CN112139857A - 一种针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属表面修磨技术领域，一种针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法，该方法采用的机器人修磨系统包括机器人系统、柔性修磨系统；有效限定修磨轨迹、修磨转速、修磨力道和修磨次数技术参数，实现机器人自动修磨的柔性控制，避免机械与金属之间刚性接触造成的二次损伤，以及局部修磨边缘间的凹凸不均等问题，保持自动化高效率修磨同时，达到规整、美观、平滑的修磨效果。

Description

一种针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法

技术领域

本发明涉及金属表面修磨技术领域，具体涉及为一种针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法。

背景技术

在钢铁制造领域，钢铁产品在生产过程中不可避免地会出现一些表面缺陷，如划伤、裂纹、凹坑和夹杂等，对后续的使用或再加工造成不良影响。随着下游高端产品市场的快速发展，客户对钢铁产品质量提出了越来越高的要求，对产品表面质量要求也日趋严格。目前我国钢厂绝大部分采用传统的人工修磨方式，修磨质量粗糙，深浅不一，任务繁重，随着自动化与人工智能的迅速发展，已经出现存在从事修磨工作的机器人，本发明针对从事修磨机器人的一种柔性修磨方法，可适用于不同工况条件下机器人柔性修磨工艺，实现钢板表面修磨处理的精细、平滑、美观。

发明内容

本发明目的在于解决机器人修磨钢板表面由刚性接触所带来的二次缺陷，以及局部修磨边缘间的凹凸不均等问题，实现平滑过度、柔性修磨的自动控制。本发明提供的技术方案如下：

一种针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法，该方法采用的机器人修磨系统包括机器人系统、柔性修磨系统；其中，机器人系统包括机器手臂，负责带动柔性修磨系统实现轨迹运动、姿态调整；柔性修磨系统包括用于金属修磨的砂轮机和相应的力传感器；机器手臂末端安装恒力执行器，再由恒力执行器夹取砂轮机完成修磨操作，所述的恒力执行器采用闭环力控制，能够在修磨操作过程中实时微调力道，精准控制恒定力，控制精度达到0.1N，力输出方向可达360°，弥补了机器人在控制过程中中响应慢、坐标死角等不足，同时，深度和横向的位移控制可精确到0.1mm；利用恒力执行器的位移控制，可有效解决精准点位的修磨，具有自动加速、重力补偿，柔性接触，保持最佳修磨效果。

具体包括步骤如下：

第一步，根据最小规整原则确定覆盖缺陷的最小修磨矩形；如图1所示。

1.1基于上位机视觉系统捕捉到缺陷的形状和分布，确定单独缺陷外轮廓在图像中的像素坐标信息，并构成坐标集合；

1.2寻找集合中最上A、最右B，最下C、最左D的四个坐标点；

1.3通过四个坐标点计算出可覆盖所有点集合的最小修磨矩形；

第二步，根据邻近包覆原则确定整体修磨形状；如图2所示。

2.1将每个单独缺陷的最小修磨矩形的几何中心坐标汇总成缺陷中心点集合；

2.2计算相临两个中心点的欧式距离，若距离小于阈值Dis_min(根据钢板和缺陷的尺度对比，Dis_min一般取30～50mm)，则将两个中心点的缺陷组成一个新缺陷，遍历整个中心点集合，将获得新缺陷集合；产生的新缺陷集合由一个或若干个小缺陷的修磨矩形所组成，为了提高修磨效率和保持修磨整体性，遵循轨迹连贯原则。若新缺陷集合的中心点个数i大于1即新缺陷集合由i个小缺陷的修磨矩形组成，则第i+1个缺陷矩形保持原规整形状向第i个缺陷做延展，所述的延展为保持矩形特征只做边的延展；遍历新缺陷集合中所有缺陷中心点重复延展操作，基于横平竖直的规整原则，完成新缺陷的有效修磨区域的构建；

第三步，控制机器人修磨系统的修磨力道，实现柔性修磨；

3.1先建立力道与修磨深度的关系，确定金属材料、砂轮形式、砂轮材质和转速，通过实时力传感器的闭环控制，确定力道和修磨量之间的关系；

3.2修磨区域的公式为：

S＝L+T

式中，S为修磨区域一条边的总长；L为第二步有效修磨区域一条边长，即为缺陷规整形状边长；T为边缘过渡区域一条边长，T＝w×d，w为砂轮横向移动步长，d为修磨最大深度，取0.1的整数倍；

