CN114654308B - 一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨方法 - Google Patents

Abstract

一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨系统和打磨方法，包括机械手、力控单元、打磨装置、线扫激光传感器和控制系统；机械手的尾端与数控基座相连接；力控单元固定连接在机械手的头端；打磨装置与力控单元相连接；线扫激光传感器固定安装在打磨装置的外侧面；控制系统的控制端分别与机械手、力控单元和打磨装置相连；线扫激光传感器的信号输出端与控制系统的信号输入端相连；其打磨方法包括焊缝的录入；焊缝的解析；焊缝的现场轮廓获取；变姿打磨和主动式浮动打磨。本发明克服了现有技术的不足，通过参数形式导入理论焊缝数据，即可实现自动打磨，无需人工示教。使用难度低，无需专业工艺和技术人员，普通操作人员即可实现设备运行。

Description

一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及柔性打磨系统，具体涉及一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨方法。

背景技术

轨交和工程机械产品的板状机构件制造工序涉及大量的焊缝打磨工作，由于板件焊接后普遍存在着尺寸偏差，整体变形等一系列共性客观的情况，现有的作业方式绝大多数都是人工打磨。焊缝打磨要求的焊缝去除量大，因而不但效率低下，且产生的噪音和粉尘不利于工人健康，因此实现自动化柔性打磨是用户的迫切需求。目前虽然有机器人打磨应用的介入，但都只是根据实际工艺要求做定制化开发，无法兼容多种产品，且由于板件焊接后的尺寸一致性差，打磨效果均达不到理想状态。本发明就是针对板状结构件焊接后的焊缝打磨而提出的解决系统。

传统的自动打磨系统包括机械手、力控单元、打磨装置和控制系统进行打磨；其在实施过程主要是靠人工操作机器人沿着焊缝轨迹移动，移动中确保打磨工具以一定力贴合焊缝，期间分别选取若干个点进行机器人的轨迹示教；再记录当前焊缝轨迹存入机器人程序中；由控制系统调用当前机器人程序，机器人携带力控单元和打磨头沿着记录的焊缝轨迹对焊缝进行打磨。

因此现有的技术方案存在以下缺陷：

1）焊缝打磨轨迹需要人工频繁示教，耗费大量人力；

2）板件焊接后焊缝一致性差，示教轨迹不能跟踪焊缝的实际形状调整打磨姿态，打磨质量不可控；

3）不能根据焊缝实际体积和高度实时调整打磨参数，打磨效率低。

4）需针对单一产品定制化开发，无法兼容多种产品；

5）单流程作业模式，无参数化打磨，产品换型需要大量调整工作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨方法，克服了现有技术的不足，通过参数形式导入理论焊缝数据，即可实现自动打磨，无需人工示教。使用难度低，无需专业工艺和技术人员，普通操作人员即可实现设备运行。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨系统，包括机械手、力控单元、打磨装置、线扫激光传感器和控制系统；

所述机械手的尾端与数控基座相连接，通过机械手 带动线扫激光传感器进行移动扫描，并带动力控单元和打磨装置进行移动打磨；

所述力控单元固定连接在机械手的头端，通过力控单元控制打磨装置的端部刀具与焊缝的接触作用力；

所述打磨装置与力控单元相连接，通过打磨装置带动其端部刀具高速旋转，对焊缝进行铣削和抛光；

所述线扫激光传感器固定安装在打磨装置的外侧面，通过机械手 带动线扫激光传感器对焊缝进行轮廓扫描；

所述控制系统的控制端分别与机械手、力控单元和打磨装置相连，用于控制机械手、力控单元和打磨装置的运行；所述线扫激光传感器的信号输出端与控制系统的信号输入端相连，用于获取焊缝轮廓信息。

本发明还公开了一种利用上述的柔性打磨系统进行打磨的方法，包括以下步骤：

步骤S1：焊缝的录入；根据客户提供的产品焊缝设计图，获得每条焊缝的焊头坐标信息和焊尾坐标信息；并将焊缝坐标信息录入Excel表，同时配置每条焊缝使用的加工刀具，形成Excel任务清单文件输出；

步骤S2：焊缝的解析；通过控制系统获取并解析焊缝信息，输出每条焊缝的起始坐标，焊缝长度，焊缝类型；

步骤S3：焊缝的现场轮廓获取；在获取焊缝位置、焊缝长度以及焊缝类型后，自动调用扫描姿态，通过线扫激光传感器对焊缝从头到尾进行全轮廓扫描；在扫描完成后，去除手尾无效的区域，得到真实的焊缝全轮廓信息；

步骤S4：变姿打磨；由控制系统将获取的焊缝全轮廓信息进行拟合处理，并带入打磨工具参数，输出打磨轨迹；

步骤S5：主动式浮动打磨；控制系统根据打磨轨迹，以控制机械手带动打磨装置移动，并自动获取当前打磨装置所处的焊缝位置，通过焊缝位置匹配焊缝轮廓数据库，获取当前焊缝的焊高和体积，自动调用对应的打磨压力和打磨参数；

