基于立体视觉的翻领成型器焊接机器人系统研究
这是一篇关于焊接机器人,翻领成型器,线激光视觉,三维测量,自动编程的论文, 主要内容为翻领成型器是立式包装机上制袋成型的关键零部件,其制造精度直接影响立式包装机的包装速度、包装形式和包装质量。当前翻领成型器的焊接主要依靠人工完成,焊接质量高度依赖焊工的经验,产品一致性难以保证,因此研发一款翻领成型器焊接机器人系统是相关企业实现自动化升级的切实需求。本文针对翻领成型器的自动化焊接自主设计了一套焊接机器人系统,主要研究内容与结论如下:(1)根据翻领成型器的焊接需求,设计了一套翻领成型器焊接机器人系统。首先分析了翻领成型器的焊接需求,并根据焊接需求设计了翻领成型器焊接机器人系统的总体方案,包括自主设计了一套工装夹具以实现翻领成型器的快速高精度装夹定位;采用六自由度协作机械臂加单自由度变位机的焊接机器人构型以确保焊炬位姿的可达性;确定了线激光单目视觉的立体视觉测量方法以实现实际待焊件的表面测量和焊缝测量方案。最后,根据总体方案完成了焊接机器人系统的硬件设计和软件设计,硬件部分完成了选型、模块间通讯设计以及系统氩弧焊抗干扰设计;软件部分确定了整体架构并完成了控制软件设计。(2)研究了线激光单目立体视觉系统,通过立体视觉实现了待焊件表面的三维重建以及焊缝的预识别与三维测量。首先,建立了线激光单目立体视觉的模型,并对视觉系统进行了标定。然后,研究了线激光图像处理的相关算法,通过提出的改进多阈值激光条纹区域分割算法、多尺度自适应激光条纹中心提取算法以及基于最大确定性推演的反光干扰去除算法实现了激光条纹中心的准确提取。接着,通过统计滤波、体素栅格滤波实现了点云的离群点剔除和降采样。最后,利用待焊点的角点特征,结合基于卡尔曼滤波的待焊点区域预测实现了焊缝的预识别与三维测量。(3)研究了翻领成型器焊接机器人的自动编程系统。首先,基于D-H参数法建立了六轴机械臂和变位机的运动学模型,并将各设备的运动学模型相互关联,建立了复杂空间曲面焊接的运动学模型。然后,为解决复杂空间曲线轨迹难以精确捕获的问题,引入NURBS曲线对三维点云描述的轨迹进行光顺逼近,相较于传统插值方法,可获得更光顺、更接近原始轨迹的曲线。最后,研究了焊接过程的轨迹规划,并实现了基于四元数球面线性插值的空间曲面焊接姿态插补。(4)搭建了翻领成型器焊接机器人系统并进行了相关实验验证。首先,搭建了翻领成型器焊接机器人系统硬件平台和软件系统,实现了读入三维点云文件以自动生成焊接作业文件、机器人等设备的手动控制与三维可视化运动仿真等功能。然后,分别对线激光单目立体视觉系统和自动编程系统进行了实验测试。测试结果表明,线激光单目立体视觉系统对标准量块的Z轴测量误差小于0.088 mm,自动编程系统各项功能正常,符合设计预期。最后,通过工艺试验探究了焊接的工艺参数,并进行了自动焊接实验。实验结果表明,系统能够实现翻领成型器的各项焊接动作,符合设计预期。
轨道车辆焊接机器人运动控制系统研究
这是一篇关于焊接机器人,PLC运动控制,运动轨迹,轨道车辆,人机交互的论文, 主要内容为铝合金车体与转向架是轨道车辆两个重要的组成部分,它们存在焊缝形式为连续变化的复杂曲线,使焊接机器人运动控制存在一定难度,现有方法精度较低,导致焊接机器人市场被国外品牌占据。本文对椭圆及抛物线等复杂曲线焊缝进行研究,开发出一种精度较高且计算量不大的PLC控制方法。本文主要研究工作如下:首先本文综合设计要求、焊接对象、焊接工艺多方面考虑,选用机器人构型为龙门架型,拟定了PLC控制步进驱动器进而控制步进电机的驱动路线来提高焊接精度,用光电编码器配合步进电机进行闭环控制。将PLC上I/O接口进行合理分配,进行电路搭建,组建了一个小型高精度的轨道车辆焊接机器人系统。然后对焊接机器人运动轨迹进行研究,用实际实验与软件模拟计算出常用的几种插补算法精度。