有效修磨区，采用大力道保持一次修磨量在0.05～0.1mm，少次快速达到目标修磨深度，砂轮横向移动步长为0.2～1个砂轮宽度；

边缘过渡区，采用小力道保持一次修磨量在0.01～0.05mm，砂轮横向移动步长为0.2～0.5个砂轮宽度；

最终实现修磨边缘间的高度差≤0.1mm的平滑程度。

机器人修磨过程的四个要素是修磨轨迹、修磨转速、修磨力道和修磨次数。

机器人修磨系统的修磨轨迹模型，将遵循最小规整原则、邻近包覆原则和轨迹连贯原则。

考虑到修磨效率高和热量消散快，钢板尤其不锈钢板一般采用直向砂轮机，所以修磨轨迹的单位路径是直线段，表面缺陷处理后的修磨形状以多边形为主。缺陷自身形状和分布都是随机且不规则，基于上位机视觉系统捕捉到缺陷的形状和分布，修磨轨迹模型根据缺陷形状的外轮廓，计算出能包括此外轮廓最小多边形面积，根据现场需求可自定义多边形的边数，由于钢板近似是矩形，默认修磨形状以顺着钢板边缘方向的矩形为主。

若缺陷分布较密，修磨模型考虑将遵循邻近包覆原则，来实现整体修磨的美观同时有效提高修磨效率。

经过工程环境实际测试得知，修磨力道不宜过大，否则会出现卡阻过热灼伤钢板等问题，对于不锈钢材质的钢板，修磨力道控制在50.0～150.0N；对于碳钢材质，修磨力道控制在30.0～150.0N。

除了力道恒定控制之外，修磨时机器手臂移动速度也有严格要求，过快则会导致修磨量减小，缺陷修磨不下去；过慢会造成二次缺陷，甚至损坏钢板，经过数据理论结合实际生产环境验证得知，一般情况下速度保持在100～600mm/s。

缺陷修磨后的平滑是修磨力道、修磨速度以及修磨次数综合控制的结果。通常的，修磨边缘间的高度差≤0.1mm认为近似平滑。

本发明的有益效果是：

给出了适合机器人修磨的可定义可控制的修磨工艺模型。实现机器人自动修磨的柔性控制，避免机械与金属之间刚性接触造成的二次损伤，保持自动化高效率修磨同时，达到规整、美观、平滑的修磨效果。

附图说明

图1为标记缺陷外轮廓示意图。

图2为多缺陷标记整合流程图，(a)遍历整个中心点集合，(b)做边的延展，(c)整合。

图3为修磨量与力道关系图。

图4为修磨区域示意图。

图5为第一次修磨轨迹示意图。

图6为第二次修磨轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于常规的不锈钢材料，采用直向白刚玉砂轮，转速1500r/min，工作一个行程来回条件下，力道与修磨量的关系如图3所示。

缺陷都是无规则的，需要做一些特殊的处理，如图1所示，根据缺陷自身形状转换为多边形，由于大多数多边形为矩形，所以本例以矩形为例。

这里将无规则缺陷的多边形转换为矩形时，第一步是寻找集合中最上A、最右B，最下C、最左D的四个坐标点，第二步通过四个坐标点计算出可覆盖所有点集合的最小修磨矩形，第三步将矩形的四周分别按照砂轮宽度向内侧缩小0.25个砂轮宽度，保证缺陷真实所在区域完全能被覆盖，第二次修磨时矩形的四周分别按照砂轮宽向外侧放大0.5个砂轮宽度。第二次放大的目的是用于缺陷修磨的平滑过渡。

如果遇到多处缺陷较为集中，满足上述条件，距离小于阈值Dis_min(根据钢板和缺陷的尺度对比，Dis_min一般取30～50mm)，则将两个中心点的缺陷组成一个新缺陷，遍历整个中心点集合，将获得新缺陷集合，系统将视集中缺陷为一个大缺陷，如此一来，相对于之前局部位置杂乱无章的矩形，变成一个大矩形。

机器人末端搭载的是一套传感器装置，可以控制机器人修磨系统的修磨力道，实现柔性修磨，在金属材料、砂轮形式、砂轮材质和转速完全相同的情况下，可以准确的控制修磨的深度，修磨时间，误差正负0.001mm。

上位机控制机器人的运动，通过上位机可以保证速度，修磨力道，修磨次数恒定，并可实时调整系统参数，针对每一个不同的矩形，推出算一套最适合当前缺陷的修磨轨迹。机器人修磨时，砂轮每次移动和，由缺陷的左上点移动到右上点时，利用位移偏差，平滑过渡到下一道次修磨，减少了机器人抬起的动作，不仅修磨时间大幅度减少，修磨质量也显著提高。

