激光焊接中窄間隙對(duì)接拼縫視覺(jué)檢測(cè)和跟蹤方法研究.pdf

1、在航空航天制造領(lǐng)域，薄壁結(jié)構(gòu)件上的拼縫多由三維薄壁曲面焊件拼接而成，為窄間隙無(wú)錯(cuò)邊量的對(duì)接接頭形式拼縫。激光焊接工藝要求激光焦點(diǎn)中心沿著拼縫中心軌跡精確運(yùn)動(dòng)并相對(duì)拼縫表面保持合適的離焦量，激光束的出射方向也應(yīng)隨著拼縫局部表面法矢的改變而實(shí)時(shí)調(diào)整。目前常用的拼縫跟蹤傳感器由于其橫向測(cè)量分辨率或測(cè)量原理的限制，無(wú)法穩(wěn)定和準(zhǔn)確地檢測(cè)出間隙和錯(cuò)邊量均小于0.1 mm的窄間隙對(duì)接接頭的拼縫寬度、中心位置和深度信息，且不能直接測(cè)量得到拼縫表面法矢。

2、同時(shí)，拼縫測(cè)量超前導(dǎo)致偏差補(bǔ)償有一定的時(shí)滯，且熱應(yīng)力造成的拼縫變形擾動(dòng)是隨機(jī)的，高精度拼縫偏差補(bǔ)償也是突出的難點(diǎn)問(wèn)題。
　　本學(xué)位論文針對(duì)以上兩方面的問(wèn)題，面向航空航天結(jié)構(gòu)件高速高精激光焊接，開展了窄間隙對(duì)接拼縫二維和三維信息的測(cè)量與跟蹤補(bǔ)償控制的研究。研究?jī)?nèi)容包括：窄景深對(duì)接拼縫圖片特征提取圖像處理算法，窄景深對(duì)接拼縫二維和三維信息測(cè)量方法以及拼縫偏差跟蹤補(bǔ)償控制。
　?。?）通過(guò)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(zhǔn)確分割其聚焦區(qū)域，且現(xiàn)有的拼縫邊緣檢測(cè)算法時(shí)間復(fù)雜度較高。因此，提出了一種針對(duì)拼縫圖片的聚焦區(qū)域分割算法，并在此基礎(chǔ)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(duì)窄景深拼縫圖像進(jìn)行了多種清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)價(jià)效果的準(zhǔn)確性和算法的時(shí)間復(fù)雜度的分析。然后利用形態(tài)學(xué)重建和閾值分割等方法實(shí)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(diǎn)，采樣若干圖像帶進(jìn)行分析而達(dá)到快速邊緣檢測(cè)的目的。
　　（2）針對(duì)線結(jié)

4、構(gòu)光傳感器和普通無(wú)放大倍數(shù)相機(jī)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)窄對(duì)接拼縫進(jìn)行精確穩(wěn)定的拼縫二維信息測(cè)量的問(wèn)題，提出了窄景深拼縫測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，并給了出了相應(yīng)的圖像處理算法。首先介紹了利用高倍光學(xué)放大鏡頭的測(cè)量原理，并建立了圖像坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系變換的數(shù)學(xué)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(zhǔn)進(jìn)行垂直采樣后進(jìn)行拼縫邊緣提取，即可實(shí)現(xiàn)拼縫寬度和中心位置的測(cè)量。最后對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，拼縫寬度的測(cè)量精度達(dá)

5、到0.006 mm，拼縫中心位置的檢測(cè)精度達(dá)到0.008 mm，最小識(shí)別拼縫寬度為0.02 mm，處理一幅圖片的時(shí)間小于9 ms。
　?。?）針對(duì)現(xiàn)有拼縫視覺(jué)測(cè)量方法很難同時(shí)對(duì)窄對(duì)接拼縫進(jìn)行二維和三維信息精確測(cè)量的問(wèn)題，提出了一種基于對(duì)焦測(cè)距的拼縫深度信息提取方法，以及一種通過(guò)窄景深清晰區(qū)域中心線和邊界線來(lái)計(jì)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(diǎn)，并依據(jù)顯微圖片對(duì)焦測(cè)距的原理，提出了一種與光軸方向運(yùn)動(dòng)跟隨相結(jié)

6、合的高精度拼縫深度信息測(cè)量方法，并解決了景深小造成的深度測(cè)量范圍窄的問(wèn)題。給出了與運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合的法矢信息測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)獲取的足夠相鄰的兩幅拼縫圖片的清晰區(qū)域中心線進(jìn)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(guān)系的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)單幅窄景深圖片計(jì)算拼縫表面法矢的算法。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，深度信息測(cè)量精度可達(dá)0.01 mm，兩種法矢信息測(cè)量方法的精度分別為0.5°和1.66°。

7、r>　?。?）針對(duì)現(xiàn)有的拼縫偏差補(bǔ)償控制方法無(wú)法對(duì)窄對(duì)接接頭的拼縫偏差進(jìn)行精確和穩(wěn)定調(diào)節(jié)的問(wèn)題，本文提出了一種與偏差前瞻技術(shù)相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PID拼縫偏差調(diào)節(jié)算法。首先，設(shè)計(jì)了適合快速響應(yīng)的獨(dú)立式的偏差補(bǔ)償控制方式。提出了拼縫偏差前瞻的數(shù)學(xué)模型，對(duì)偏差奇點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判并保證機(jī)床以安全速度通過(guò)偏差奇點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了模糊PID調(diào)節(jié)算法，并設(shè)計(jì)了模糊控制器，根據(jù)拼縫偏差和偏差變化率對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了幾種典

8、型的拼縫偏差調(diào)節(jié)算法，驗(yàn)證了本文方法優(yōu)良的性能。
　　（5）在基于視覺(jué)測(cè)量的焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行焊接驗(yàn)證。在對(duì)窄對(duì)接接頭焊接需求分析的基礎(chǔ)上，搭建了龍門式激光焊接機(jī)床機(jī)械平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于上下位機(jī)的控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)拼縫圖像的采集，拼縫圖像特征提取和焊接運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)邏輯控制，實(shí)時(shí)插補(bǔ)和實(shí)時(shí)偏差補(bǔ)償。
　　在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)拼縫的二維三維信息的測(cè)量及跟蹤控制實(shí)驗(yàn)并與其他方法的跟蹤結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)