对于激光跟踪的管道焊接机器人跟踪算法研究

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1、北京石油化工学院学报第18卷第1期Vo1．18N0．1JournalofBeijingInstituteof2010年3月Mar．201OPetro—chemicalTechnology基于激光跟踪的管道焊接机器人跟踪算法研究六崔卫韬曹莹瑜黄军芬黄继强(北京石油化工学院化学工程系，北京102617)摘要研究并提出了基于激光跟踪的管道焊接机器人跟踪算法，介绍了基于激光跟踪的焊缝跟踪技术的优点，对焊缝自动跟踪过程以及该过程中前置传感滞后跟踪、实时跟踪算法等关键技术问题进行了深入探讨。管道焊接机器人的

2、工艺试验表明：该算法可有效提高基于激光跟踪的管道焊接机器人跟踪精度。关键词激光跟踪；管道焊接机器人；前置传感中图法分类号TG441．4目前，我国管道焊接施工仍以手工电弧焊精度指标相差很多]。(3)视觉传感焊缝跟踪为主，半自动焊为辅。在施工过程中，人为因素技术。当前，视觉传感焊缝跟踪技术主要有两造成的质量不稳定问题比较突出。而全位置自个研究方向：焊缝线结构光跟踪与无附加光源动焊技术在大直径厚壁压力管道焊接中全面应焊缝二维图像跟踪。焊缝线结构光跟踪的基本用尚有一定难度，其主要原因是大直径厚壁压原理是

3、：将基准光栅条纹结构光投射到焊缝表力管道的安装环缝组装难以达到均匀一致的高面，条纹随着焊缝表面的起伏发生相应的变化，精度，这就要求全位置自动焊设备能根据坡口CCD摄像机摄取工件表面图像，然后采用计算尺寸和偏差自动调整焊枪位置，从而实现焊缝机图像处理技术从被焊缝及工件表面形状调制的自动跟踪。的条纹模式中提取焊缝的三维信息，实现坡口目前管道焊接机器人可以借鉴的焊缝跟踪边缘的检测和提取。而无附加光源焊缝二维图技术有以下几种：(1)示教再现。这种方式虽然像跟踪的基本原理是：用CCD摄像机直接拍摄具有操作

4、简单、重复性好的优点，但有以下缺熔池正上方的图像，然后通过区域分割、滤波、点：要求操作者必须能在工作现场直接示教；对增强、边界提取等步骤，分别确定焊枪位置和焊实际工作过程发生的变化无法做出判断，不能缝坡口中心位置，分析焊枪中心是否和焊缝中自动调整焊矩移动和焊接参数；在某些恶劣环心一致，以实现偏差调整Erqo]。境下，直接示教很困难口]。(2)离线编程技术。通过比较不难发现，在工业环境中，焊缝线先进的离线编程系统以图形方式对模型机器人结构光跟踪法优于无附加光源焊缝二维图像跟进行示教编程，可以优化机

5、器人的运动以节省踪法。虽然后者可直接摄取熔池图像，不存在运行时间，避免机器人与环境发生碰撞。但是，前置传感滞后跟踪的问题，但是由于不采用外由于离线编程建立在机器人和环境的精确模型加光源而直接利用焊接电弧光，必然存在强烈之上，这时又引入了机器人模型不准确而造成的弧光及杂光干扰，对图像有很大的干扰；而采的误差。目前关节式机器人的定位指标给出的用外加直线激光束的焊缝线结构光跟踪方法抗都是重复定位精度，定位精度指标与重复定位干扰能力较好。笔者采用的是基于CCD的结构光法——采用直线激光束投射到焊接坡口收

6、稿日期：2009—1217上，然后进行坡口边缘的检测和提取。★国家863计划资助项目，项目号：2009AAO4Z208。10北京石油化工学院学报2010年第18卷调整N一1次，当焊炬从i一1点前进到第i点1实时跟踪工作原理与系统结构时，需调整距离为i点与i一1点之间的偏移1．1实时跟踪工作原理量，应为()减去前(N一1)个节点对应的调节由于焊接电弧的高温，跟踪系统中的CCD量。传感器不能与焊接点靠得太近，因而传感器的如记第i点相对于第i一1点的焊炬调整检测点与焊接点之间有一固定距离，这样传感量为

7、M(i)，则有：器当前获取数据是焊接点前方某一距离处焊炬M()一()一[M(i一1)+M(i一2)+⋯+与焊缝中心水平方向偏差量，当焊炬到达该点M(i一(N一1))](1)时才进行位置调整。在坡口中心与导轨问的距经式(1)计算后得到的M(i)才是焊炬从离变化不太大的情况下，可将传感器本体与焊一1点前进到i点实际需要的调整量。炬跟踪执行机构固定连接在一起，这样只需要1．2实时跟踪控制系统的结构一个跟踪执行机构，笔者采用该设计方案。实跟踪过程中传感器与焊炬的相互关系如图时跟踪原理图如图1所示。2所示

8、。图2中横坐标X取过焊接初始点并平行于轨道的一条直线，反映焊车沿导轨行走的长度，t为相应的焊车行走时间，纵坐标R为坡口中心相对X轴的偏差量，y为焊炬的调节量。实线尺(￡)为坡口中心的偏差量曲线，可视作跟踪系统的输入量，虚线y(￡)为焊炬跟踪调节曲线，可视作系统执行机构的输出量，即=y㈩一』：M㈩d￡(2砌)图1实时跟踪原理式中，M(t)为执行机构跟踪的输出量(即步进电机带动焊炬的调节量)。选取焊炬位置为基图1中，爬行机构沿着X方向移动，X为准点，即基准的位置是不断变化的。因此当焊过焊接起始点与轨