统的可行性。

关键词：坡口焊接 坡口三维数据处理 线结构光视觉 机器人控制

Abstract

Groove welding is the main welding method for steel plates with medium and thick plates. Welding groove can guarantee welding quality. The current industrial groove welding mainly relies on artificial welding, which has the problems of low efficiency and harmful to human body, and also hinders the automatic process of welding operations. In this paper, a robot is used to replace the artificial welding groove, and a measurement method based on machine vision is used to detect the groove, and related groove detection experiments and welding trajectory experiments are carried out. This research has theoretical and practical significance for the research of groove welding system based on machine vision and robot control.

The contribution of this paper:

(1) The overall scheme of the groove welding system based on machine vision and robot control for medium and thick plate steel components is designed. By comparing the advantages and disadvantages of the existing surface 3D information measurement method, the line structure light vision measurement method is selected to measure the surface of the steel components, and the line structured light vision measuring equipment and robots are selected.

(2) A groove detection system based on line structured light vision measurement method is established. A groove three-dimensional information extraction algorithm and the welding paths generation algorithm of the groove welding are designed to realize the groove online detection and reconstruction, as well as the groove 3D data extraction and processing.

(3) The robot inverse solution algorithm is used to solve the inverse kinematics of each joint of the welding robot. The robot kinematics model based on matlab is established. The robot kinematics model is used to simulate and analyze the solution results. The trajectory planning algorithm based on polynomial interpolation is used to plan the joint variables of the robot.

(4) A groove welding system based on machine vision and robot control is built, a steel component surface detection experiment based on the line structure light vision measurement method and a robot welding trajectory experiment are carried out, the accuracy of the system in measuring and processing the groove is verified, and the feasibility of the system is proved.

Key Words: groove welding; 3D data processing of groove; vision of line structured light; robot control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 坡口焊接和基于机器视觉的焊接机器人研究现状 1

1.2.2 基于机器视觉的测量技术研究现状 2

1.2.3 机器人运动学和轨迹规划研究现状 3

1.3 课题来源 3

1.4 本文主要研究内容 3

第2章 基于机器视觉和机器人控制的坡口焊接系统方案 5

2.1 系统总体方案设计 5

2.2 三维信息测量方案设计 5

2.3 系统主要硬件选型 10

2.3.1 线结构光测量设备选型 10

2.3.2 机器人设计 10

2.4 本章小结 11

第3章 机器人运动学模型的建立 12

3.1 实验机器人介绍 12

3.2 机器人运动学 12

3.3 机器人DH参数的建立 12

3.4 基于matlab的机器人运动学分析 15

3.4.1 机器人模型的建立 15

3.4.2 机器人的正运动学与逆运动学 16

3.4.3 机器人的工作空间 17

3.5 轨迹规划 18

3.5.1 关节空间轨迹规划 18

3.5.2 笛卡尔空间轨迹规划 19

3.6 本章小结 20

第4章 焊接坡口的检测与数据处理 21

4.1 检测方案设计 21

4.2 带有坡口的钢构件表面特点分析 21

4.3 测量结果分析 22

4.3.1 点云数据 22

4.3.2 坡口部分提取 23

4.3.3 点云重构 26

4.4 坡口点云处理 27

4.4.1 坡口焊接加工工艺 27

4.4.2 焊接路径生成 28

4.5 本章小结 29

第5章 坡口检测与机器人焊接轨迹实验 31

5.1 搭建坡口检测与机器人焊接系统实验平台 31

5.1.1 实验平台组成 31

5.1.2 实验平台搭建 31

5.2 坡口检测与重构实验 32

5.2.1 测量钢构件表面三维点云信息 32

5.2.2 钢构件上表面点云数据提取与重构 32

5.2.3 坡口点云数据提取与重构 33

5.3 坡口检测实验数据处理 33

5.3.1 坡口分层分道 33

5.3.2 生成焊缝间移动路径 34

5.4 机器人焊接轨迹实验 34

5.4.1 生成机器人六关节逆解 35

5.4.2 生成焊接机器人末端移动轨迹 36

5.4.3 机器人轨迹规划 37

5.4.4 机器人控制信号的传输 38

5.5 本章小结 39

第6章 总结与展望 40

6.1 全文总结 40

6.2 课题展望 40

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

从日用品到高科技产品制造领域，焊接技术已经在社会发展与建设中应用广泛，焊接技术水平的提高对我国工业化水平的提高具有重要意义^[1]。坡口是焊接时在工件焊接位置加工或装配成的具有一定几何形状的沟槽，可以提高焊接后工件的结合度。当前工业上坡口焊接一般采用传统的使用人工完成焊接的方法，效率较低，而焊接过程中会产生大量的有毒气体、强光、粉尘、噪音等，对焊接工人的身体造成有害的影响，而且长时间的焊接工作，容易造成工人疲劳，影响焊接的质量。因此，不使用人工完成焊接工作的新型坡口焊接技术成为发展的趋势^[2]。

随着工业化水平的提高和机器人技术的发展，焊接机器人在工业上得到了越来越广泛的应用^[3]。焊接机器人能够代替工人完成焊接工作，且具备更高的精度与效率，能保障焊接工作的质量与速度，并避免了工人长时间在有害的焊接作业环境中工作。现阶段的焊接机器人一般采用人工示教的方式引导机器人运动，这种方式的工作量大、耗时长、对工件定位精度要求高，因此需要一种能够自动识别并确定焊接位置的焊接机器人。