CN104907343B - 一种坯头自动导引系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种坯头自动导引系统，包括:坯头识别单元、机器人及机器人在线控制单元，坯头识别单元用于对链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描，以得到坯头位置与姿态的实时数据；机器人在线控制单元生成机器人的腕部运动控制指令；机器人的控制器控制机器人运动至坯头所在位置，控制机器人腕部的执行器对坯头进行夹紧后拖曳至矫直区，由矫直区的矫直辊对坯头进行夹紧，然后由机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行矫直，完成矫直后，机器人腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。本发明采用自动化机器操作方式具有高效、精确的优点。

Description

一种坯头自动导引系统及方法

技术领域

本发明涉及带钢坯头导引及机器人控制技术领域，特别涉及一种坯头自动导引系统及方法。

背景技术

目前，对热轧板坯头进行导引还是采用人工操作方式。具体地，由人工将传输线上的坯头拖曳至矫直区，由矫直辊进行软夹紧，再由人工操作相应设备将坯头进行矫直，矫直完成后，由人工操作相应设备将坯头安放到导引槽内。这种方式存在以下缺点：

(1)人工操作不能对红热状态下的钢坯进行操作。

(2)人工操作方式浪费人力，效率不高且耗费时间长。

(3)人工操作方式，由于人的精力有限，可能导致工作完成准确度不高。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种坯头自动导引系统及方法，采用自动化机器操作方式具有高效、精确的优点。

为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种坯头导引系统，包括：坯头识别单元、机器人及机器人在线控制单元，其中，

所述坯头识别单元固定于链式传输线的一侧，用于对所述链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描，以得到坯头位置与姿态的实时数据，其中，所述坯头识别单元对坯头进行连续扫描得到扫描图像，并对所述扫描图像进行重构和识别得到所述坯头位置与姿态的实时数据，其中，所述坯头位置与姿态的实时数据包括所述坯头的位置数据、偏斜方向数据和角度数据；所述机器人在线控制单元与所述坯头识别单元和机器人进行通信，用于接收所述坯头位置与姿态的实时数据，并获取所述链式传输线上坯头的实际运动速度和所述机器人的当前位置，所述机器人在线控制单元根据所述坯头位置与姿态的实时数据、所述链式传输线上坯头的实际运动速度、所述机器人的当前位置生成所述机器人的腕部运动控制指令，其中，所述机器人腕部运动控制指令包括腕部的目标运动轨迹和目标姿态；所述机器人的控制器接收来自所述机器人在线控制单元的腕部运动控制指令，根据腕部运动控制指令控制所述机器人运动至所述坯头所在的位置，其中，所述机器人的控制器根据所述腕部运动控制指令驱动所述机器人的手臂以直角坐标的运动形式接近所述坯头，直至到达坯头所在位置；在到达所述坯头所在位置后，控制所述机器人腕部的执行器对所述坯头进行夹紧后拖曳至矫直区，由所述矫直区的矫直辊对所述坯头进行夹紧，然后由所述机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行矫直，完成矫直后，所述机器人腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。

在本发明的又一个实施例中，所述坯头识别单元采用非接触式三维激光扫描仪。

在本发明的一个实施例中，所述机器人腕部的执行器采用液压执行器，所述机器人在线控制单元采用上位机。

本发明的另一个目的是提供一种坯头自动导引方法，包括如下步骤：

步骤S1，对坯头自动导引系统的链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描，以得到坯头位置与姿态的实时数据，其中，利用非接触式三维激光扫描仪对所述链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描得到扫描图像，并对所述扫描图像进行重构和识别得到所述坯头位置与姿态的实时数据，其中，所述坯头位置与姿态的实时数据包括所述坯头的位置数据、偏斜方向数据和角度数据；

步骤S2，根据所述坯头位置与姿态的实时数据、所述链式传输线上坯头的实际运动速度和所述机器人的当前位置生成所述机器人的腕部运动控制指令，并根据腕部运动控制指令控制所述机器人运动至所述坯头所在位置，控制所述机器人腕部的执行器夹紧所述坯头，其中，所述机器人的控制器根据所述腕部运动控制指令驱动所述机器人的手臂以直角坐标的运动形式接近所述坯头，直至到达坯头所在位置；

步骤S3，所述机器人腕部的执行器将夹紧的坯头拖曳至矫直区，由所述矫直区的矫直辊对所述坯头进行夹紧，然后由所述机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行矫直；

步骤S4，所述机器人腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。

根据本发明实施例的坯头自动导引系统及方法，以坐标机器人为核心，前端采用三维激光扫描仪对传输中的坯头进行扫描，由机器人在线控制单元根据扫描数据生成机器人的腕部运动控制指令。在机器人腕部配以专用执行器，由该专用执行器根据腕部运动控制指令实现对坯头的夹持、矫直和导引。本发明采用高精度的三维激光扫描仪、上位机和腕部的执行器协同工作完成对坯头的自动导引，相较于人工操作方式，自动化机器操作方式具有高效、精确的优点，并且采用机器可以实现对红热状态下的钢坯的导引操作。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的坯头自动导引系统的结构图；

