CN102513644A - 带有结构光检测的三割炬机器人h型钢切割装置 - Google Patents

Abstract

一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，设有加工平台，在加工平台的纵向侧面安装有平行轨道，在轨道上设置一个可移动的支架，支架上安装有数个机器人，各机器人的末端分别安装有一割炬；支架上还安装有一结构光检测装置，结构光检测装置与计算机相连。本发明不仅提高了割炬的自由度及割炬效率；而且，通过结构光检测装置能够检测出所切型钢的截面形状，并与理想的型钢截面形状进行比较，从而对切割机割炬轨迹进行修正。

Description

带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置

技术领域

本发明涉及H型钢切割装置，尤其涉及一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置。属于机器人工程领域.

背景技术

大型工程中常常需要钢结构框架结构作为支撑，如：化工行业的大量管廊和罐体结构支撑、塔体设备支架；冶金行业炼钢平台、高炉框架；陆地和海洋石油钻井平台、车辆、仓储式大型超市、桥梁隧道等大型施工；地下工程的钢桩及支护结构。这种框架结构由各种规格型钢搭接而成，其中H型钢由于截面经济合理、性能优越、加工制作和施工安装工艺简单、方便、快捷，成为各种规格型钢中使用最广泛的一种。因此，一种能够切割出各种端头形式以满足工程焊接需要的H型钢加工设备尤为重要。但目前能完成此种切割的技术还不成熟，极大的制约了国家建设事业的发展。

目前，国内外对于H型钢切割机已有较多研究。从单车、单割炬，到三个割炬同时切割，同时也有多自由度机器人切割。实际使用中，H型钢往往存在形状误差，如腹板的平面度不高、翼板的平面度直线度不高，割炬在切割腹板时，如认为腹板是理想的平面，那么割炬与腹板之间的距离总是在变化，过远会造成切不透，过近会导致熄弧，切口中翻滚出的铁浆也可能黏结在割炬枪口而堵塞割炬，从而损坏割枪。更有情况：因割枪碰触型钢，手臂受力过大，损环设备，这又给切割设备提出了补偿误差的要求。现有的一种CG1-2型H型钢切割机，是单车、单割炬切割，其割炬的自由度较低。欧洲发明专利：WO2004/041476公开了一种三割炬切割机。由于能同时使用三个割炬，所以，此设备能同时对腹板和翼板进行切割，很大程度上提高了生产效率，但同样受到割炬自由度的限制。且上述两种切割机均没有误差检测装置。中国专利02151075.X公开了一种“机器人型钢切割与划线生产系统”，其主要包括：切割电源、划线电源、型钢、平台、六轴机器人、轨道、工作台，在工作台的一侧，安装有一个沿工作台纵向的轨道，在轨道上设置一个可移动平台，在平台上设置六轴机器人，六轴机器人在其运行轨道上沿放置在工作台上的型钢的纵向方向可往复移动工作。这种生产系统最大限度地利用了六轴机器人的柔性控制特点，又避免了复杂的非标准辅助装置的设计与制造，所以，达到了低投资情况下的精度造船型钢的生产问题。并且，在机器人末端安装有激光检测设备，通过扫描的方式获取型钢的尺寸特征。然后根据所测数据对割炬轨迹进行修正。但这种采用激光扫描的办法，如果要获得详细的尺寸，仍需要扫描很多次，在一定程度上增加了辅助时间。从中可以看到一个割炬仍存在效率的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其不仅提高了割炬的自由度及割炬效率；而且，通过结构光检测装置能够检测出所切型钢的截面形状，并与理想的型钢截面形状进行比较，从而对切割机割炬轨迹进行修正。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，设有加工平台，在加工平台的纵向侧面安装有平行轨道，在轨道上设置一个可移动的支架，支架上安装有数个机器人，其特征在于：各机器人的末端分别安装有一割炬；支架上还安装有一结构光检测装置，结构光检测装置与计算机相连。

所述结构光检测装置是由结构光发生装置和图像采集装置组成，结构光发生装置和图像采集装置分别安装在支架上。

所述机器人包括：一号大臂、一号小臂、一号丝杠，一号大臂的一端安装在支架的凹槽内，一号大臂的另一端通过转动副连接一号小臂的一端，且一号小臂的旋转平面与一号大臂的旋转平面平行；一号小臂的另一端安装有一号丝杠，且一号丝杠的轴线与一号小臂的旋转平面垂直；一号割炬固定在一号丝杠的一端，且一号割炬在空间具有四个自由度，即：三个平动、一个转动。

所述机器人包括：二号大臂、二号小臂、二号丝杠，二号大臂的一端通过转动副连接在支架的上部，二号大臂的另一端通过转动副连接二号小臂的一端，且二号小臂可绕其安装端旋转；二号小臂的另一端安装有二号丝杠，二号割炬安装在二号丝杠的一端，且二号割炬可以绕其安装端旋转，即：在包含二号丝杠轴线的一个固定平面内转动，所以，二号割炬在空间具有五个自由度，即三个平动、二个转动。

