摘要
随着智能制造 2025 的提出，制造业走向智能化成为大趋势，自动焊接是其中重要的课题。本课题来源于广东省重点领域研发计划项目，针对船舶海工、能源化工及石油石化等国家战略行业。目前大型船舶、海工机械的损伤的修复，仍主要为焊接工人手工焊接。首先是大型结构焊接中存在形面曲率变化大、焊缝长度长的问题，其次因为焊接过程中存在强弧光、飞溅、高温辐射，导致图像质量差，焊缝识别控制误差大。因此，本文针对以上问题，设计了一套三维焊缝实时跟踪系统，并对焊缝识别跟踪的算法进行研究，旨在实现复杂曲面智能化、精细化、高效率和高可靠焊接，本文研究内容具体如下： （1） 为了应对弧焊中存在的强弧光、飞溅、高温辐射的场景，设计开发了一套高集成度、高动态的三维焊缝跟踪系统硬件平台。其中包括设计视觉控制器的硬件电路，对视觉传感器以及激光器进行选型与标定，选定状态传感器型号并开发对应的驱动程序。同时针对三维焊缝跟踪系统的各组成部件的机械尺寸，定制机械外壳结构，并对系统的散热装置进行设计。 （2） 针对传统焊缝的通过激光条纹几何特征识别特征点的算法具有鲁棒性差受弧光影响大的劣势，开展了基于卷积神经网络的焊缝特征点识别的研究，提出了一种新的用于焊缝特征点识别网络结构。同时，为了加速神经网络训练时的收敛速度，采用了加权自适应的中值滤波算法以去除椒盐、斑点噪声。针对弧光影响下的焊缝中心线提取精确度低的问题，本文采用了融合区域增长分割 Steger 算法。 （3） 为了将焊缝跟踪系统应用到焊接机器人进行自动焊接，开展对焊接机器人的跟踪控制的研究。针对焊接过程中的弧光飞溅导致激光条纹不完整而导致识别精度下降的问题，本文采用了基于核相关滤波的跟踪预测算法来预测跟踪特征点的位置。针对传统基于图像的伺服控制收敛时间慢的问题，本文采用了融合模糊理论的图像视觉伺服控制算法，研究 Motoman 焊接机器人的焊缝跟踪控制，并对控制律进行仿真验证。 （4） 利用设计的三维焊缝跟踪系统硬件和软件实验平台，设计了焊缝特征点识别算法的对比和消融实验、焊缝特征点跟踪算法实验、机械臂末端跟踪控制实验以及焊接过程中焊缝跟踪实验，并对实验结果进行分析和总结。
NETL