图2为根据本发明实施例的坯头自动导引系统对坯头进行夹持和矫直的示意图；

图3为根据本发明实施例的矫直辊和腕部执行器的示意图；

图4为根据本发明实施例的坯头自动导引系统的工作流程图；

图5为根据本发明实施例的坯头自动导引方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种坯头导引系统，该系统集激光3D测量，在线工艺及设备控制为一体，可以实现对热轧板坯头的导引。

如图1所示，本发明实施例的坯头导引系统，包括：坯头识别单元1、机器人在线控制单元2和机器人3。

具体地，坯头识别单元1固定于链式传输线的一侧，其中在链式传输线上传送有坯头。例如，坯头为带钢坯头。坯头识别单元1可以对链式传输线上正在传送的带钢坯头进行连续扫描，得到坯头位置与姿态的实时数据。

坯头识别单元1对坯头进行连续扫描，可以得到坯头的扫描图像。坯头识别单元1对上述扫描图像进行重构和识别，从而得到坯头位置与姿态的实时数据。其中，坯头位置与姿态的实时数据包括：坯头的位置数据、偏斜方向数据和角度数据。

在本发明的一个实施例中，坯头识别单元1可以采用非接触式三维激光扫描仪。具体地，该非接触式三维激光扫描仪可以快速准确地对工件原型进行高精度数字化复制。通过对特定区域和特征点的测量，建立工件的数学模型，实现逆向工程、质量检测和机器人视觉及其他行业领域的应用。具体地，在本发明中，利用该非接触式三维激光扫描仪对运动中的带钢坯头进行连续扫描，可以在钢坯红热状态下实时完成对坯头位置与姿态的实时数据的采集，并将上述坯头位置与姿态的实时数据发送至机器人在线控制单元2。

上述非接触式三维激光扫描仪具有以下特点：

(1)在工件原型、生产和装配过程中进行数字化检测，从而实现无间距的质量检测评价。

(2)能够快速得到工件的点云，快速找出CAD模型与实际的工件的差异。

(3)通过扫描得到工件的点云，用逆向工程软件为工件创建生成精确的数字模型CAD/CAM/CAE系统和机械加工及分析。

机器人在线控制单元2与坯头识别单元1和机器人3进行通信，可以接收来自坯头识别单元1的坯头位置与姿态的实时数据，并获取链式传输线上坯头的实际运动速度和机器人3的当前位置。机器人在线控制单元2根据坯头位置与姿态的实时数据、链式传输线上坯头的实际运动速度和机器人3的当前位置生成机器人3的腕部运动控制指令。其中，机器人的腕部运动控制指令包括机器人3的腕部的目标运动轨迹和目标姿态。机器人在线控制单元2将上述腕部运动控制指令进一步发送至机器人3，以控制机器人3完成相应的动作。

在本发明的一个实施例中，机器人在线控制单元2可以采用上位机。机器人3采用人机交互控制坐标机器人。

机器人3的控制器接收来自机器人在线控制单元2的腕部运动控制指令，根据该腕部运动控制指令控制机器人运动至坯头所在的位置。

具体地，机器人3的控制器将上述腕部运动控制指令下载到本地，由于腕部运动控制指令中的腕部的目标运动轨迹是根据坯头位置与姿态的实时数据生成，而坯头位置与姿态的实时数据中记录有坯头的当前位置。因此，机器人3的控制器可以根据腕部运动控制指令驱动机器人3的手臂以直角坐标的形式接近坯头，直至达到坯头所在位置。

机器人3在到达坯头所在位置后，控制机器人3腕部的执行器对坯头进行夹紧，提起至一定高度后，进一步将坯头拖曳至矫直区。

参考图2和图3，矫直区的矫直辊32对坯头A进行夹紧。然后，由机器人3腕部的执行器31再对上述夹紧后的坯头A进行直线运动以实现对带钢坯头A前端1.5米的长度范围内的矫直，完成矫直过程。在本发明的一个实施例中，机器人腕部的执行器31可以采用液压执行器。

在对坯头矫直后，机器人3腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。

在本发明的一个实施例中，机器人3腕部的执行器可以将坯头送入打卷机的导向槽300毫米处。

下面参考图4对本发明的坯头导引系统的工作流程进行说明。

(1)离线作业

离线工作是系统安装完毕后，需要进行的必要标定和离线程序生成工作。其中,坐标标定工作一套系统只需进行一次。具体地，在离线作业中，分别对机器人腕部的执行器31和三维激光扫描仪的工具坐标进行标定。

