1、第 卷第期 年月 收稿日期：作者简介：陈祺（），男，辽宁沈阳人，高级工程师，研究方向为机车车辆工程；竺星星（），男，江苏南京人，高级工程师，研究方向为轨道 交 通 车 辆 焊 接；戴 忠 晨（），男，江 苏 南 京 人，高 级 工 程 师，研 究 方 向 为 轨 道 交 通 车 辆 焊 接；张洪逵（），男，江苏南京人，高级技师，研究方向为焊接。激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用陈祺，竺星星，戴忠晨，张洪逵（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 ）摘要：为降低投影距离的定位误差，保证轨道车辆在焊接过程中的施工精度，基于激光线投影技术设计轨道车辆全位置焊接控制系统。设计光学反馈模块
2、，确定机械光源、摄像机和镜头的结构参数；设计嵌入式平台，基于数据控制单元，实现数据的接收、连接、终止与处理。通过计算水平角与俯仰角的偏差值，自动建立轨道车辆焊接位置坐标系，计算激光投影误差，在旋转坐标下获取高斯分布的模版参数，实现激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用。在实验中，对比种不同焊接方法在轴、轴、轴中对目标点的定位误差，结果表明，目标点的定位误差会随投影距离增加而增加，其中激光投影技术在投影距离不超过时的定位误差均小于，可见该方法的控制精度较好。关键词：激光线投影技术；轨道车辆；焊接控制系统；全位置焊接中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，；，：；陈棋等：激光
3、线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用机电一体化引言国内轨道车辆生产中，车辆底架上的零件连接方式多采用焊接，但零件焊接在焊接位置一致性、焊接效率等方面存在一定的问题，在个别项目中，时常会出现因焊接位置不一样，导致后续装配困难、返工等现象。如果使用全手工焊接，则整个焊接过程的质量和效率就会完全取决于焊接人员的技能和作业熟练度，焊接质量很难控制 。一旦从一个焊接项目切换到另一个新项目中，焊接的工作人员就需要大量的重复劳动，才能够保证焊接的质量。因此，在现代社会对轨道车辆的需求越来越大的情况下，有必要克服这种手工焊接效率低下且培养困难的情况，设计一种更加切实有效的焊接定位方法，以达到节约成本
4、、提高作业效率、准确度以及自动化程度的目的。本文基于智能激光投影技术，设计了一种可以保证部件精密定位、快速检查焊接部位公差参数、在计算机中将测量数据误差可视化并现场验证，以及帮助焊接工人更好更快地完成相关焊接工作的一种智能化方法。基于激光线投影技术的轨道车辆全位置焊接控制系统硬件设计激光投影定位系统主要由激光光源、个反射镜、光学反馈系统、感光定位装置、个与反射镜相匹配的检流计以及个中央控制处理系统组成。是一个能实时进行投影成像的完整系统，其主要结构如图所示。图激光投影系统如图所示，首先需要通过 控制模型设计相应的轨道车辆全位置焊接图纸，将其填入中央处理器内，保证车辆的焊接流程完整。激光光源通过
5、反射镜，与反射镜 相互对接，并在另一个方向被接收到光学反馈系统中，进而将收集到的数据传输到中央处理器内 。反射镜 与感光定位器相互连接，形成一个聚焦装置。个反射镜分别连接检流计，并通过独立的投影系统连接中央处理控制系统，实现激光投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用。光学反馈模块设计光学反馈模块主要用于处理轨道车辆机床以及车辆上的焊接部位与激光投影仪之间的位置关系，需要注意的部分包括机械光源、摄像机和镜头等。机械光源在机器视觉中有很多种，可以在光照较为均匀的场所得到被测物体的三维坐标。除此以外，还可以应用红外技术和紫外技术等，将其应用于光照不明显的区域内。因此，光源的选择在光学反馈模块中
