基于雙目視覺的焊接機器人系統研究及應用

楊翠珠

(北方民族大學 電氣信息工程學院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

隨著全球自動化及智能機器人技術的不斷發展,焊接機器人代替傳統的手工焊接已成為一種趨勢,自動化焊接使焊接產品的質量得到提升,可靠性及穩定性不斷增強,很大程度上提高了焊接效率。本文對自動化焊接技術進一步深入研究,設計基于雙目視覺的焊接機器人,對實現對大型鑄件復雜焊縫的自動化焊接,具有重要意義。

1 焊接機器人研究現狀及存在的問題

國外對焊接機器人技術研究較早。1997年,瑞典ASEA公司研制的LaserTrack視覺跟蹤系統,對焊縫路徑不需提前進行示教,能夠自主尋找焊縫初始點并進行跟蹤,跟蹤精度為0.4 mm[1]。2019年,Bi D等[2]設計了一套基于雙目視覺定位系統的管-管焊接機器人,實現對焊縫的實時跟蹤及焊槍的精確定位。

相比較國外,我國研究人員對焊接機器人技術研究相對較晚,但在自動化焊接領域也取得了一定的研究成果。2017年,范明洋等[3]提出一種基于線結構光的曲線焊縫自動化焊接技術,具有良好的檢測精度。2021年,付瑤等[4]研究轉向架生產中橫梁組成的內腔焊縫自動化焊接技術,創新了口字形焊法,實現自動化焊接。

焊接機器人技術發展迅速,但仍然存在很多問題,如對于焊接環境艱難、焊縫位置不易檢測識別的情況,尤其是對工廠大型鑄件復雜焊縫的焊接。由于鑄件較大且焊縫不易檢測識別,目前大多采用傳統的人工焊接方式,效率低且焊接產品質量不穩定,因此,需要對相應的焊接機器人技術進一步深入研究。

2 焊接機器人系統構成及相關原理

2.1 焊接機器人系統

為解決復雜焊縫的自動化焊接問題,本文設計基于雙目視覺的焊接機器人系統。系統分為硬件部分和軟件部分。硬件部分為雙目相機、機械臂;軟件部分利用Python、OpenCV、Matlab等技術完成焊縫的自動化焊接。系統軟件實現流程如圖1所示。

圖1 系統軟件實現流程

2.2 相關工作原理概述

系統主要完成焊縫的識別與定位工作。進行焊縫識別時,需先利用雙目相機拍攝焊縫圖像。相機成像模型中有四大坐標系:像素坐標系、圖像坐標系、相機坐標系及世界坐標系。通過這四大坐標系之間的轉換關系,以及相機成像模型確定目標物體在空間中的三維坐標和成像平面上對應點的映射關系。

2.2.1 坐標系的建立

(1) 像素坐標系。

圖像中的像素點即圖像位置,屬于二維平面坐標系,像素坐標系的原點位于圖像左上角,原點為O(u,v),u、v軸表示像素點在像素坐標系中的行數、列數,單位為像素(pixel)。任意一點在像素坐標系中可表示為(u,v)。

(2) 圖像坐標系。

圖像坐標系即物理坐標系,原點為相機中心,與成像平面的交點O(u0,v0)也稱為主點,x、y軸方向與像素坐標系坐標軸方向相同,單位為mm,任一點可表示為(x,y)。

(3) 相機坐標系。

以相機光心為原點建立的坐標系,屬于三維坐標系,XC、YC軸方向與圖像坐標系方向一致,ZC軸為相機的光軸,與圖像坐標系平面垂直,各個坐標軸可用右手坐標系規則確定,空間一點在相機坐標系中可表示為(XC,YC,ZC)。

(4) 世界坐標系。

真實物體存在的坐標系,又稱大地坐標系。通常為了方便計算,將圖像左下角設為世界坐標系原點OW,單位為mm。空間中任一點在世界坐標系中可表示為(XW,YW,ZW)。

2.2.2 坐標系間的轉化

雙目視覺系統中,通過四大坐標系之間的轉換,可以實現圖像中任意一點的三維重建。假設空間中一點P,像素坐標系下的坐標為(u,v),圖像坐標系下的坐標為(x,y),相機坐標系下的坐標為(XC,YC,ZC),世界坐標系下的坐標為(XW,YW,ZW)。

