激光焊接中窄間隙對接拼縫視覺檢測和跟蹤方法研究.pdf

1、在航空航天制造領域，薄壁結構件上的拼縫多由三維薄壁曲面焊件拼接而成，為窄間隙無錯邊量的對接接頭形式拼縫。激光焊接工藝要求激光焦點中心沿著拼縫中心軌跡精確運動并相對拼縫表面保持合適的離焦量，激光束的出射方向也應隨著拼縫局部表面法矢的改變而實時調整。目前常用的拼縫跟蹤傳感器由于其橫向測量分辨率或測量原理的限制，無法穩(wěn)定和準確地檢測出間隙和錯邊量均小于0.1 mm的窄間隙對接接頭的拼縫寬度、中心位置和深度信息，且不能直接測量得到拼縫表面法矢。

2、同時，拼縫測量超前導致偏差補償有一定的時滯，且熱應力造成的拼縫變形擾動是隨機的，高精度拼縫偏差補償也是突出的難點問題。
　　本學位論文針對以上兩方面的問題，面向航空航天結構件高速高精激光焊接，開展了窄間隙對接拼縫二維和三維信息的測量與跟蹤補償控制的研究。研究內(nèi)容包括：窄景深對接拼縫圖片特征提取圖像處理算法，窄景深對接拼縫二維和三維信息測量方法以及拼縫偏差跟蹤補償控制。
　?。?）通過放大鏡頭獲取的窄景深拼縫圖片中離焦和聚焦區(qū)

3、域共存，常用的分割方法很難準確分割其聚焦區(qū)域，且現(xiàn)有的拼縫邊緣檢測算法時間復雜度較高。因此，提出了一種針對拼縫圖片的聚焦區(qū)域分割算法，并在此基礎上提出一種基于采樣方法的快速拼縫邊緣提取算法。首先對窄景深拼縫圖像進行了多種清晰度評價函數(shù)評價效果的準確性和算法的時間復雜度的分析。然后利用形態(tài)學重建和閾值分割等方法實現(xiàn)清晰區(qū)域分割。最后，根據(jù)分割得到區(qū)域灰度的分布特點，采樣若干圖像帶進行分析而達到快速邊緣檢測的目的。
　?。?）針對線結

4、構光傳感器和普通無放大倍數(shù)相機難以實現(xiàn)對窄對接拼縫進行精確穩(wěn)定的拼縫二維信息測量的問題，提出了窄景深拼縫測量原理，設計了相應的視覺測量系統(tǒng)，并給了出了相應的圖像處理算法。首先介紹了利用高倍光學放大鏡頭的測量原理，并建立了圖像坐標系到測量坐標系變換的數(shù)學模型。接著，提出了一種拼縫圖片清晰區(qū)域中心線提取的圖像處理算法。以中心線為基準進行垂直采樣后進行拼縫邊緣提取，即可實現(xiàn)拼縫寬度和中心位置的測量。最后對測量精度進行驗證，拼縫寬度的測量精度達

5、到0.006 mm，拼縫中心位置的檢測精度達到0.008 mm，最小識別拼縫寬度為0.02 mm，處理一幅圖片的時間小于9 ms。
　?。?）針對現(xiàn)有拼縫視覺測量方法很難同時對窄對接拼縫進行二維和三維信息精確測量的問題，提出了一種基于對焦測距的拼縫深度信息提取方法，以及一種通過窄景深清晰區(qū)域中心線和邊界線來計算拼縫表面法矢的方法。利用窄景深圖片離焦與聚焦區(qū)域共存的特點，并依據(jù)顯微圖片對焦測距的原理，提出了一種與光軸方向運動跟隨相結

6、合的高精度拼縫深度信息測量方法，并解決了景深小造成的深度測量范圍窄的問題。給出了與運動控制相結合的法矢信息測量方法。通過對獲取的足夠相鄰的兩幅拼縫圖片的清晰區(qū)域中心線進行平面擬合即可得到拼縫局部表面法矢。另外，建立了清晰區(qū)域的兩條邊界線與拼縫表面法矢關系的數(shù)學模型，實現(xiàn)了通過單幅窄景深圖片計算拼縫表面法矢的算法。通過驗證試驗對測量精度進行驗證，深度信息測量精度可達0.01 mm，兩種法矢信息測量方法的精度分別為0.5°和1.66°。

7、r>　?。?）針對現(xiàn)有的拼縫偏差補償控制方法無法對窄對接接頭的拼縫偏差進行精確和穩(wěn)定調節(jié)的問題，本文提出了一種與偏差前瞻技術相結合的模糊自適應PID拼縫偏差調節(jié)算法。首先，設計了適合快速響應的獨立式的偏差補償控制方式。提出了拼縫偏差前瞻的數(shù)學模型，對偏差奇點進行預判并保證機床以安全速度通過偏差奇點。在此基礎上，提出了模糊PID調節(jié)算法，并設計了模糊控制器，根據(jù)拼縫偏差和偏差變化率對PID參數(shù)進行自適應調整。最后，通過仿真實驗對比了幾種典

8、型的拼縫偏差調節(jié)算法，驗證了本文方法優(yōu)良的性能。
　?。?）在基于視覺測量的焊接實驗平臺進行焊接驗證。在對窄對接接頭焊接需求分析的基礎上，搭建了龍門式激光焊接機床機械平臺，設計了基于上下位機的控制系統(tǒng)軟硬件平臺。上位機主要實現(xiàn)拼縫圖像的采集，拼縫圖像特征提取和焊接運動軌跡規(guī)劃；下位機主要負責邏輯控制，實時插補和實時偏差補償。
　　在該實驗平臺上實現(xiàn)了對拼縫的二維三維信息的測量及跟蹤控制實驗并與其他方法的跟蹤結果進行對比，證實