(2)在线作业

在线作业包括机器人坯头识别、矫直、导引的执行过程，无需人为干预，系统自动完成，主要步骤如下：

(2-1)坯头识别：前端的三维激光扫描仪对链式传输线固定部位进行连续扫描，即对链式传输线上的运动的坯头进行扫描，得到扫描图像。通过对扫描图像的重构及识别，生成坯头位置与姿态的实时数据，从而确定坯头的准确位置。

(2-2)坯头夹持：机器人在线控制单元2在线规划出坐标机器人的运动路径，并驱动机器人3运动到相应位置由机器人腕部的执行器31对坯头进行夹持。

在机器人在线控制单元2内集成有机器人编程软件包，该机器人编程软件包是整个导引系统的核心，通过编程技术系统可以自动生成复杂路径的运动姿态及位置。机器人在线控制单元2通过该机器人编程软件包可以首先根据前端的三维激光扫描仪重构的三维模型和坯头位置与姿态的实时数据，生成机器手的空间运动路径和姿态。在本发明中，机器手的空间运动路径和姿态记录在腕部运动控制指令中。并且，机器人在线控制单元2还可进一步根据工艺要求，适当调整路径、姿态，以及添加一定的过渡点。在此基础上，将自动生成机器人控制程序下载到机器人3中控制机器人的运动。操作人员只需使用鼠标和简单的操作，该机器人编程软件包就可以产生机器人程序，实际应用中大大减少手工编写代码的工作量。

下面对机器人在线控制单元2进行说明。

具体地，机器人在线控制单元2包括数据输入模块、规划路径模块、产生路径模块、虚拟控制器模拟模块和路径编辑模块。其中，数据输入模块用于提供标准三维CAD模型的输入接口。规划路径模块用于设置UV曲线、平面相交并实现用户自定义。例如，用户可以通过规划路径模块的人机交互界面，通过在面上选取点以生成曲线。产生路径模块用于进行:Reachability检测(可行性检测)和Configuration设置(设置配置信息)。虚拟控制器模拟模块用于模拟运行生成的机器人程序。路径编辑模块用于实现空间运动路径的旋转与平移，并且可以改变路径的方向及实现路径重组。

(2-3)坯头矫直：机器人腕部执行器31将带钢坯头A拖到矫直区，在矫直辊32将带钢夹紧后，机器人腕部执行器31进行直线运动将带钢捋直，矫直辊退回原位，完成矫直工作。

(2-4)坯头导引：机器人腕部执行器31夹持着带钢坯头并送入打卷机的导向槽内，完成整个导向工作。

根据本发明实施例的坯头自动导引系统，以坐标机器人为核心，前端采用三维激光扫描仪对传输中的坯头进行扫描，由机器人在线控制单元根据扫描数据生成机器人的腕部运动控制指令。在机器人腕部配以专用执行器，由该专用执行器根据腕部运动控制指令实现对坯头的夹持、矫直和导引。本发明采用高精度的三维激光扫描仪、上位机和腕部的执行器协同工作完成对坯头的自动导引，相较于人工操作方式，自动化机器操作方式具有高效、精确的优点，并且采用机器可以实现对红热状态下的钢坯的导引操作。

如图5所示，本发明还提出一种坯头自动导引方法，包括如下步骤：

步骤S1，对坯头自动导引系统的链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描，以得到坯头位置与姿态的实时数据。

在本步骤中，在链式传输线上传送有坯头，例如，坯头为带钢坯头。利用非接触式三维激光扫描仪对链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描得到扫描图像，并对扫描图像进行重构和识别得到坯头位置与姿态的实时数据。

在本发明的一个实施例中，坯头位置与姿态的实时数据包括所述坯头的位置数据、偏斜方向数据和角度数据。

步骤S2，根据坯头位置与姿态的实时数据、链式传输线上坯头的实际运动速度和机器人的当前位置生成机器人的腕部运动控制指令，并根据腕部运动控制指令控制机器人运动至坯头所在位置，控制机器人腕部的执行器夹紧坯头。

在本步骤中，机器人在线控制单元接收来非接触式三维激光扫描仪的坯头位置与姿态的实时数据，并获取链式传输线上坯头的实际运动速度和机器人的当前位置，根据坯头位置与姿态的实时数据、链式传输线上坯头的实际运动速度和机器人的当前位置生成机器人的腕部运动控制指令。其中，机器人的腕部运动控制指令包括机器人的腕部的目标运动轨迹和目标姿态。机器人在线控制单元将上述腕部运动控制指令进一步发送至机器人的控制器。

