CN110908330A - 阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，针对大型电站机组阀门密封面损伤区域车削清理后的待修复空间，利用原有的车削加工刀杆，将车削刀头替换成旋转探头和激光测距仪，利用旋转探头对待修复空间进行扫描，在这个过程中记录激光测距仪得到的旋转探头和待修复空间表面的距离数据，快速完成待修复损伤区域的三维模型重构，并根据后续加工工艺，输出密封面损伤区域模型的自动化修复路径；为自动化修复的稳定性提供检测和程序支持，保证修复质量。

Description

阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法
技术领域
本发明涉及阀门密封面损伤区域修复技术领域，具体涉及一种阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法。
背景技术
阀门在火电、水电、核电、化工等能源行业中是一种重要的控制部件，随着阀门服役时间的增加，密封面在内部介质以及服役阀芯开关闭合撞击下，不可避免的会产生掉块、凹坑、蚀斑等缺陷，影响密封效果，对服务机组的危害性极大。由于阀门大部分都是焊接在主管道上，拆卸维修困难，目前大部分还是依靠现场车削加上后续手工电弧堆焊的方式进行修复，自动化程度低，修复的周期和修复质量难以控制。其中损伤模型的快速重建和修复路径的规划是实现后续自动化现场修复的关键基础技术，目前还没有成熟的技术方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，为自动化修复的稳定性提供检测和程序支持，保证修复质量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：阀门密封面损伤区域经过均匀厚度的车削加工并清理干净后，拆掉车削加工刀头，利用车削加工刀头原有的车削刀盘和刀杆，将装有激光测距仪的旋转探头替换车削加工刀头安装到车削刀盘上，以激光测距仪和车削刀盘为相对中心分别建立修复加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE；
步骤2：控制刀杆，将装有激光测距仪的旋转探头沿阀门内腔径向运动到密封面损伤区域，通过径向的移动，标定出密封面损伤区域径向边界；通过对比损伤区域径向边界测量距离数据、待修复损伤区域和激光测距仪的距离数据，得到待修复损伤区域的深度信息H；
步骤3：从任意一个待修复损伤区域的径向边界开始，通过控制刀杆旋转，带动固定在车削刀盘上的旋转探头和激光测距仪做轴向360°旋转，同时扫描记录激光测距仪返回的距离数据，沿轴向数据间隔3-10点/度；
步骤4：完成步骤3中某一个位置360°旋转测量后，控制刀杆沿径向向待修复损伤区域移动一个测量间隔△S，重复步骤3的过程，依次完成每一个待修复损伤区域径向剖面的测量；
步骤5：移动到另一个待修复损伤区域的径向边界，通过刀杆控制旋转探头的轴向扫描，同步记录激光测距仪返回的距离数据，沿轴向数据间隔3-10点/度，完成最后一次数据测量；
步骤6：根据步骤1中建立的以激光测距仪和车削刀盘为相对中心的修复加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE，通过坐标变换标定出两个坐标系中原点的相对偏差，对步骤3、4、5中在修复加工坐标系中测量的数据和相对偏差修正后，计算出待修复损伤区域表面在阀门管道坐标系PBASE中的数据，结合待修复损伤区域的深度信息H、每次径向移动距离△S和在不同径向截面的测量数据，在阀门管道坐标系PBASE中计算出待修复损伤区域的空间包络模型，也就是待修复损伤区域的三维模型；
步骤7：对步骤6中反求出的待修复损伤区域的三维模型，根据修复工艺的要求，即修复方式、修复方向、修复移动距离△S、每层修复的厚度△H等，沿径向或者轴向进行分层剖分处理，并结合车削的加工数据，调整修复工具的连接尺寸，以阀门管道坐标系PBASE为基准对对每一层的轮廓形状内部按照修复工艺要求，逐道遍历搭接，转换成修复的路径。
所述旋转探头能够和车削加工刀头、修复加工工具互换，或者是按照车削加工刀头配装尺寸定制接头，实现和车削加工刀头的快速互换以及坐标原点的转换。
所述旋转探头上装有摄像头，方便观察激光测距仪测量过程中的位置。
所述旋转探头沿阀门内腔的径向移动和轴向旋转，定位精度优于0.03mm/m。
所述激光测距仪安装在旋转探头上，通过输出激光的反射记录并输出损伤加工后的表面和旋转探头之间的距离数据，精度优于0.01mm。
