CN112296822B - 钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法 - Google Patents

钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，通过打磨装置搭载在机械臂上，轮廓仪配合检测扫描钢管，上位机建立坐标系来规划路径，再控制打磨装置沿该路径进行打磨，实现高精度的打磨，无需人工二次打磨，生产效率高；在打磨焊缝三角区时，采用分段线性拟合的方法对焊缝三角区打磨，在不磨伤钢管的情况下保障了焊缝三角区的打磨；通过上位机根据基于差分方法的焊缝扫描处理算法找出焊缝的趾点，通过焊缝趾点来控制打磨装置到钢管之间的距离，从而满足APISPEC5L标准和GBT97111—1997标准规定。

Description

钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法
技术领域
本发明涉及钢管加工工艺技术领域，具体涉及钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法。
背景技术
针对螺旋焊管，APISPEC5L标准和GBT97111—1997标准中均明确规定：应清除螺旋焊管距管端至少150mm长度范围内的内外焊缝余高，磨削处理后的焊道不能低于管体而且超出钢管表面部分应小于0.5mm，修磨处理后的焊缝应过渡平滑，不能对钢管母材造成伤害。
目前，我国钢管焊缝打磨处理加工都是通过机械手装有的磨头完成自动磨削的设备，但是普遍存在打磨精度不够，因此现有技术无法满足APISPEC5L标准和GBT97111—1997标准规定，导致打磨后焊道余高过高仍需人工二次修磨，这种打磨方式生产效率低下、劳动强度较大、工作成本高、加工精度难以保证、还经常存在磨伤钢管母材等问题。
发明内容
为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供在能满足APISPEC5L标准和GBT97111—1997标准规定、不磨伤钢管的情况下保障了焊缝三角区的打磨、打磨精度高的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法。
本发明的技术方案是：钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，包括以下步骤：
S1，装配机器人及上传钢管参数：螺旋焊管管端打磨机器人包括电气控制系统、上位机及滑动平台，在滑动平台上滑动设有机械臂，在机械臂上设有打磨装置、在打磨装置上还设有轮廓仪和光电传感器，上位机通过电气控制系统控制打磨装置、机械臂及滑动平台，在上位机上输入钢管的直径、壁厚及螺距的参数；
S2，确定钢管位置：滑动平台带动机械臂沿钢管方向移动，根据轮廓仪检测到钢管再控制机械臂到达指定位置后，上位机再控制滑动平台停止移动；
S3，寻找管端：根据光电传感器寻找定位到钢管管端，机械臂带动打磨装置到距离钢管进深一步的打磨段距离；
S4,建立用户坐标系：轮廓仪读取打磨装置与钢管之间的距离，并根据钢管管径计算获得钢管的圆心，上位机建立以钢管圆心为原点的用户坐标系；
S5，寻找焊缝：上位机控制放置有钢管的钢管转动装置带动钢管转动，轮廓仪在钢管上检测数据寻找焊缝，找到焊缝后，上位机控制钢管转动装置停止转动；
S6，规划路径：在以钢管圆心为坐标原点的用户坐标系中，螺旋焊缝钢管的焊缝轨迹为螺旋线，在用户坐标系中的参数方程为：
Figure GDA0003736912820000021
Y＝Rcosθ (2)
Z＝Rsinθ (3)
其中，X，Y，Z点分别为焊缝在用户坐标系中的坐标，L为钢管的螺旋焊缝螺距，θ为坐标系中由于运动而产生的圆心角，R为钢管的半径；
根据上述参数方程X、Y、Z点的变化数据，在坐标系中规划出与焊缝相对平行的螺旋线，机械臂带动打磨装置沿规划的螺旋线路径运动，从而轮廓仪完成对焊缝的扫描；
S7，处理扫描焊缝的数据：上位机根据基于差分方法的焊缝扫描处理算法对焊缝扫描数据进行处理，并且找到焊缝的左趾点和右趾点，根据扫描的数据生成焊缝3D图像，从而规划打磨装置在整条焊缝上的打磨力度；