6、是至关重要的，不但能够大范围减少环境光线对焊接部位控制精度的影响，还能够减少系统内的图像噪声，实现信息利用率的提高，增大图像信噪比，减少图像处理的复杂度，提高系统运行的速率。摄像机与镜头则是共同构成了激光投影技术内光学反馈模块的中心结构，搭配合适的摄像机与镜头不但能够整体性地提高图像采集的质量，对图像传感的效率也有明显的提升作用。摄像机的核心部件主要包括 和 ，其中 的消噪效果较为理想，而 的集成度更高，相比于 更适用于大范围的测量 。选择镜头则需要参考摄像机的核心部件，使相距与光圈达到最优参数，保证视场、焦距的清晰与完整性。嵌入式平台设计嵌入式平台主要解决实时数据的传输问题，系统结构如图所示
7、。图嵌入式平台结构在信号下行过程中，串口芯片在终止命令下行前就会接收到数据包，同时经过数据转换器得到 地址，在命令执行装置内读取数据包，并分发命令。数据包需要遵循 协议，在关键字的指令下实现数据流通 。其中，数据控制单元主要用于数据的接收、连接、终止和处理，是整个嵌入式平台的核心部位。在数据控制单元之外，还有网 （）络连接芯片，用于对数据的接收与发送。控制芯片用于连接键盘、等外设装置。串口芯片用于处理实时数据包，编码芯片用于光学反馈模块中所得到的图像的处理。最后，经过数据控制单元的整合，将其发送到命令执行装置中，实现该命令的分机通信。基于激光线投影技术的轨道车辆全位置焊接控制系统软件设计 自动
8、建立轨道车辆焊接位置坐标系轨道车辆的铝合金底架尺寸较大，焊接零件幅面较为分散，因此在实际生产过程中，底架在工装台上无定位，即被投影面与投影仪的相对位置不唯一，所以在该系统内的坐标系必须符合现车移动、定位高效等要求，并且具备自动标定坐标的功能，同时还需要在现车定位基准内实时调整，保证现车尺寸的校准模块功能。在观测点与激光线投影技术中设置坐标系，分别测定坐标系的三维坐标值，并且保证水平角与俯仰角均在偏转偏差内。此时可以得到水平角与俯仰角的偏差值为，（），（）（）为坐标系 中水平角的偏差值；为坐标系内俯仰角的偏差值；和分别为点两侧的水平角度；和为点间的竖直高度；为坐标系内的任意点坐标。在投影仪的标定
9、过程中，将该水平角与俯仰角的偏差值与坐标系的对应点组相结合，得到关系式为（）（）（）（）（）（）（）为第点与第点间的点组收敛参数；和分别为坐标系第点、第点与中点的距离；为二维扫描振镜的偏转值，为扫描范围内的调毛织品 系 数；和分 别 为 该 条 件 下 的 最 大 观 测值 。此时可以依据收敛参数建立非线性的坐标系，其优化函数为（）（）（）为非线性最小二乘法中的梯度值。依据该函数，可以得到轨道车辆焊接位置坐标系的基础参数，并实现其自动控制。计算激光投影误差在基于激光投影技术的轨道车辆全位置焊接控制系统内完成目标点的计算与标定，该投影面参数的三维坐标值可以设定为（，），为到达目标点的特定时间，并
10、在投影坐标系中，将该投影坐标值与转换参数共同设定为旋转矩阵的平移向量，即 （）为平移向量，为畸变参数；为其转置矩阵 ；为坐标转换关系。在原坐标系的旋转处理中，可以通过倾斜坐标角度的方式得到如图所示的坐标系。图坐标系的旋转处理为点位标定点，将轴与轴的坐标顺时针旋转，可以得到个坐标系之间的关系为（）（）为当前坐标；为原坐标；（）为旋转函数，其计算公式为（）（）为高斯分布的模版参数。通过二值化可以更好地计算参数标定重投影的误差值，应用轨道车辆焊接位置坐标系的基础参数减去该误差，使焊接过程的控制效果更好。陈棋等：激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用机电一体化实验研究 系统搭建为测试本文设
11、计的激光线投影技术在轨道车辆全位置焊接控制系统中的应用效果，设计如下实验。系统内的激光光源会自动发射激光，由自动聚焦装置以及图像采集装置保证光束会自动汇聚在焦点周边。该系统模型如图所示。图激光投影系统模型系统设备包含激光投影仪、投影仪控制盒、视觉校验相机及其配套镜头、相机控制盒、电控柜、工控机、遥控器和若干个靶座。在激光束投影的整个反射范围内，可以通过解算关系的方式获取投影仪的坐标系位置，并实现光学参数的精度计算。通过 进行仿真实验，在激光投影仪的对面设定标定墙，作为本文轨道车辆全位置焊接控制系统精度的检验装置，并在标定墙左右上下个方位分别安设投影站位仪。标定墙上共有个反射头，分别在横纵坐标的