本发明的优点在于：利用成熟的车削刀头和运动控制，通过摄像头和激光测距仪，方便的完成阀门密封面待修复损伤区域车削部分的模型重构，并且可以结合后续自动化修复的工艺要求，按照不同方式规划修复路径，为自动化修复的稳定性提供检测和程序支持，保证修复质量。
附图说明
图1为本发明的阀门密封面损伤模型的快速重建过程旋转探头沿轴向移动剖面示意图。
图2为本发明的阀门密封面损伤模型的快速重建过程旋转探头沿径向移动剖面示意图。
图中1为阀门本体、2为待修复损伤区域、3为旋转探头、4为激光测距仪、5为摄像头。
图3为本发明所述的路径规划示意图，其中图3a为轴向加工路径，图3b为径向加工路径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，利用成熟的车削加工刀杆和配套的刀盘等工装，可以将带有激光测距仪的旋转探头快速互换，设定修复加工坐标系和阀门坐标系，随后将激光测距仪扫描测量待修复加工表面和旋转探头的距离信息，快速重建待修复损伤区域的三维模型；并将建立的三维模型和不同修复工艺、加工参数等结合，根据自动化工艺需求给出合适的修复路径规划方法。
实施例1
本实施例以高压阀门密封面损伤为例，对本发明的损伤区域模型快速重建与修复路径规划方法做进一步的详细说明，本实施例中对阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划执行机构是Kuka机器人，所述过程是对本发明的解释而不是限定。
其步骤具体为：
步骤1：将损伤的高压阀门密封面按照损伤修复图纸要求，彻底车削掉原有堆焊材料，清理干净后，拆掉车削加工刀头，将装有激光测距仪4和摄像头5的旋转探头3替换安装到Kuka机器人的第六轴上，分别以激光测距仪4和机器人第六轴为相对中心分别建立加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE；
步骤2：如图1所示，将旋转探头3沿密封面径向运动到待修复损伤区域2，通过径向移动，标定出待修复损伤区域2上下边界和深度信息H，如图2所示；
步骤3：以图2中待修复损伤区域2为例，从上边界开始扫描检测，通过控制旋转探头3的轴向旋转，同步记录激光测距仪4返回的和待修复损伤区域表面的距离数据，激光测距仪4精度优于0.01mm，数据间隔(轴向)3-10点/度；
步骤4：控制旋转探头3径向的运动，移动一个测量间隔△S，重复步骤3的过程，依次完成每一个径向剖面的测量；
步骤5：重复步骤3、4，一直到旋转探头3移动到下边界，通过控制旋转探头3的轴向旋转，同步记录激光测距仪4返回的距离数据，激光测距仪4精度优于0.01mm，数据间隔(轴向)3-10点/度，完成最后一次数据测量；
步骤6：将测量得到的旋转探头3和待修复加工表面的距离数据，结合图2中的上、下边界，待修复损伤区域的深度信息H，利用逐点插入法得到待修复区域在加工坐标系PTOOL下整体轮廓包络尺寸，利用Kuka机器人的坐标变换函数将加工坐标系PTOOL中的模型数据转换到成阀门管道坐标系PBASE中，建立待修复损伤区域的三维模型；
步骤7：对计算出的待修复损伤区域的三维模型转换成标准的STL数据格式文件，根据后续修复工艺的要求，可以沿径向或者轴向进行分层剖分处理，如图3中图3a和图3b所示，并结合车削的加工数据和修复工具的尺寸，转换成自动修复的路径。
实施例2
本实施例以高压阀门密封面损伤为例，对本发明的损伤区域模型快速重建与修复路径规划方法做进一步的详细说明，本实施例中对阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划执行机构是通用加工机床，所述过程是对本发明的解释而不是限定。
步骤1：阀门密封面损伤区域经过车削加工清理干净后，拆掉车削加工刀头，利用车削加工刀头原有的车削刀盘和刀杆，将装有激光测距仪的旋转探头替换车削加工刀头安装到车削刀盘上，以激光测距仪和车削刀盘为相对中心分别建立修复加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE；
步骤2：控制刀杆，将装有激光测距仪的旋转探头沿阀门内腔径向运动到密封面损伤区域，通过径向的移动，标定出密封面损伤区域径向边界；通过对比损伤区域径向边界、待修复损伤区域和激光测距仪的距离数据，得到待修复损伤区域的深度信息H；
步骤3：从任意一个待修复损伤区域的径向边界开始，通过控制刀杆旋转，带动固定在车削刀盘上的旋转探头和激光测距仪做轴向360°旋转，同时扫描记录激光测距仪返回的距离数据，沿轴向数据间隔3-10点/度；
步骤4：完成步骤3中某一个位置360°旋转测量后，控制刀杆沿径向向待修复损伤区域移动一个测量间隔△S，重复步骤3的过程，依次完成每一个待修复损伤区域径向剖面的测量；