S8，打磨焊缝：通过滑动平台使打磨装置回到焊缝的初始位置，打磨装置控制磨头转轮到达与钢管设定的位置，机械臂带动打磨装置按规划的螺旋线路径运动，同时控制磨头转轮对焊缝进行打磨；
S9，打磨焊缝三角区：打磨装置根据分段线性拟合的方法对焊缝三角区进行打磨处理；
S10，控制打磨装置和机械臂复位，滑动平台控制机械臂回到初始位置；
优选的，步骤S7中的基于差分方法的焊缝扫描处理算法包括：利用轮廓仪采集焊缝截面的数据建立平面直角坐标系，随着曲线上X点的递增来比较曲线中Z点的数值变化量，在X点一定范围内Z点中两个数值相差较大时，通过相减所得的数值取绝对值，根据这个数值得到焊缝的趾点。
优选的，步骤S9中的分段线性拟合的方法包括：S9-1，在打磨装置接近三角区时，根据焊缝右趾点以外的钢管与磨头之间的距离为磨头下刀量；S9-2，在打磨装置进入三角区，通过除以钢管与磨头之间的距离，以线性增加的方式，来递减磨头转轮的下刀量。
优选的，步骤S3中机械臂带动打磨装置到距离钢管进深一步的打磨段距离，在打磨钢管外焊缝时，机械臂带动打磨装置到钢管外部的最高点，在打磨钢管内焊缝时，控制机械臂带动打磨装置到钢管内的最低点。
优选的，所述打磨装置包括打磨支架，在所述打磨支架上设有磨头转轮、传动轮、打磨电机及轮廓仪，所述打磨电机与传动轮驱动连接，所述传动轮通过砂带与磨头转轮传动，在所述打磨支架上还设有活动板，在所述活动板上设有丝杠滑块，在所述活动板两侧设有随丝杠滑块移动的垂直滑块。
优选的，所述打磨装置还包括支撑架，在所述支撑架上设有光电传感器，在所述支撑架内侧设有相对的垂直滑轨，且所述垂直滑块滑动设置在所述垂直滑轨上，在所述支撑架上设有能驱动打磨支架沿垂直滑轨上下移动的垂直电机及垂直丝杠，所述垂直电机通过直角换向器与垂直丝杠呈九十度连接，且所述丝杠滑块在垂直丝杠上移动设置，在所述支撑架尾端设有与机械臂相连接的安装板。
优选的，所述机械臂包括依次连接的基座、旋转台、下臂部、上臂部及转动臂，所述旋转台能在所述基座上以Z轴进行转动，所述下臂部能在旋转台上以Y轴进行转动，所述上臂部能在下臂部上以X轴进行转动，所述转动臂能在上臂部上以W轴进行转动，在所述转动臂上设有能在转动臂以V轴进行转动的安装部。
优选的，所述滑动平台包括滑轨和移动座，在所述滑轨两侧设有齿条，在所述移动座上设有齿轮及驱动齿轮转动的驱动电机，所述齿轮与齿条啮合。
优选的，所述钢管转动装置包括底座和转动电机，在所述底座上设有主动旋转辊和从动旋转辊，所述主动旋转辊与转动电机轴连接。
本发明的有益效果：
1、本发明通过打磨装置搭载在机械臂上，轮廓仪配合检测扫描钢管，上位机建立坐标系来规划路径，再控制打磨装置沿该路径进行打磨，实现高精度的打磨，无需人工二次打磨，生产效率高；
2、本发明在打磨焊缝三角区时，采用分段线性拟合的方法对焊缝三角区打磨，在不磨伤钢管的情况下保障了焊缝三角区的打磨；
3、本发明通过上位机根据基于差分方法的焊缝扫描处理算法找出焊缝的趾点，通过焊缝趾点来控制打磨装置到钢管之间的距离，从而满足APISPEC5L标准和GBT97111—1997标准规定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为以钢管圆心为坐标原点的坐标图；
图3为轮廓仪采集焊缝截面的数据建立的坐标图；
图4为多组焊缝数据建立的二维图组合成的焊缝三维图；
图5为焊缝的截面图；
图6为打磨支架结构示意图；
图7为打磨装置内部结构示意图；
图8为支撑架结构示意图；
图9为机械臂结构示意图；
图10为滑动平台结构示意图；
图11为钢管转动装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明技术方案如下：钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，包括以下步骤：
S1，装配机器人及上传钢管参数：螺旋焊管管端打磨机器人包括电气控制系统、上位机及滑动平台3，根据图1所示，在滑动平台3上滑动设有机械臂2，在机械臂2上设有打磨装置1、在打磨装置1上还设有轮廓仪111和光电传感器121，上位机通过电气控制系统控制打磨装置1、机械臂2及滑动平台3，在上位机上输入钢管的直径、壁厚及螺距的参数；
