机器视觉在焊接机器人上的应用研究
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机器视觉在焊接机器人上的应用研究
研制智能焊接机器人是上述科技攻关项目的一个重要子课题，是模具自动化 生产的重要一环。一般而言，一套模块化模具需要焊接的接头愈千条，焊接任务 比较重，且 90%以上为垂直角焊缝，焊接工艺要求高。汽车覆盖件生产时模具还 要承受大型压力机的巨大压力，焊接质量要求非常高。模具型腔最小尺寸为 250mm×250mm×100mm，模具最大尺寸为 6000mm×3000mm×760mm。因此，一 个典型的模具型腔尺寸为 250mm×250mm×760mm，小而深的型腔人工根本无法进 行焊接。
本学位论文属于 1、保密□，在______年解密后适用本授权书。 2、不保密√□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名： 导师签名：
日期： 日期：
年月日 年月日
硕士学位论文
第1章 绪 论
焊接是现代制造领域的重要工艺方法之一。它在机械制造、核工业、航空航 天、能源交通、石油化工及建筑和电子行业中的应用越来越广泛。在现代社会高 速发展的今天，传统的手工焊接方法已不能满足现代高技术产品制造的质量、数 量的要求。因此，焊接生产的自动化和智能化是保证焊接质量，降低生产成本， 提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。随着电子技术、计算机技术、数控及 机器人技术的发展为焊接自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各 领域中[1]。从 21 世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化和智能化的研究和 应用已成为现代化工业生产中迫切需要解决的问题。焊接过程的自动控制包括焊 缝自动跟踪和焊接参数的自适应控制两方面的内容，由于目前在我国工件破口的 加工精度低，工件装配误差大，焊接过程中经常出现焊枪偏离甚至脱离焊缝的问 题，因此焊缝自动跟踪成为目前我国焊接自动化技术中一个迫切需要解决的关键 问题[2]。
欧、美、日等发达国家的汽车厂商已通过合资的形式进驻中国市场。我国已 加入 WTO，中国汽车市场正逐步对外对外开放，如汽车关税最终降低到 25%、取 消零部件国产化率的要求、容许外资进入汽车零售、批发、金融服务、修配和运 输等市场。我国汽车工业正面临新的挑战和机遇，从目前的现状和我国汽车工业 的底子来说，挑战远远大于机遇。
1.1 课题的提出及背景
目前我国汽车市场空前活跃、火爆，特别是轿车市场。据国家信息中心统计， 2003 年 1-2 月，汽车行业累计完成产品销售收入 1030 亿元，比上年同期增长 65.25%；全行业共实现利润 92.22 亿元，比上年同期增长 2.24 倍。轿车生产领跑 整个汽车工业，2003 年 1-2 月全行业累计汽车产量 62.7 万辆，同比增长 62.2%， 其中轿车产量完成 24.2 万辆。
图 1.1 典型工业机器视觉系统结构
作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。
本文首先阐述了该焊接机器人的系统结构，设计了焊接机器人和示教盒的串行通 信结构。在获取有关焊缝图像方面，根据结构光三角测量原理，我们采用线结构光视 觉传感器获取汽车覆盖件模具焊缝图像，并根据摄像机成像原理建立了线结构光传感 器的跟踪模型及其标定方法。
在焊缝结构光图像处理方面，提出了一套针对该焊缝的有效的快速的图像处理及 识别过程，在图像滤波方法中，根据系统实时性要求，采用 LOG 及中值滤波相结合 的方法，并提出了改进的快速的中值滤波方法。在边缘检测及直线提取中，我们采用 了 Roberts 和 Hough 变换较好的处理方法，最后提取焊缝信息直线后，可以方便地求 出焊缝中心位置坐标。
Key Words: Welding Robot; Machine Vision; Image Processing; Welding Seam Tracking
II
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。
汽车车身冲压成型的工艺和模具技术一直是汽车工业发展中的一项重要的关 键性技术。要同欧、美、日等发达国家的汽车厂商展开市场竞争，我们必须有我 们自己的关键性技术。在此大背景下，我院钟志华教授承担了国家“十五”科技 攻关项目：智能化、模块化模具快速制造工艺与装备技术。该课题瞄准汽车工业 发展所需的关键技术--汽车车身冲压成型的工艺和模具技术，以突出在新产品开发 中缩短模具设计制造周期、提高产品质量和降低成本为重点目标来进行大型汽车 覆盖件模具的快速设计制造技术研究。
In the analysis of the whole process control system,fuzzy control is introduced in automatic seam tracking ,since welding process is a process with high nonlionliar, strong coupling and time-variation.This thesis presents a Fuzzy-P controller for vision tracking and finally the errors and its reason are analyzed through the experiment of the whole system.