12、第、第、第个位置安设目标点，如图所示。图标定墙模型目标点图中，标定墙上的目标点共有个，分别在 、上分别放置激光投影仪，同时进行仿真实验。仿真过程中，个目标点的位置参数如表所示。表目标点位置参数目标点轴轴轴 表中，俯仰角为激光投影坐标系下目标点与投影仪的夹角，在投影仪的角度安设完毕后，就可以通过计算获取水平角与俯仰角的变化值。同时，测量投影仪的随机误差，并与（，）相结合，即可得到坐标在轴、轴、轴上的三维坐标。目标点定位误差分析通过仿真实验，可以计算与求解标定参数中的误差值。测试实验中的个目标点的平均定位精度，并与视觉定位技术、激光视觉传感及改进 边缘算法、图像处理技术种传统方法进行对比分析，在轴
13、、轴、轴上综合评价与分析，得到目标点定位误差仿真结果如图所示。图目标点定位误差仿真图为种目标点定位技术在该系统内的定位误差，以轴、轴、轴为例，分别得到仿真结果。随着投影距离的增加目标点的误差也在逐渐增加，其中激光投影技术在该对比实验中所得误差最小。当投影距离为 时，该方法在坐标轴上误差小于 。（）结束语本文设计的基于激光投影技术的焊接控制系统，可以更好地完成轨道车辆全位置焊接工作，使焊接结果更准确，误差更小。该技术可以减少焊接工序中的人工影响，实现焊接的自动化与精确化。参考文献：李龙涛，蔡兴 视觉定位机器人焊接引导方法 中国测试，（）：汤自强，郭彦兵，张旺 基于激光视觉传感及改进 边缘算法的焊
14、缝三维轮廓特征提取研究 热加工工艺，（）：，贺锋，钟宏民，胡友旺 基于图像处理的焊缝跟踪检测方法研究应用激光，（）：李天雄，张梦梦，刘涛，等 文件 样条曲线的激光扫描 投 影 方 法 研 究 光 学 技 术，（）：杨智，於双飞，李坚，等基于线结构光的强干扰下焊缝特征跟踪算法研究组合机床与自动化加工技术，（）：黄艳激光投影成像中二次散斑传输特性分析及实验研究光电子激光，（）：高瑞遥，王丽丽，牛康，等基于激光扫描的螺旋输送器焊接质量在线检测农业机械学报，（增刊）：张刘港，熊芝，冯维，等 基于视觉与激光准直的激光跟踪姿态角测量方法仪器仪表学报，（）：刘钊江，马思乐，戴昊飞，等 基于激光传感器的机器人
15、自适应 多 层 多 道 焊 接 焊 接，（）：，李砚峰，刘翠荣，吴志生，等基于深度学习的化工金属材料焊接小目标缺陷识别定位研究 材料保护，（）：黎奉常，付豪，艾天乐，等基于钢管车架焊接的定位研究及其夹具设计 节能，（）：王洪潇，王春生，何广忠，等激光焊接技术在轨道交通车辆中 的应 用 城市 轨 道 交 通 研 究，（）：史博伟，闫志鸿，卢振洋基于图形与图像特征的铝合金焊 缝 成 形 检 测 热 加 工 工 艺，（）：王聪毅，高向东，马女杰，等激光焊接缺陷多向磁场激励下 磁 光成 像 检测 激光 技术，（）：王鹏，张颖杰，孙长库，等 基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统光学学报，（）
16、：史再峰，叶鹏，孙诚，等一种应用于光遗传激光投影系统的 目 标 检 测 算 法 激 光 与 光 电 子 学 进 展，（）：（上接第 页）结束语本文提出了一种利用基座六维力传感器进行机器人动力学参数辨识的方法。通过牛顿 欧拉方法进行机器人动力学建模，进行动力学方程的线性化，再获取最小参数集，建立辨识算法模型。最后通过逆向实验，验证了该辨识算法可以获得较好的辨识效果。该辨识方法具有关节参数获取方便有效，避免关节内部摩擦参数影响，减少速度加速度噪声影响，通用性强等优点。参考文献：耿令波 工业机器人动力学参数辨识方法研究 南京：南京航空航天大学，丁亚东工业机器人动力学参数辨识南京：南京航空航天大学，张师源，戴骏，邓华 六自由度机械臂的动力学参数辨识 制造业自动化，（）：韩勇协作机器人模型辨识方法与人机交互控制技术研究上海：上海交通大学，屈艺丹 工业机器人动力学参数辨识及软件系统开发南京：南京航空航天大学，（）：，（）：，（）：