最终以一种变离心角椭圆插补算法为基础,开发出在一定范围内变步长的改进插补算法,使焊接机器人匀速运行出椭圆及抛物线等复杂曲线的焊缝轨迹,精度更高且计算量不大。然后对控制系统软件进行程序设计,使用编程软件STEP 7-Micro WIN SMART开发出了椭圆及抛物线的运动程序,并使用高数计数器对精度进行测试。以算法为理论支撑,以软件为工具使焊接机器人运行出高精度轨迹。用触摸屏对机器人使用工业控制标准进行控制,开发了良好的界面使人机交互更为友好。最后对上位机进行开发,本文使用基于S7通信协议的开源软件包Snap7,使用Python编程语言,使上位机与下位机进行良好的通信,调用库内封装好的函数,更加方便地对PLC坐标地址进行读写操作,进而灵活控制焊接机器人。本文共有图65幅,表12个,参考文献56篇。
基于ROS的双臂协同焊接路径规划系统的设计与实现
这是一篇关于焊接机器人,机器人操作系统(ROS),避障运动规划,焊接路径规划的论文, 主要内容为多机器人焊接系统由于其工作范围大、生产效率高,在大型制造企业得到了广泛应用。焊接机器人的运动可分为两部分,即在任务点完成焊接的工艺运动和遍历所有任务点的任务运动。工艺运动路径是工程师根据焊接工艺要求设定的运动路径。任务运动路径实现机器人快速、安全地遍历所有任务点,直接影响系统的生产效率和安全性。多机器人焊接路径规划问题复杂,涉及任务分配、遍历规划、避障运动规划,现有方法难以对路径高效、负载均衡、系统安全等目标进行综合优化。论文以双机械臂焊接系统为例,从焊接路径规划的需求和现存问题出发,基于ROS(Robot Operating System)设计并实现了双臂协同焊接路径规划系统。系统包括两个部分,即避障运动规划和焊接任务规划。避障运动规划主要负责规划任务点之间的高效无碰运动路径。针对RRT(Rapidly Exploring Random Tree)避障规划算法的不足,论文提出目标偏置、贝塞尔平滑、剪枝优化三点改进,并通过仿真实验验证了所提出方法的有效性。基于主从控制对双臂运动进行解耦,并基于Move It!在ROS中实现了避障运动规划。任务路径规划将任务分配和单机路径规划组合成一个多目标多旅行商问题,针对生产节拍、总耗时、碰撞风险三个目标进行求解。针对NSGA-II(Nondominated Sorting Genetic Algorithm II)算法的不足,提出拥挤度去重、初始解优化、动态局部搜索优化三点改进。实验表明,改进算法迭代速度更快,路径耗时减小约5%～10%。论文以汽车门板点焊为应用场景,进行焊接路径规划实物模拟实验。实验证明了论文所提出系统的有效性。论文将所提出系统与遗传算法规划系统进行对比,结果显示论文提出的方案具有性能优势:在双臂负载更均衡的情况下,系统生产节拍时间相较于遗传算法规划系统缩短约8%,运行风险减小约14%。
多功能弧焊机器人离线编程系统研究
这是一篇关于离线编程,焊接机器人,虚拟仿真,运动学分析,路径规划的论文, 主要内容为随着工业4.0的提出,弧焊机器人在焊接生产制造中发挥着日益重要的作用。弧焊机器人离线编程技术与传统示教相比,无论是编程效率还是精度都有着显著的提高,因此在工业领域应用越来越广泛。然而国外成熟的离线编程商业软件价格昂贵,国内关于机器人离线编程系统的研究起步较晚,在功能上略有不足,尚未在实际生产中得到广泛应用。因此本文针对上述问题,通过分析和研究目前较为成熟的离线编程软件,设计了一款弧焊机器人离线编程系统,主要由运动仿真、路径规划和弧焊控制功能模块组成。具体内容如下:首先设计了机器人离线编程系统的整体结构和基本功能框架,确定了离线编程系统的开发平台,然后设计了各功能模块的研究方法和实现途径。针对机器人运动学进行了研究,通过改进DH参数法建立了六轴机器人连杆模型和正运动学方程,并求解了机器人的逆运动学方程,结合MATLAB和Robot Studio验证了运动学方程的准确性。