因此，有必要开发一套智能组焊机器人系统，利用当前的先进技术，如计算 机网络、数据库、智能控制、计算机视觉、数字图像处理等，以便快速高效、高 质高量地完成自动化焊接任务。本课题的研究正是基于这样的背景下，将机器视 觉及数字图像处理技术应用于自动化焊接系统中，从而实现焊接的自动化、智能 化。
机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的图像中提取信息， 进行处理并加工理解，最终用于实际检测、测量和控制。一个典型的工业机器视 觉应用系统包括光源、光学系统、图象捕捉系统、图象数字化模块、数字图象处 理模块、智能判断决策模块和机械执行模块[3]，如图 1.1 所示。首先采用摄象机获 得被测目标的图像信号，然后通过A/D转换变成数字信号传送给专用的图像处理 系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，然 后再根据预设的判断准则输出判断结果，去控制驱动执行机构进行处理[4]。
湖南大学 硕士学位论文 机器视觉在焊接机器人上的应用研究 姓名：崔兴强 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：王虎符
20050420
硕士学位论文
பைடு நூலகம்摘要
随着电子计算机科学（包括大规模集成电路、应用软件、计算方法）、图像处理、 光电技术、模式识别技术与理论的迅速发展，机器视觉的实际研究与应用日益得到重 视与瞩目，并不断在许多领域取得初步性的成果。本文以湖大三佳模具公司焊接机器 人为研究对象，实现其焊接自动化为目的，重点研究了机器视觉实现焊缝自动跟踪， 在已实现焊接机器人电弧跟踪的基础上，提出了一种新型的基于视觉跟踪的实现方 法，该方法结构简单，精确度及智能化程度高。
In the process of image for welding seam structure-light,this thesis presents a method for quick process and recognition of image. In filtering methods for image,we use LOG and median filter to improve real time of the system and presents a improvement method for rapid median filter.In edge detection and extracting straight lines, Roberts and Hough are taken.After extracting straight lines,we can obtain the center coordinate of welding seam easily.
I
机器视觉在焊接机器人上的应用研究
Abstract
With the rapid development of computer science(large scale integrated circuit, application software and computing method),imagine processing, optoelectric technology and pattern recognition technology, the research and application of machine vision have been getting more and more concern and many primary achievements have been done. In this thesis,the welding robot in Huda Sanjia Mould corporation is taken as study object, welding automation is taken as studying purpose and automatic seam tracking in the help of machine vision is attached great importance. This thesis presents a novel method for vision tracking based on the finished electrical arc tracking.This method with simple structure can achieve high precision and intelligence.
First, this thesis introduces the system structure of robot for welding, and designs the communication structure of serial ports for both welding robot and teaching box. In obtainment of image for welding seam, we obtain image for welding seam of the automobile mantle mould by line structure-light sensor in the help of structure-light triangulation principle, and according to vidicon imaging principle this thesis establishes the tracking model of the line structure-light sensor and its calibration technology.
