基于视觉传感的焊缝自动跟踪系统

摘要.................... ........................................................................................ I ABSTRACT ....................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)

1.1课题研究的背景 (1)

1.2国内外焊缝跟踪技术发展现状及分析 (3)

1.2.1国外研究现状 (4)

1.2.2国内研究现状 (7)

1.2.3未来发展趋势 (9)

1.3存在的问题 (10)

1.4课题来源及主要研究内容 (11)

第2章系统总体方案设计 (12)

2.1引言 (12)

2.2焊缝自动跟踪系统的关键技术 (12)

2.3焊缝跟踪系统常用的自动控制算法 (13)

2.4焊缝自动跟踪系统总体方案设计 (19)

2.5本章小结 (20)

第3章硬件系统设计 (21)

3.1引言 (21)

3.2硬件选型 (21)

3.2.1 激光发射器模块 (21)

3.2.2 视觉传感器模块 (23)

3.2.3 控制处理模块 (26)

3.2.4 执行机构 (29)

3.2.5 机械结构模型的设计 (33)

3.3硬件系统搭建 (33)

3.4本章小结 (35)

第4章软件设计 (37)

4.1引言 (37)

4.2PID算法的应用 (37)

4.2.1 调节周期估算 (37)

4.2.2 比例系数算法 (38)

4.2.3 积分系数估算 (40)

4.2.4 微分系数估算 (40)

4.3软件设计 (40)

4.4本章小结 (42)

第5章实验数据与分析 (43)

5.1引言 (43)

5.2实验与数据 (43)

5.3数据分析 (46)

5.4稳定性实验 (47)

5.5本章小结 (47)

结论 (48)

参考文献 (49)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (53)

致谢. (54)

第1章绪论

1.1 课题研究的背景

对于焊接技术来说，就是采用恰当的手段将原本处于分离状态的两个物体，产生分子运动或者是原子运动，从而使其合二为一的连接方法[1]。这种技术在机械行业具有十分重要的地位，是机械行业不可或缺的一项技术手段[2]。然而在焊接过程中，由于焊接热源等方面的影响，使得存在局部加热的情况，使得焊接区熔化成为熔池，但是与其相邻的区域由于物理因素，而受到其他材料的限制，所以其压缩塑性并不均匀，同时已经发生变形的材料由于受到其他因素的影响，其收缩受到了一定限制；由于熔池在凝固的过程中，同时会产生应力和变形等情况[3]，从而对焊接的位置有影响，产生偏差。

基于上述问题确定了本课题研究的目的：研究一种焊缝实时自动跟踪系统。该系统利用传感器检测焊接过程的机械运动，并将传感器采集到的焊缝信息传输给控制处理系统，采用适当的控制方法进行信号处理，得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置，以实现焊接过程中的自动化控制。

近些年来，焊接技术在我国虽然得到了迅速的发展，但是在现代化程度上还不够高，与全球内的一些发达国家相比还是有很大差距的。在今后的几年或者是几十年里,重工业依然是我国整个国民经济的命脉,而焊接设备仍就是以钢铁作为主要的焊接对象。而一个熟练的焊工一天的工作量可以焊8mm 的焊缝16米，可以说使用人力来进行焊接不但费时又费力。因此，通过焊缝自动跟踪系统来实现焊接过程自动化和智能化，是使焊接工作具有高质量、高效率、良好的工作环境的唯一解决途径[4]。

焊接的自动跟踪控制属于生产过程自动控制技术的一个分支，所以把自动化控制理论应用到焊接的自动控制中是完全可行的。从自动控制的观点来看，焊接特别是电弧焊和其他的加工过程的控制有着明显的不同，所以焊接的自动控制也与其他的自动化加工过程的控制有不同的特点。

传感技术和计算机信息处理技术的结合，使得千变万化的焊缝自动跟踪系统随之产生[5]。焊缝自动跟踪系统主要由激光发生器模块、视觉传感器模块、控制处理模块、执行机构几部分组成，其中传感器对跟踪系统的性能影响最为重要，是实现高精度的焊缝自动跟踪系统的关键因素[6,7]。

强烈的弧光、烟雾、飞溅、电磁、噪声、高温和保护气体等这些焊接环