图5所示上的1标注，宽度是0.25个砂轮宽度，图5所示的2标注，矩形宽度是砂轮宽度的整数倍。图5的矩形大小是按照图1的矩形大小按照砂轮宽度的比例放大。

修磨机器人运动的轨迹如下，以缺陷矩形的左上为起点，沿着箭头方向向右下运动，偏移距离为0.25个砂轮宽度，反反复复运动，保证整个缺陷完整覆盖，左上既是起点也是终点，此为单个缺陷的第一次往返修磨。此种修磨方式既能保证砂轮的平滑偏移，也能保证缺陷修磨后从视觉上和触觉上修磨区域平滑，由于一般所画缺陷都在矩形的中心位置，中心位置按照此种修磨方式可以叫多次覆盖。保证缺陷完全覆盖。

图5是机器人第一次修磨轨迹，第一次修磨结束后返回左上起点位置时，将向图6所示矩形的左上点运动，为机器人第二次修磨做准备，增加机器人的连贯性，提高机器人的柔性修磨。图6里所标注的1所在位置是机器人第一次往返修磨结束的位置，还将会继续运动到所标注的2处为第二次往返修磨做准备，紧接着开始第二次修磨轨迹，从左上起点往返运动，运动到所标注3的位置，最终再回到所标注2所在位置，完成第二次往返修磨。图6所标注4，小矩形是第一次修磨面积，所标注5是大矩形根据砂轮宽度的0.25倍放大，平滑过渡缺陷。最终修磨缺陷将会如图4所示，缺陷完全清除，并过渡平滑。由于机器人定位精度准确，砂轮将会移动到指定的位置，最终形成的修磨区域将是完全矩形化，从视觉上看较为美观。

Claims (3)

1.一种针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法，其特征在于，该方法采用的机器人修磨系统包括机器人系统、柔性修磨系统；其中，机器人系统包括机器手臂，负责带动柔性修磨系统实现轨迹运动、姿态调整；柔性修磨系统包括用于金属修磨的砂轮机和相应的力传感器；机器手臂末端安装恒力执行器，再由恒力执行器夹取砂轮机完成修磨操作，所述的恒力执行器采用闭环力控制，能够在修磨操作过程中实时微调力道，精准控制恒定力，控制精度达到0.1N，力输出方向可达360°，深度和横向的位移控制精确到0.1mm；

具体包括步骤如下：

第一步，根据最小规整原则确定覆盖缺陷的最小修磨矩形；

1.1基于上位机视觉系统捕捉到缺陷的形状和分布，确定单独缺陷外轮廓在图像中的像素坐标信息，并构成坐标集合；

1.2寻找集合中最上A、最右B，最下C、最左D的四个坐标点；

1.3通过四个坐标点计算出可覆盖所有点集合的最小修磨矩形；

第二步，根据邻近包覆原则确定整体修磨形状；

2.1将每个单独缺陷的最小修磨矩形的几何中心坐标汇总成缺陷中心点集合；

2.2计算相临两个中心点的欧式距离，若距离小于阈值Dis_min，则将两个中心点的缺陷组成一个新缺陷，遍历整个中心点集合，将获得新缺陷集合；若新缺陷集合的中心点个数i大于1即新缺陷集合由i个小缺陷的修磨矩形组成，则第i+1个缺陷矩形保持原规整形状向第i个缺陷做延展，所述的延展为保持矩形特征只做边的延展；遍历新缺陷集合中所有缺陷中心点重复延展操作，基于横平竖直的规整原则，完成新缺陷的有效修磨区域的构建；

第三步，控制机器人修磨系统的修磨力道，实现柔性修磨；

3.1先建立力道与修磨深度的关系，确定金属材料、砂轮形式、砂轮材质和转速，通过实时力传感器的闭环控制，确定力道和修磨量之间的关系；

3.2修磨区域的公式为：

S＝L+T

式中，S为修磨区域一条边的总长；L为第二步有效修磨区域一条边长，即为缺陷规整形状边长；T为边缘过渡区域一条边长，T＝w×d，w为砂轮横向移动步长，d为修磨最大深度，取0.1的整数倍；

有效修磨区，采用大力道保持一次修磨量在0.05～0.1mm，少次快速达到目标修磨深度，砂轮横向移动步长为0.2～1个砂轮宽度；

边缘过渡区，采用小力道保持一次修磨量在0.01～0.05mm，砂轮横向移动步长为0.2～0.5个砂轮宽度；

最终实现修磨边缘间的高度差≤0.1mm的平滑程度。

2.根据权利要求1所述的针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法，其特征在于，对于不锈钢材质的钢板，修磨力道控制在50.0～150.0N；对于碳钢材质，修磨力道控制在30.0～150.0N。

3.根据权利要求1所述的针对钢板表面缺陷的机器人柔性修磨方法，其特征在于，修磨时，机器手臂移动速度保持在100～600mm/s。

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