在整个系统的过程控制分析中，由于焊接过程是一个高度非线性、强耦合及时变 性的复杂过程，难以建立起精确的数学模型，为此我们把模糊控制引入到焊缝自动跟 踪中，提出了应用于该视觉跟踪的 Fuzzy-P 控制器，最后通过整个系统的实验分析了 误差及其产生的原因。
关键词：焊接机器人；机器视觉；图像处理；焊缝跟踪
机器视觉在焊接机器人上的应用研究
研制智能焊接机器人是上述科技攻关项目的一个重要子课题，是模具自动化 生产的重要一环。一般而言，一套模块化模具需要焊接的接头愈千条，焊接任务 比较重，且 90%以上为垂直角焊缝，焊接工艺要求高。汽车覆盖件生产时模具还 要承受大型压力机的巨大压力，焊接质量要求非常高。模具型腔最小尺寸为 250mm×250mm×100mm，模具最大尺寸为 6000mm×3000mm×760mm。因此，一 个典型的模具型腔尺寸为 250mm×250mm×760mm，小而深的型腔人工根本无法进 行焊接。
本学位论文属于 1、保密□，在______年解密后适用本授权书。 2、不保密√□。
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作者签名： 导师签名：
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年月日 年月日
硕士学位论文
第1章 绪 论
焊接是现代制造领域的重要工艺方法之一。它在机械制造、核工业、航空航 天、能源交通、石油化工及建筑和电子行业中的应用越来越广泛。在现代社会高 速发展的今天，传统的手工焊接方法已不能满足现代高技术产品制造的质量、数 量的要求。因此，焊接生产的自动化和智能化是保证焊接质量，降低生产成本， 提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。随着电子技术、计算机技术、数控及 机器人技术的发展为焊接自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各 领域中[1]。从 21 世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化和智能化的研究和 应用已成为现代化工业生产中迫切需要解决的问题。焊接过程的自动控制包括焊 缝自动跟踪和焊接参数的自适应控制两方面的内容，由于目前在我国工件破口的 加工精度低，工件装配误差大，焊接过程中经常出现焊枪偏离甚至脱离焊缝的问 题，因此焊缝自动跟踪成为目前我国焊接自动化技术中一个迫切需要解决的关键 问题[2]。
欧、美、日等发达国家的汽车厂商已通过合资的形式进驻中国市场。我国已 加入 WTO，中国汽车市场正逐步对外对外开放，如汽车关税最终降低到 25%、取 消零部件国产化率的要求、容许外资进入汽车零售、批发、金融服务、修配和运 输等市场。我国汽车工业正面临新的挑战和机遇，从目前的现状和我国汽车工业 的底子来说，挑战远远大于机遇。
1.1 课题的提出及背景
目前我国汽车市场空前活跃、火爆，特别是轿车市场。据国家信息中心统计， 2003 年 1-2 月，汽车行业累计完成产品销售收入 1030 亿元，比上年同期增长 65.25%；全行业共实现利润 92.22 亿元，比上年同期增长 2.24 倍。轿车生产领跑 整个汽车工业，2003 年 1-2 月全行业累计汽车产量 62.7 万辆，同比增长 62.2%， 其中轿车产量完成 24.2 万辆。
图 1.1 典型工业机器视觉系统结构
作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。
本文首先阐述了该焊接机器人的系统结构，设计了焊接机器人和示教盒的串行通 信结构。在获取有关焊缝图像方面，根据结构光三角测量原理，我们采用线结构光视 觉传感器获取汽车覆盖件模具焊缝图像，并根据摄像机成像原理建立了线结构光传感 器的跟踪模型及其标定方法。
在焊缝结构光图像处理方面，提出了一套针对该焊缝的有效的快速的图像处理及 识别过程，在图像滤波方法中，根据系统实时性要求，采用 LOG 及中值滤波相结合 的方法，并提出了改进的快速的中值滤波方法。在边缘检测及直线提取中，我们采用 了 Roberts 和 Hough 变换较好的处理方法，最后提取焊缝信息直线后，可以方便地求 出焊缝中心位置坐标。
Key Words: Welding Robot; Machine Vision; Image Processing; Welding Seam Tracking
II
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。
汽车车身冲压成型的工艺和模具技术一直是汽车工业发展中的一项重要的关 键性技术。要同欧、美、日等发达国家的汽车厂商展开市场竞争，我们必须有我 们自己的关键性技术。在此大背景下，我院钟志华教授承担了国家“十五”科技 攻关项目：智能化、模块化模具快速制造工艺与装备技术。该课题瞄准汽车工业 发展所需的关键技术--汽车车身冲压成型的工艺和模具技术，以突出在新产品开发 中缩短模具设计制造周期、提高产品质量和降低成本为重点目标来进行大型汽车 覆盖件模具的快速设计制造技术研究。
In the analysis of the whole process control system,fuzzy control is introduced in automatic seam tracking ,since welding process is a process with high nonlionliar, strong coupling and time-variation.This thesis presents a Fuzzy-P controller for vision tracking and finally the errors and its reason are analyzed through the experiment of the whole system.
