焊缝跟踪 abb机器人二次开发 上位机由C#＋halcon联合编程 提供源码讲解，abb编程及通讯、工业相机标定、halcon图像处理、C#与halcon联合编程等

（基于 C# + Halcon 的 ABB 机器人视觉引导方案）

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1. 引言

本系统面向 2 mm 薄板 V 型焊缝的自动跟踪与实时纠偏，上位机程序以 WinForm + Halcon 双引擎架构，集成 视觉标定、图像处理、数据拟合、机器人运动控制 四大闭环模块。通过 激光-结构光三角测量 原理，在 眼在手上（Eye-in-Hand） 安装方式下，实现 0.33 mm 最大跟踪误差 的工业指标。

本文从“功能黑盒”视角出发，对核心流程、关键算法、对外接口进行详细说明，不暴露具体实现源码，方便二次开发、维护及验收。

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2. 系统总体架构

层级	组件	主要职责
表现层	WinForm GUI	1. 实时预览（Halcon 窗口） 2. 机器人状态/示教面板 3. 数据表格与导出
业务层	视觉管道	1. 图像采集、ROI 自适配 2. 激光条纹亚像素中心线提取 3. 焊缝特征点（u,v）→ 基坐标 (x,y,z,Rx,Ry,Rz)
业务层	运动管道	1. 离线：全局最小二乘曲线拟合 2. 实时：5 点滑动窗口动态拟合 + 转弯圆弧过渡
业务层	通信管道	TCP/IP 客户端，与 ABB 控制器（服务端）双向报文： • 上行：机器人位姿、关节角、指令字符 • 下行：焊缝轨迹点串、速度、结束标志
数据层	本地文件	1. 标定结果（内参、手眼矩阵、光平面系数） 2. 离线轨迹（*.dat） 3. 日志与导出 Excel

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3. 功能模块说明

3.1 通信模块（TCP/IP Client）

• 连接管理
  – 自动重连与心跳检测；异常断开时 UI 状态机同步回“未连接”。
• 报文协议
  – 自定义文本协议，字段以逗号分隔，末尾带类型标识：
  x,y,z,Rx,Ry,Rz,speed,F // 轨迹点
  J1,J2,…,J6,speed,J // 关节运动
  T // 示教数据帧头
  – 采用 异步双线程：发送队列 + 接收循环，保证 UI 不阻塞。
• 安全策略
  – 发送前进行 关节限位/工作空间 预判；非法数据弹窗提示并丢弃。

3.2 视觉标定模块

标定项	方法	输出	精度指标
相机内参	Zhang 氏标定板 20 张图	3×3 内参矩阵、畸变系数	0.22 px RMS
手眼矩阵	旋转-平移解耦 AX=XB	4×4 齐次变换	1.1 mm/0.12°
线激光平面	100 个光刀交点 SVD 拟合	平面方程系数	0.017 mm 残差

• 一键标定向导
  – 机器人自动走位（5 点位 × 4 姿态）；图像采集与位姿记录全自动；Halcon 后台计算，进度条可视化。
• 误差补偿
  – 采用“标定板原点实测法”对手眼平移向量进行补偿，补偿后误差降至 0.3 mm 以内。

3.3 图像处理管道（Halcon 引擎）

采集 → 均值滤波 → 灰度增强 → ROI 自适应 → Otsu 分割 → 闭运算 →
亚像素中心线提取 → 直线拟合 → 交点 + 最短距离中点 → 特征点 (u,v)

• ROI 自适应
  – 首张图人工框选；后续图以 前一帧特征点为中心，自动生成 200×200 圆形 ROI，提升 > 40% 处理速度。
• 亚像素中心线
  – 采用 高斯拟合二阶导数极值 法，精度达 0.1 px；对 V 型坡口两直线段分别拟合，去除毛刺分支。
• 角度计算
  – 构建向量 AB、AC，求夹角 θ1；结合光刀平面与基坐标 xOy 夹角 θ2，按 右手定则 得到焊枪绕 x 轴旋转量 Rx，实现“角平分线 + 垂直向下”最优姿态。

3.4 轨迹拟合与跟踪策略

模式	算法	特点	误差
离线	全局二次多项式	一次性扫描后拟合，曲线平滑	0.27 mm
实时	5 点滑动窗口 + 圆弧过渡	边扫描边焊接，队列缓存	0.33 mm

• 转弯半径自动计算
  – 取相邻线段最短边一半作为圆弧半径，与 ABB 控制器 MoveCDO 指令无缝衔接，消除拐点抖动。
• 速度前瞻
  – 根据曲率半径实时下调速度，避免过冲；默认直线段 5 mm/s，圆弧段 3 mm/s，可通过 UI 微调。

3.5 数据导出与回放

• Excel 一键导出
  – 字段：序号、x、y、z、Rx、Ry、Rz、速度；自动套用表格格式，便于质检签字。
• 轨迹回放
  – 离线模式下可加载历史轨迹文件，Halcon 窗口动态显示焊枪路径与理论焊缝对比，支持 单步/连续 回放。

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4. 运行流程（实时跟踪典型时序）

1. 启动 → 上位机自动连接机器人，加载标定参数。
2. 示教起点/终点 → 机器人手动移动到焊缝两端，记录 TCP。
3. 点击“RUN” → 上位机发送字符 R，机器人以 5 mm/s 沿 x 方向等距触发拍照。
4. 视觉计算 → 每收到一张图，计算特征点并转基坐标，压入队列。
5. 队列长度 ≥ 5 → 开始最小二乘拟合，生成第一段轨迹，发送首点坐标。
6. 机器人边走边发 → 后续每采集 1 点，出队 1 点，保持 8 点缓存；末端自动发送 end。
7. 结束 → 机器人回到 Home 位，上位机弹窗提示“跟踪完成”，自动生成轨迹报告。

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5. 性能指标（实测）

项目	指标
图像处理单帧耗时	28 ms（i5-8Gen）
通信周期	≤ 50 ms
轨迹最大误差	0.332 mm（V 型坡口）
重复定位误差	±0.05 mm（10 次）
连续工作时间	≥ 4 h（无内存泄露）

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6. 维护与扩展指南

• 标定板更换
  – 仅需在 Halcon 标定助手 重新输入圆点间距，程序自动更新参数文件，无需重新编译。
• 激光器移位
  – 重新执行“线激光标定”向导，旧参数自动备份到 *.bak。
• 适配其他机器人品牌
  – 实现 IRobotComm 接口即可，已预留 发那科、UR 适配槽位；仅需重写“位姿字符串 ⇄ 机器人变量”转换层。
• 图像算法升级
  – Halcon 部分导出为 独立 DLL，可热替换；UI 通过反射自动加载新版函数，无需改动 C# 业务层。

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7. 结语

本系统以 “零源码泄露” 级功能描述，完整呈现了从 图像采集 → 三维重建 → 轨迹拟合 → 机器人运动 的全链路技术方案。通过模块化、插件化的设计，可快速迁移至 搭接、角接、环缝 等多种焊接场景，为后续 深度学习缺陷检测、多道焊规划、数字孪生 等高级功能提供稳定的数据与通信底座。