步骤5：移动到另一个待修复损伤区域的径向边界，通过刀杆控制旋转探头的轴向扫描，同步记录激光测距仪返回的距离数据，沿轴向数据间隔3-10点/度，完成最后一次数据测量；
步骤6：根据步骤1中建立的以激光测距仪和车削刀盘为相对中心的修复加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE，测量标定出两个坐标系中原点的相对偏差，对步骤3、4、5中在修复加工坐标系中测量的数据和相对偏差修正后，计算出待修复损伤区域表面在阀门管道坐标系中的数据，结合待修复损伤区域的深度信息H、每次径向移动距离△S、在不同径向截面的测量数据，利用逐点插入法得到待修复区域在加工坐标系PTOOL下整体轮廓包络尺寸，利用上位机坐标齐次矩阵变换，将模型数据转换成阀门管道坐标系PBASE中，建立待修复损伤区域的三维模型；
步骤7：对步骤6中反求出的待修复损伤区域的三维模型转换成标准的STL数据格式文件，根据修复工艺的要求，即修复方式、修复方向、修复移动距离△S、每层修复的厚度△H等，沿径向或者轴向进行分层剖分处理，并结合车削的加工数据和修复工具的尺寸，对每一层的轮廓形状内部按照修复工艺要求，逐道遍历搭接，转换成修复的路径。

Claims (5)

1.一种阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：阀门密封面损伤区域经过均匀厚度的车削加工并清理干净后，拆掉车削加工刀头，利用车削加工刀头原有的车削刀盘和刀杆，将装有激光测距仪的旋转探头替换车削加工刀头安装到车削刀盘上，以激光测距仪和车削刀盘为相对中心分别建立修复加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE；
步骤2：控制刀杆，将装有激光测距仪的旋转探头沿阀门内腔径向运动到密封面损伤区域，通过径向的移动，标定出密封面损伤区域径向边界；通过对比损伤区域径向边界测量距离数据、待修复损伤区域和激光测距仪的距离数据，得到待修复损伤区域的深度信息H；
步骤3：从任意一个待修复损伤区域的径向边界开始，通过控制刀杆旋转，带动固定在车削刀盘上的旋转探头和激光测距仪做轴向360°旋转，同时扫描记录激光测距仪返回的距离数据，沿轴向数据间隔3-10点/度；
步骤4：完成步骤3中某一个位置360°旋转测量后，控制刀杆沿径向向待修复损伤区域移动一个测量间隔△S，重复步骤3的过程，依次完成每一个待修复损伤区域径向剖面的测量；
步骤5：移动到另一个待修复损伤区域的径向边界，通过刀杆控制旋转探头的轴向扫描，同步记录激光测距仪返回的距离数据，沿轴向数据间隔3-10点/度，完成最后一次数据测量；
步骤6：根据步骤1中建立的以激光测距仪和车削刀盘为相对中心的修复加工坐标系PTOOL和阀门管道坐标系PBASE，通过坐标变换标定出两个坐标系中原点的相对偏差，对步骤3、4、5中在修复加工坐标系中测量的数据和相对偏差修正后，计算出待修复损伤区域表面在阀门管道坐标系PBASE中的数据，结合待修复损伤区域的深度信息H、每次径向移动距离△S和在不同径向截面的测量数据，在阀门管道坐标系PBASE中计算出待修复损伤区域的空间包络模型，也就是待修复损伤区域的三维模型；
步骤7：对步骤6中反求出的待修复损伤区域的三维模型，根据修复工艺的要求，包括修复方式、修复方向、修复移动距离△S和每层修复的厚度△H，沿径向或者轴向进行分层剖分处理，并结合车削的加工数据，调整修复工具的连接尺寸，以阀门管道坐标系PBASE为基准对每一层的轮廓形状内部按照修复工艺要求，逐道遍历搭接，转换成修复的路径。
2.根据权利要求1所述的阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，其特征在于：所述旋转探头能够和车削加工刀头、修复加工工具互换，或者是按照车削加工刀头配装尺寸定制接头，实现和车削加工刀头的快速互换以及坐标原点的转换。
3.根据权利要求1所述的阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，其特征在于：所述旋转探头上装有摄像头，方便观察激光测距仪测量过程中的位置。
4.根据权利要求1所述的阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，其特征在于：所述旋转探头沿阀门内腔的径向移动和轴向旋转，定位精度优于0.03mm/m。
5.根据权利要求1所述的阀门密封面损伤区域模型的快速重建与修复路径规划方法，其特征在于：所述激光测距仪安装在旋转探头上，通过输出激光的反射记录并输出损伤加工后的表面和旋转探头之间的距离数据，精度优于0.01mm。
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