S2，确定钢管位置：滑动平台3带动机械臂2沿钢管方向移动，根据轮廓仪111检测到钢管再控制机械臂2到达指定位置后，上位机再控制滑动平台3停止移动；
S3，寻找管端：根据光电传感器121寻找定位到钢管管端，机械臂2带动打磨装置1到距离钢管进深一步的打磨段距离，根据不同打磨需求，此时打磨装置与钢管之间的距离为180mm或200mm，由于钢管生产时有内焊缝或者外焊缝，因此在打磨钢管外焊缝时，控制机械臂2带动打磨装置1到钢管外部的最高点，而在打磨钢管内焊缝时，控制机械臂2带动打磨装置1到钢管内的最低点；
S4,建立用户坐标系：轮廓仪111读取打磨装置1与钢管之间的距离，并根据钢管管径计算获得钢管的圆心，上位机建立以钢管圆心为原点的用户坐标系；
S5，寻找焊缝：上位机控制放置有钢管的钢管转动装置4带动钢管转动，轮廓仪111在钢管上检测数据寻找焊缝，找到焊缝后，上位机控制钢管转动装置4停止转动；
由于惯性的作用，会导致焊缝寻找不够准确，因此控制钢管转动装置4反向低速转动，再次使用轮廓仪检测数据，精确找到焊缝。
S6，规划路径：在以钢管圆心为坐标原点的用户坐标系中，螺旋焊缝钢管的焊缝轨迹为螺旋线，在用户坐标系中的参数方程为：
Figure GDA0003736912820000071
Y＝Rcosθ (2)
Z＝Rsinθ (3)
其中，X，Y，Z点分别为焊缝在用户坐标系中的坐标，L为钢管的螺旋焊缝螺距，θ为坐标系中由于运动而产生的圆心角，R为钢管的半径；
根据上述参数方程X、Y、Z点的变化数据，在坐标系中规划出与焊缝相对平行的螺旋线，机械臂带动打磨装置沿规划的螺旋线路径运动，螺旋线以钢管圆心为圆点，其半径值为钢管的半径R、管壁厚度及钢管外边面与轮廓仪之间的距离之和，当打磨内焊缝时，轮廓仪只需要扫描打磨装置与钢管之间的距离，根据钢管的半径R规划出打磨装置的螺旋线路径，从而轮廓仪完成对焊缝的扫描；
S7，处理扫描焊缝的数据：上位机根据基于差分方法的焊缝扫描处理算法对焊缝扫描数据进行处理，焊缝扫描处理算法包括：利用轮廓仪采集焊缝截面的数据建立如图3所示的平面直角坐标系，随着曲线上X点的递增来比较曲线中Z点的数值变化量，在X点一定范围内Z点中两个数值相差较大时，通过相减所得的数值取绝对值，从图中可以得出两个这样的数值，根据这两个数值得到焊缝左、右两个趾点，其中趾点为焊缝两边与钢管的交点，作为打磨力度判断的依据；
并且记录焊缝的左趾点和右趾点，通过多组焊缝数据建立的二维图组合成如图4所示的焊缝3D图像，规划磨头在整条焊缝上的打磨力度来满足APISPEC5L标准和GBT97111—1997标准规定；
S8，打磨焊缝：通过滑动平台3使打磨装置1回到焊缝的初始位置，打磨装置1控制磨头转轮112到达与钢管设定的位置，机械臂2带动打磨装置1按规划的螺旋线路径运动，同时打磨装置1控制磨头转轮112对焊缝进行打磨，在打磨的过程中，打磨装置对不同的焊缝点的打磨力度不同，使得打磨的精度大大提高；
由于在钢管特定的角度上需要改变机械臂的姿态来进行打磨，根据图5计算出
Figure GDA0003736912820000081
控制机械臂在一个特定的方向主动变化一个α角的姿态，规划出机械臂特定方向的姿态，以解决打磨错边的问题。
S9，打磨焊缝三角区(由于该机器人从管身向管端方向打磨，打磨装置沿焊缝打磨，焊缝最后部分会存在一个三角区)：打磨装置1根据分段线性拟合的方法对三角区进行打磨处理，分段线性拟合的方法包括：S9-1，在打磨装置接近三角区时，根据焊缝右趾点以外的钢管与磨头之间的距离为磨头下刀量；S9-2，在打磨装置进入三角区，通过除以钢管与磨头之间的距离，以线性增加的方式，来递减磨头转轮的下刀量，在最后只有一点焊缝时，磨头转轮只需要以一个固定的下刀量来进行打磨，在不磨伤钢管的情况下保障了焊缝三角区的打磨；
S10，控制打磨装置和机械臂复位，滑动平台控制机械臂回到初始位置；
通过上述步骤实现了螺旋焊管管端打磨机器人高精度的打磨，无需人工二次打磨，生产效率高。
如图6所示，打磨装置1包括打磨支架113，在打磨支架113上设有磨头转轮112、传动轮114、打磨电机115及轮廓仪111，打磨电机115与传动轮114驱动连接，传动轮114通过砂带116与磨头转轮112传动，如图6所示，在打磨支架113上还设有活动板118，在活动板118上设有丝杠滑块117，在活动板118两侧设有随丝杠滑块117移动的垂直滑块119。