针对运动仿真研究了机器人在关节空间下的轨迹规划算法,同时求解了焊缝轨迹与焊枪末端的坐标变换关系,为后续离线编程系统的实现奠定了基础。以Visual C#为平台结合Open GL图形接口,通过研究STL三维模型的读取和显示方法,实现了虚拟环境下的弧焊机器人可视化,在此基础上通过计算机图形学完成了仿真环境下的交互式功能设计。然后结合机器人运动学方程和轨迹规划算法实现了机器人的运动仿真。通过解析DXF图元结构对工件轨迹进行提取,自动生成机器人作业所需的坐标信息。针对相贯线的复杂空间曲线焊缝,通过建立数学模型的方法求解了最优的焊枪位姿,完成了相贯线焊缝特征坐标系的构建。然后基于ABB机器人的RAPID程序语言格式设计了后置代码转换功能,将规划好的焊缝轨迹直接转换为机器人可识别的程序,实现了焊接路径和机器人程序的自动生成。最后通过PC SDK开发了弧焊控制模块,实现了对机器人的实时监测和控制。以Robot Studio作为验证平台,通过常规焊缝和相贯线焊缝对系统各功能进行了验证,结果表明本文开发的离线编程系统有效可靠,能够适用于不同的焊接任务。
基于结构光视觉的刀盘部件焊接机器人系统的设计与实现
这是一篇关于刀盘部件,焊接机器人,结构光视觉,焊缝特征识别,焊接轨迹规划的论文, 主要内容为盾构机是轨道交通建设中的大国重器,而刀盘部件则是决定盾构机性能的核心部件之一。针对当前国内刀盘部件的焊接加工中存在的效率低下、质量无法保证、自动化程度不高等问题,本文设计并实现了一种基于结构光视觉的刀盘部件焊接机器人系统。该系统具备焊缝特征识别、轨迹规划预处理、焊接轨迹规划、自动多层多道焊接等多项智能化功能,同时配备了合理的人机交互界面来提升工业现场操作人员的应用体验,极大地提高了刀盘部件焊接加工的生产效率与自动化程度。本论文的主要工作如下:1.系统整体方案设计。针对刀盘部件焊接加工所面临的问题与实际应用需求,对刀盘部件焊接机器人系统的整体方案进行了设计,将系统分为结构光视觉系统、控制系统、机器人执行系统、焊接系统四个部分,介绍了系统各部分的组成与功能,并且规划了系统的现场布局,最后制定了系统的自动焊接工作流程。2.系统硬件及通讯网络设计。基于系统的整体设计方案,以精准高效、稳定可靠为出发点,对系统各部分所包含的结构光视觉传感器、工业计算机、PLC、机器人控制柜、工业机器人、旋转吊臂与变位机、焊接电源等主要硬件设备进行了选型与配置,最后对系统的通讯网络进行了设计与搭建,完成了系统硬件平台的设计。3.系统软件设计。基于图像预处理、激光条纹中心线提取、特征点识别等处理流程设计了焊缝特征识别程序,完成对焊缝特征点信息的初步获取;基于空间坐标转换原理以及机器人自动焊接的实际需求,提出了一种由视觉坐标系映射至机器人世界坐标系的转换方法,并设计了相应的坐标升维转换矩阵计算程序,完成焊缝特征点信息映射到三维机器人世界坐标系所需转换矩阵的快速计算;提出了一种基于投影转换的校正方法,以此为基础设计了轨迹规划预处理程序,在焊接轨迹规划开始前校正焊缝特征点信息与焊枪姿态;提出了一种按层规划的轨迹规划策略,以此为基础设计了多层多道焊接轨迹规划程序,使系统在执行自动化焊接作业时具备自主规划多层多道焊接轨迹的能力;根据控制系统的功能需求,设计了 PLC程序以及机器人控制程序,同时设计了控制系统的上位监控界面。4.系统的实现与测试。基于本文所提出的设计方案对刀盘部件焊接机器人系统进行了实现,测试了系统各部分的主要功能,同时针对刀盘部件进行了实验性自动焊接测试,结果表明本系统结构功能完整,针对刀盘部件的焊接效率接近人工焊接系统的4倍,且焊接合格率均在95%以上。综合系统的设计实现过程与最终测试结果,本文所设计的焊接机器人系统为现有的刀盘部件人工焊接系统的智能化升级改造提供了有价值的开发方向与应用案例。
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