所述一号丝杠为可进行螺旋副及只旋转不升降或只升降不旋转的运动的运动的复合丝杠。

所述二号丝杠为可进行螺旋副及只旋转不升降或只升降不旋转的运动的运动的复合丝杠。

所述结构光发生装置产生的结构光L垂直的投射到H型钢表面；且结构光发生装置与图像采集装置保持一设定距离，同时，图像采集装置与结构光发生装置产生的结构光L形成一设定的角度。

所述结构光发生装置产生的结构光L的长度大于H型钢翼板两外侧面的距离；且图像采集装置的放置与结构光L保持一设定角度；在此情况下的关系式如下：

l1＝l

h1＝h×sinφ

其中：l为H型钢腹板平面上与H型钢纵向垂直方向的长度；l1为由图像采集装置采集到的H型钢腹板平面上与H型钢纵向垂直方向的长度；h为与腹板垂直方向的长度；h1为由图像采集装置采集到的与腹板垂直方向的长度；φ为图像采集装置与结构光L之间的夹角。

所述机器人均由伺服电机控制器其运行，伺服电机控制器与计算机相连。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其不仅提高了割炬的自由度及割炬效率；而且，通过结构光检测装置能够检测出所切型钢的截面形状，并与理想的型钢截面形状进行比较，从而对切割机割炬轨迹进行修正。

附图说明：

图1为本发明结构H型钢切割机的轴测图。

图2为本发明结构光检测的原理图。

图中主要标号说明：

1.加工平台，2.三号丝杠，3.三号小臂，4.三号大臂，5.支架，6.图像采集装置，7.结构光发生装置，8.二号大臂，9.H型钢，10.一号大臂，11.一号小臂，12.一号丝杠，13.一号割炬，14.二号小臂，15.二号割炬，16.二号丝杠，17.一号割炬，18.导轨。

具体实施方式

如图1所示，本发明设有：加工平台1，沿加工平台1纵向两侧固定有两根平行导轨18，支架5通过与导轨18配合安装在加工平台1上，支架5可沿导轨18移动。支架5前侧开有一水平凹槽，其与加工平台1纵向垂直，在支架5上，从左到右依次安装有一号机器人、二号机器、三号机器人。在三个机器人末端分别安装有一号割炬13、二号割炬15、三号割炬17。一号机器人、二号机器、三号机器人均由伺服电机控制器其运行，伺服电机控制器与计算机相连。一号机器人是指由一号大臂10、一号小臂11、一号丝杠12组成的机器人。一号大臂10一端安装在支架5的凹槽内，其可沿凹槽左右移动，在其另一端通过转动副连接一号小臂11的一端，一号小臂11可绕安装端旋转，一号小臂11的旋转平面与一号大臂10的旋转平面平行。一号丝杠13安装在一号小臂11的另一端，其轴线与一号小臂11的旋转平面垂直。一号丝杠13为复合丝杠，其不但可以满足一般螺旋副的运动要求，而且，可以完成只旋转不升降或只升降不旋转的运动形式。一号割炬13固定在一号丝杠12的一端，一号割炬13在空间具有四个自由度，即：三个平动、一个转动，一号割炬13完成切割一侧翼板的功能。二号机器人是指由二号大臂8、二号小臂14、二号丝杠16组成的机器人。二号大臂8一端通过转动副连接在支架5上部，其可绕安装端旋转，二号大臂8另一端通过转动副连接二号小臂14一端，二号小臂14可绕其安装端旋转。二号丝杠16安装在二号小臂14的另一端，二号丝杠16为复合丝杠，功能同一号丝杠12。二号割炬15安装在二号丝杠16一端，与一号割炬13不同的是二号割炬15可以绕其安装端旋转，即：可以在包含二号丝杠16轴线的一个固定平面内转动，所以，二号割炬15在空间具有5个自由度，即3个平动、2个转动，二号割炬完成切割腹板的功能。三号机器人是指由三号大臂4、三号小臂3、三号丝杠2组成的机器人，其结构与一号机器人相同，三号割炬17固定在三号丝杠2一端，其自由度同一号割炬13，三号割炬17完成切割另一侧翼板的功能。

支架5上还安装有一结构光检测装置，结构光检测装置与计算机相连，由计算机控制。

结构光检测装置是由结构光发生装置7和图像采集装置6组成，结构光发生装置7和图像采集装置6分别安装在支架上。检测时，要求结构光发生装置7产生的结构光L要垂直的投射到H型钢表面，图像采集装置6与结构光发生装置7保持一设定距离，同时，图像采集装置与结构光发生装置7产生的结构光L形成一设定的角度。