机器人的控制器根据腕部运动控制指令驱动机器人的手臂以直角坐标的运动形式接近坯头，直至到达坯头所在位置。

具体地，机器人的控制器将上述腕部运动控制指令下载到本地，由于腕部运动控制指令中的腕部的目标运动轨迹是根据坯头位置与姿态的实时数据生成，而坯头位置与姿态的实时数据中记录有坯头的当前位置。因此，机器人的控制器可以根据腕部运动控制指令驱动机器人的手臂以直角坐标的形式接近坯头，直至达到坯头所在位置。

步骤S3，机器人腕部的执行器将夹紧的坯头拖曳至矫直区，由矫直区的矫直辊对坯头进行夹紧，然后由机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行矫直，完成矫直过程。

在本发明的一个实施例中，机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行直线运动以实现对带钢坯头A前端1.5米的长度范围内的矫直。

步骤S4，机器人腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。

在本发明的一个实施例中，机器人腕部的执行器可以将坯头送入打卷机的导向槽300毫米处。

根据本发明实施例的坯头自动导引方法，以坐标机器人为核心，前端采用三维激光扫描仪对传输中的坯头进行扫描，由机器人在线控制单元根据扫描数据生成机器人的腕部运动控制指令。在机器人腕部配以专用执行器，由该专用执行器根据腕部运动控制指令实现对坯头的夹持、矫直和导引。本发明采用高精度的三维激光扫描仪、上位机和腕部的执行器协同工作完成对坯头的自动导引，相较于人工操作方式，自动化机器操作方式具有高效、精确的优点，并且采用机器可以实现对红热状态下的钢坯的导引操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (4)

1.一种坯头自动导引系统，其特征在于，包括:坯头识别单元、机器人及机器人在线控制单元，其中，

所述坯头识别单元固定于链式传输线的一侧，用于对所述链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描，以得到坯头位置与姿态的实时数据，其中，所述坯头识别单元对坯头进行连续扫描得到扫描图像，并对所述扫描图像进行重构和识别得到所述坯头位置与姿态的实时数据，其中，所述坯头位置与姿态的实时数据包括所述坯头的位置数据、偏斜方向数据和角度数据；

所述机器人在线控制单元与所述坯头识别单元和机器人进行通信，用于接收所述坯头位置与姿态的实时数据，并获取所述链式传输线上坯头的实际运动速度和所述机器人的当前位置，所述机器人在线控制单元根据所述坯头位置与姿态的实时数据、所述链式传输线上坯头的实际运动速度、所述机器人的当前位置生成所述机器人的腕部运动控制指令，其中，所述机器人的腕部运动控制指令包括腕部的目标运动轨迹和目标姿态；

所述机器人的控制器接收来自所述机器人在线控制单元的腕部运动控制指令，根据腕部运动控制指令控制所述机器人运动至所述坯头所在的位置，其中，所述机器人的控制器根据所述腕部运动控制指令驱动所述机器人的手臂以直角坐标的运动形式接近所述坯头，直至到达坯头所在位置；在到达所述坯头所在位置后，控制所述机器人腕部的执行器对所述坯头进行夹紧后拖曳至矫直区，由所述矫直区的矫直辊对所述坯头进行夹紧，然后由所述机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行矫直，完成矫直后，所述机器人腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。

2.如权利要求1所述的坯头自动导引系统，其特征在于，所述坯头识别单元采用非接触式三维激光扫描仪。

3.如权利要求1所述的坯头自动导引系统，其特征在于，所述机器人腕部的执行器采用液压执行器，所述机器人在线控制单元采用上位机。

4.一种对权利要求1-3任一项所述坯头自动导引系统的坯头自动导引方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，对坯头自动导引系统的链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描，以得到坯头位置与姿态的实时数据，其中，利用非接触式三维激光扫描仪对所述链式传输线上正在传送的坯头进行连续扫描得到扫描图像，并对所述扫描图像进行重构和识别得到所述坯头位置与姿态的实时数据，其中，所述坯头位置与姿态的实时数据包括所述坯头的位置数据、偏斜方向数据和角度数据；

步骤S2，根据所述坯头位置与姿态的实时数据、所述链式传输线上坯头的实际运动速度和机器人的当前位置生成所述机器人的腕部运动控制指令，并根据腕部运动控制指令控制所述机器人运动至所述坯头所在位置，控制所述机器人腕部的执行器夹紧所述坯头，其中，所述机器人的控制器根据所述腕部运动控制指令驱动所述机器人的手臂以直角坐标的运动形式接近所述坯头，直至到达坯头所在位置；

步骤S3，所述机器人腕部的执行器将夹紧的坯头拖曳至矫直区，由所述矫直区的矫直辊对所述坯头进行夹紧，然后由所述机器人腕部的执行器对夹紧后的坯头进行矫直；

步骤S4，所述机器人腕部的执行器夹持矫直后的坯头并送入打卷机的导向槽，完成导引过程。