(1)

(2)

式(2)中,M0為相機內參矩陣,M1為相機外參數矩陣,其中,旋轉矩陣R為兩坐標系之間得相對位姿,T為相機基線長度。

2.2.3 焊縫檢測識別

本系統對焊縫進行檢測識別時,需要先對圖像進行預處理操作,如直方圖均衡化、灰度對數變換、雙邊濾波等。進行檢測識別時,可采用Blob算法檢測、LOG算子檢測、Canny邊緣檢測算子等檢測算法,具體根據焊縫特征選取檢測算法,本文采用LOG算子檢測,能較為準確地對焊縫進行檢測識別。

2.2.4 焊縫軌跡規劃

本系統實現對焊縫的檢測識別后,還需對焊縫進行軌跡規劃,確定焊縫在機器人基坐標系下的空間軌跡方程,實現機器人對焊縫的自動化焊接。焊接機器人的軌跡規劃分為關節空間軌跡規劃和笛卡爾空間軌跡規劃,主要方法有多項式差值、曲線擬合等方法。本文采用多項式插值法,結合焊縫的描述方程及運動學相關約束條件,確定焊縫的軌跡方程。

3 焊接機器人的發展及應用

近年來,各個國家對科學技術越發重視,機器人的研究水平也成為各國科學技術水平重要的衡量標準。因此,需要對焊接機器人的發展趨勢及工業應用進行研究與分析。

3.1 焊接機器人的發展趨勢

3.1.1 智能化發展

目前,智能化發展已經成為我國自動化焊接技術的重要發展方向,將智能控制技術融合到自動化焊接技術中,保證生產過程快速、穩定地進行,實現焊接過程的智能化。

3.1.2 網絡化發展

隨著計算機技術的不斷發展,焊接機器人系統中融入計算機網絡體系,進一步增強焊接過程的自動化管理,實現自動化焊接過程的一體化控制。同時,當設備出現故障無法正常運行時,計算機網絡技術可以通過遠程監控排查故障問題,并及時采取相應的解決措施。

3.1.3 高效化發展

焊接機器人對產品進行焊接時,不僅要考慮焊接速度,還要保證焊接質量,傳統的手工焊接難以滿足這兩個要求。而焊接機器人不僅能實現批量化焊接,還能保證焊接產品的質量,實現焊接過程的精準控制,效率高且穩定可靠。

3.2 焊接機器人的工業應用

3.2.1 智能化焊接專機

智能化焊接專機為一定形狀的焊接接頭,焊接特定工件的焊接機器人,主要融合視覺傳感器技術和自動化焊接技術。智能化焊接專機通過視覺傳感器實時獲取焊接產品信息,并利用計算機軟件技術,進行智能控制,實現自動化焊接。目前,由于智能化焊接專機焊接產品的質量難以得到保證,因此有待進一步提高。

3.2.2 自動化焊接機器人

隨著焊接行業對自動化焊接技術的要求不斷提高,智能化焊接專機已不能滿足當代社會的焊接要求,此時焊接效率更高,焊接質量更好的焊接機器人逐漸發展起來,并在焊接領域被廣泛應用。焊機機器人作為一種多功能、可重復編程的自動控制操作機,不僅提高了焊接產品的生產效率,實現穩定、高質量焊接,還縮短了產品的生產周期,改善了工人的勞作強度,同時減少了相應設備的投資。

4 結語

焊接機器人技術在各個行業廣泛應用,發揮著越來越重要的作用。本文就焊接機器人研究現狀進行分析,并針對工廠大型鑄件復雜焊縫焊接困難問題,設計基于雙目視覺的自動化焊接系統,概述相關原理以及焊接機器人的發展趨勢及工業應用。研究表明高效率、高質量的自動化焊接機器人為大型鑄件復雜焊縫的自動化焊接、批量化生產確定了方向。