结合图7和图8所示，打磨装置1还包括支撑架122，在支撑架122上设有光电传感器121，在支撑架122内侧设有相对的垂直滑轨123，且垂直滑块119滑动设置在垂直滑轨123上，在支撑架122上设有能驱动打磨支架113沿垂直滑轨123上下移动的垂直电机124及垂直丝杠125，垂直电机124通过直角换向器与垂直丝杠125呈九十度连接，且丝杠滑块117在垂直丝杠125上移动设置，在支撑架122尾端设有安装板26，机械臂2通过安装部与打磨装置上的安装板连接。
如图9所示，机械臂2包括依次连接的基座21、旋转台22、下臂部23、上臂部24及转动臂25，旋转台22能在基座21上以Z轴进行转动，下臂部23能在旋转台22上以Y轴进行转动，上臂部24能在下臂部23上以X轴进行转动，转动臂25能在上臂部24上以W轴进行转动，在转动臂25上设有能在转动臂25以V轴进行转动的安装部26，在上述的实施例中，在基座、旋转台、下臂部、上臂部及转动臂都设有使其转动的电机。
如图10所示，滑动平台3包括滑轨31和移动座32，在滑轨31两侧设有齿条33，在移动座32上设有齿轮34及驱动齿轮34转动的驱动电机35，齿轮34与齿条33啮合。
如图11所示，钢管转动装置4包括底座41和转动电机42，在底座41上设有主动旋转辊43和从动旋转辊44，主动旋转辊43与转动电机42轴连接。
需要说明的是，在本发明中上位机使用LABVIEW开发的软件对各类机器设备实时控制，而且上位机都是通过电气控制系统来分别控制打磨电机115、垂直电机124、驱动电机35、转动电机42以及机械臂上的电机，轮廓仪采用德国米铱LLT2900-50型轮廓仪
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，装配机器人及上传钢管参数：钢管管端螺旋焊缝打磨机器人包括电气控制系统、上位机及滑动平台（3），在滑动平台（3）上滑动设有机械臂（2），在机械臂（2）上设有打磨装置（1）、在打磨装置（1）上还设有轮廓仪（111）和光电传感器（121），上位机通过电气控制系统控制打磨装置（1）、机械臂（2）及滑动平台（3），在上位机上输入钢管的直径、壁厚及螺距的参数；
S2，确定钢管位置：滑动平台（3）带动机械臂（2）沿钢管方向移动，根据轮廓仪（111）检测到钢管再控制机械臂（2）到达指定位置后，上位机再控制滑动平台（3）停止移动；
S3，寻找管端：根据光电传感器（121）寻找定位到钢管管端，机械臂（2）带动打磨装置（1）到距离钢管180mm或200mm的位置，由于钢管生产时有内焊缝或者外焊缝，因此在打磨钢管外焊缝时，控制机械臂（2）带动打磨装置（1）到钢管外部的最高点，而在打磨钢管内焊缝时，控制机械臂（2）带动打磨装置（1）到钢管内的最低点；
S4,建立用户坐标系：轮廓仪（111）读取打磨装置（1）与钢管之间的距离，并根据钢管管径计算获得钢管的圆心，上位机建立以钢管圆心为原点的用户坐标系；
S5，寻找焊缝：上位机控制放置有钢管的钢管转动装置（4）带动钢管转动，轮廓仪（111）在钢管上检测数据寻找焊缝，找到焊缝后，上位机控制钢管转动装置（4）停止转动；
S6，规划路径：在以钢管圆心为坐标原点的用户坐标系中，螺旋焊缝钢管的焊缝轨迹为螺旋线，在用户坐标系中的参数方程为：
Ｘ＝
Figure DEST_PATH_IMAGE002
×θ×
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（1）
Ｙ＝Ｒcosθ　（2）
Ｚ＝Ｒsinθ （3）
其中，X，Y，Z点分别为焊缝在用户坐标系中的坐标，L为钢管的螺旋焊缝螺距，θ为坐标系中由于运动而产生的圆心角，R为钢管的半径；
根据上述参数方程X、Y、Z点的变化数据，在坐标系中规划出与焊缝相对平行的螺旋线，机械臂（2）带动打磨装置（1）沿规划的螺旋线路径运动，从而轮廓仪（111）完成对焊缝的扫描；
S7，处理扫描焊缝的数据：上位机根据基于差分方法的焊缝扫描处理算法对焊缝扫描数据进行处理，并且找到焊缝的左趾点和右趾点，根据扫描的数据生成焊缝3D图像，从而规划打磨装置（1）在整条焊缝上的打磨力度；
