基于机器视觉的机器人三维焊缝实时跟踪系统的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

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。

关键词:焊缝识别；机器视觉；卷积神经网络；核相关滤波；视觉伺服控制

I

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Withtheproposalofintelligentmanufacturing2025,ithasbecomeageneral

trendformanufacturingindustrytobecomeintelligent,andautomaticweldingisan

importanttopic.Thistopiccomesfromtheresearchanddevelopmentplanof

GuangdongProvinceinkeyareas,targetedatMarineengineering,energychemical

industry,petroleumandpetrochemicalandothernationalstrategicindustries.At

present,therepairofdamageoflargeshipsandMarinemachineryisstillmainly

manualweldingbywelders.Firstly,becauseofthelargestructuralweldingsurface

curvaturechanges,thelengthof