如图2示，结构光发生装置7产生的结构光L与H型钢9的纵向垂直，照射到H型钢9上，产生的结构光L的的长度至少要大于H型钢9翼板两外侧面的距离。图像采集装置6放置并与结构光L保持一定角度。此种情况下，有如下关系式：

l1＝l

h1＝h×sinφ

其中：l为H型钢9腹板平面上与H型钢9纵向垂直方向的长度；l1为由图像采集装置6采集到的H型钢9腹板平面上与H型钢9纵向垂直方向的长度；h为与腹板垂直方向的长度；h1为由图像采集装置6采集到的与腹板垂直方向的长度；φ为图像采集装置6与结构光L之间的夹角。关系式显示了图像采集装置6采集的长度与实际长度的关系。

通过将所述的图像采集装置6采集到的H型钢9截面实际形状与所测H型钢9理想截面形状进行比较，可计算出H型钢9的尺寸误差、位置偏差(包括位移偏差和扭转偏差)。由得到的误差信息就可对理想的割炬轨迹进行修正，从而形成正确的切割轨迹。这部分功能由切割机的控制终端-计算机完成。

本发明工作时，首先，将H型钢9放置在加工平台1的合适位置上，由操作员在控制终端-计算机选择型钢的型号并输入一些必要的数据，输入完毕后，由系统自动生成加工所需的数控程序(此时的程序规划了割炬切割理想型钢时所需运行的轨迹，实际不能用于生产)，运行系统，系统首先会启动结构光发生装置7，结构光发生装置7在支架5的带动下对H型钢9所需切端头部位的多个截面进行检测，通过与理想截面形状进行比对，从而得到这个部位或许存在的各种误差，如尺寸误差、位置偏差(包括位移偏差和扭转偏差)，系统会根据这些误差对数控程序进行修正，即对割炬的运行轨迹进行重新补偿，得到适用于放入的H型钢9的数控程序，最后，系统依据此程序开始对H型钢9进行加工。

上述结构光发生装置、图像采集装置、计算机、伺服电机控制器为现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，设有加工平台，在加工平台的纵向侧面安装有平行轨道，在轨道上设置一个可移动的支架，支架上安装有数个机器人，其特征在于：各机器人的末端分别安装有一割炬；支架上还安装有一结构光检测装置，结构光检测装置与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述结构光检测装置是由结构光发生装置和图像采集装置组成，结构光发生装置和图像采集装置分别安装在支架上。

3.根据权利要求1所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述机器人包括：一号大臂、一号小臂、一号丝杠，一号大臂的一端安装在支架的凹槽内，一号大臂的另一端通过转动副连接一号小臂的一端，且一号小臂的旋转平面与一号大臂的旋转平面平行；一号小臂的另一端安装有一号丝杠，且一号丝杠的轴线与一号小臂的旋转平面垂直；一号割炬固定在一号丝杠的一端，且一号割炬在空间具有四个自由度，即：三个平动、一个转动。

4.根据权利要求1所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述机器人包括：二号大臂、二号小臂、二号丝杠，二号大臂的一端通过转动副连接在支架的上部，二号大臂的另一端通过转动副连接二号小臂的一端，且二号小臂可绕其安装端旋转；二号小臂的另一端安装有二号丝杠，二号割炬安装在二号丝杠的一端，且二号割炬可以绕其安装端旋转，即：在包含二号丝杠轴线的一个固定平面内转动，所以，二号割炬在空间具有五个自由度，即三个平动、二个转动。

5.根据权利要求3所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述一号丝杠为可进行螺旋副及只旋转不升降或只升降不旋转的运动的运动的复合丝杠。

6.根据权利要求4所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述二号丝杠为可进行螺旋副及只旋转不升降或只升降不旋转的运动的运动的复合丝杠。

7.根据权利要求2所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述结构光发生装置产生的结构光L垂直的投射到H型钢表面；且结构光发生装置与图像采集装置保持一设定距离，同时，图像采集装置与结构光发生装置产生的结构光L形成一设定的角度。

8.根据权利要求7所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述结构光发生装置产生的结构光L的长度大于H型钢翼板两外侧面的距离；且图像采集装置的放置与结构光L保持一设定角度；在此情况下的关系式如下：

l1＝l

h1＝h×sinφ

其中：l为H型钢腹板平面上与H型钢纵向垂直方向的长度；l1为由图像采集装置采集到的H型钢腹板平面上与H型钢纵向垂直方向的长度；h为与腹板垂直方向的长度；h1为由图像采集装置采集到的与腹板垂直方向的长度；φ为图像采集装置与结构光L之间的夹角。

9.根据权利要求1、3或4所述的带有结构光检测的三割炬机器人H型钢切割装置，其特征在于：所述机器人均由伺服电机控制器其运行，伺服电机控制器与计算机相连。

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