S8，打磨焊缝：通过滑动平台（3）使打磨装置（1）回到焊缝的初始位置，打磨装置（1）控制磨头转轮（112）到达与钢管设定的位置，机械臂（2）带动打磨装置（1）按规划的螺旋线路径运动，同时控制磨头转轮（112）对焊缝进行打磨；
S9，打磨焊缝三角区：打磨装置（1）根据分段线性拟合的方法对焊缝三角区进行打磨处理；
S10，控制打磨装置（1）和机械臂（2）复位，滑动平台（3）控制机械臂（2）回到初始位置。
2.根据权利要求1所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：步骤S7中的基于差分方法的焊缝扫描处理算法包括：利用轮廓仪采集焊缝截面的数据建立平面直角坐标系，随着曲线上X点的递增来比较曲线中Z点的数值变化量，在X点一定范围内Z点中两个数值相差较大时，通过相减所得的数值取绝对值，根据这个数值得到焊缝的趾点。
3.根据权利要求1所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：步骤S9中的分段线性拟合的方法包括：S9-1，在打磨装置接近三角区时，根据焊缝右趾点以外的钢管与磨头之间的距离为磨头下刀量；S9-2，在打磨装置进入三角区，通过除以钢管与磨头之间的距离，以线性增加的方式，来递减磨头转轮的下刀量。
4.根据权利要求1所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：所述打磨装置（1）包括打磨支架（113），在所述打磨支架（113）上设有磨头转轮（112）、传动轮（114）、打磨电机（115）及轮廓仪（111），所述打磨电机（115）与传动轮（114）驱动连接，所述传动轮（114）通过砂带（116）与磨头转轮（112）传动，在所述打磨支架（113）上还设有活动板（118），在所述活动板（118）上设有丝杠滑块（117），在所述活动板（118）两侧设有随丝杠滑块（117）移动的垂直滑块（119）。
5.根据权利要求4所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：所述打磨装置（1）还包括支撑架（122），在所述支撑架（122）上设有光电传感器（121），在所述支撑架（122）内侧设有相对的垂直滑轨（123），且所述垂直滑块（119）滑动设置在所述垂直滑轨（123）上，在所述支撑架（122）上设有能驱动打磨支架（113）沿垂直滑轨（123）上下移动的垂直电机（124）及垂直丝杠（125），所述垂直电机（124）通过直角换向器与垂直丝杠（125）呈九十度连接，且所述丝杠滑块（117）在垂直丝杠（125）上移动设置，在所述支撑架（122）尾端设有与机械臂（2）相连接的安装板（126）。
6.根据权利要求1所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：所述机械臂（2）包括依次连接的基座（21）、旋转台（22）、下臂部（23）、上臂部（24）及转动臂（25），所述旋转台（22）能在所述基座（21）上以Z轴进行转动，所述下臂部（23）能在旋转台（22）上以Y轴进行转动，所述上臂部（24）能在下臂部（23）上以X轴进行转动，所述转动臂（25）能在上臂部（24）上以W轴进行转动，在所述转动臂（25）上设有能在转动臂（25）以V轴进行转动的安装部（26）。
7.根据权利要求1所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：所述滑动平台（3）包括滑轨（31）和移动座（32），在所述滑轨（31）两侧设有齿条（33），在所述移动座（32）上设有齿轮（34）及驱动齿轮（34）转动的驱动电机（35），所述齿轮（34）与齿条（33）啮合。
8.根据权利要求1所述的钢管管端螺旋焊缝打磨机器人的打磨方法，其特征在于：所述钢管转动装置（4）包括底座（41）和转动电机（42），在所述底座（41）上设有主动旋转辊（43）和从动旋转辊（44），所述主动旋转辊（43）与转动电机（42）轴连接。
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