因此，有必要开发一套智能组焊机器人系统，利用当前的先进技术，如计算 机网络、数据库、智能控制、计算机视觉、数字图像处理等，以便快速高效、高 质高量地完成自动化焊接任务。本课题的研究正是基于这样的背景下，将机器视 觉及数字图像处理技术应用于自动化焊接系统中，从而实现焊接的自动化、智能 化。
机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的图像中提取信息， 进行处理并加工理解，最终用于实际检测、测量和控制。一个典型的工业机器视 觉应用系统包括光源、光学系统、图象捕捉系统、图象数字化模块、数字图象处 理模块、智能判断决策模块和机械执行模块[3]，如图 1.1 所示。首先采用摄象机获 得被测目标的图像信号，然后通过A/D转换变成数字信号传送给专用的图像处理 系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，然 后再根据预设的判断准则输出判断结果，去控制驱动执行机构进行处理[4]。
湖南大学 硕士学位论文 机器视觉在焊接机器人上的应用研究 姓名：崔兴强 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：王虎符
20050420
硕士学位论文
பைடு நூலகம்摘要
随着电子计算机科学（包括大规模集成电路、应用软件、计算方法）、图像处理、 光电技术、模式识别技术与理论的迅速发展，机器视觉的实际研究与应用日益得到重 视与瞩目，并不断在许多领域取得初步性的成果。本文以湖大三佳模具公司焊接机器 人为研究对象，实现其焊接自动化为目的，重点研究了机器视觉实现焊缝自动跟踪， 在已实现焊接机器人电弧跟踪的基础上，提出了一种新型的基于视觉跟踪的实现方 法，该方法结构简单，精确度及智能化程度高。
In the process of image for welding seam structure-light,this thesis presents a method for quick process and recognition of image. In filtering methods for image,we use LOG and median filter to improve real time of the system and presents a improvement method for rapid median filter.In edge detection and extracting straight lines, Roberts and Hough are taken.After extracting straight lines,we can obtain the center coordinate of welding seam easily.
I
机器视觉在焊接机器人上的应用研究
Abstract
With the rapid development of computer science(large scale integrated circuit, application software and computing method),imagine processing, optoelectric technology and pattern recognition technology, the research and application of machine vision have been getting more and more concern and many primary achievements have been done. In this thesis,the welding robot in Huda Sanjia Mould corporation is taken as study object, welding automation is taken as studying purpose and automatic seam tracking in the help of machine vision is attached great importance. This thesis presents a novel method for vision tracking based on the finished electrical arc tracking.This method with simple structure can achieve high precision and intelligence.
First, this thesis introduces the system structure of robot for welding, and designs the communication structure of serial ports for both welding robot and teaching box. In obtainment of image for welding seam, we obtain image for welding seam of the automobile mantle mould by line structure-light sensor in the help of structure-light triangulation principle, and according to vidicon imaging principle this thesis establishes the tracking model of the line structure-light sensor and its calibration technology.
在整个系统的过程控制分析中，由于焊接过程是一个高度非线性、强耦合及时变 性的复杂过程，难以建立起精确的数学模型，为此我们把模糊控制引入到焊缝自动跟 踪中，提出了应用于该视觉跟踪的 Fuzzy-P 控制器，最后通过整个系统的实验分析了 误差及其产生的原因。
关键词：焊接机器人；机器视觉；图像处理；焊缝跟踪