步骤S6：打磨完成后，控制系统记录当前打磨的完工状态，同时遍寻步骤S1中任务清单的完工信息，如果全部完工则停止打磨，设备回原位；如果未完工，则调用下一条任务，并返回步骤S3继续新一轮焊缝的扫描和打磨。

优选地，所述步骤S2中，设定焊缝的起始坐标为（X1，Y1，Z1），焊缝的焊尾坐标为（X2，Y2，Z2）；

再根据空间两点的距离公式H²=(X1-X2)²+(Y1-Y2)²+(Z1-Z2)²，得到焊缝长度H；

焊缝类型分为：水平焊缝T1=(X1<>X2)&(Y1=Y2)&(Z1=Z2)；

竖直焊缝T2=(X1=X2)&(Y1<>Y2)&(Z1=Z2)；

Z向水平焊缝T3=(X1=X2)&(Y1=Y2)&(Z1<>Z2)；

正向斜焊缝T4=(X1<>X2)&(Y1<>Y2)&(Z1>Z2）；

负向斜焊缝T5=(X1<>X2)&(Y1<>Y2)&(Z1<Z2)。

优选地，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：控制系统根据打磨轨迹，以控制机械手带动打磨装置执行打磨轨迹，随着焊缝空间位置的变化，机器人带动打磨装置进行变姿，保持与焊缝的最优贴合角度；

步骤S52：由焊缝轮廓数据库提供焊缝数据 WeldData[y,h]；

当前焊缝位置Yn=（机器人当前位置Yp-机器人起始扫描位置Yp0）/扫描帧间距D；

将Yn带入WeldData[y,h]进行遍寻，得到对应位置的H= WledData[yn,hn],（Yn=yn）或H=WledData[yn,hn]（Yn<>yn且y(n-1)<Yn<y(n+1)）；

步骤S53：将得到的焊缝焊高H带入到力控工艺包，得到：

力控压力Pn=PressData[h,p],(H=h)或Pn=PressData[h,p],(H<>h且h(n-1)<H< h(n+1))；

步骤S53：根据检测打磨装置3移动过程中的实时位置，获取焊缝位置，最终获得实时的力控压力，得到针对当前焊缝的准确打磨参数。

本发明提供了一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨方法。具备以下有益效果：针对板件焊接变形后的焊缝进行自动柔性打磨，不受焊缝变形的影响，自动寻找并获取焊缝真实轮廓数据，引导机器人进行实时变姿打磨和浮动打磨；同时进行焊缝打磨的多任务引导和管理，以及参数化的打磨功能， 实现多车型、多焊缝种类、大形变条件下的自动柔性打磨；并通过配置打磨参数工艺包，根据获取的焊缝体积和高度数据，采取和力控压力成非线性正比的方式，自动调用打磨参数，实现一次打磨去除率达到100%，有效提高打磨效率。通过将机器人系统、打磨装置和焊缝识别系统进行整合，通过简单的录入电子表格型任务清单，控制系统可自动识别和分解工作任务信息，自动调用对应的打磨参数，驱动各单元执行对应的打磨指令，实现整体系统的参数化生产。只需更换任务清单即可实现产品换型，操作快速高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1 本发明打磨系统的结构示意图；

图2 本发明打磨系统的结构简图；

图3 本发明打磨方法的步骤流程图；

图中标号说明：

1、机械手；2、力控单元；3、打磨装置；4、线扫激光传感器；5、控制系统；6、板状结构件；7、焊缝。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例

如图1-2所示，一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨系统，包括机械手1、力控单元2、打磨装置3、线扫激光传感器4和控制系统5；

机械手1的尾端与数控基座相连接，通过机械手1 带动线扫激光传感器4进行移动扫描，并带动力控单元2和打磨装置3进行移动打磨；

力控单元2固定连接在机械手1的头端，通过力控单元2控制打磨装置3的端部刀具与焊缝的接触作用力；

打磨装置3与力控单元2相连接，通过打磨装置3带动其端部刀具高速旋转，对焊缝进行铣削和抛光；

线扫激光传感器4固定安装在打磨装置3的外侧面，通过机械手1 带动线扫激光传感器4对焊缝进行轮廓扫描；在本实施例中，线扫激光传感器4与打磨装置3集成为一体化结构，由机械手1带动，从而保证同一装置可实现扫描和打磨功能；

通过现有开发的轮廓识别算法，准确识别和定位焊缝，并获取焊缝整体轮廓数据；在本实施例中，轮廓识别算法采用专利号为：CN202010825510，专利名称为：一种用于焊缝打磨的焊缝识别定位方法和装置中所记载的内容。

根据获取的焊缝空间轮廓，自动调整机器人的打磨姿态，保证打磨装置与焊缝的最优贴合角度，打磨质量可控；

通过激光模糊扫描的方式，系统对工件定位误差的冗余度大，同时，不受产品焊缝变形、产品换型的影响，无需定制开发，可适应各类产品的打磨需求；

控制系统5的控制端分别与机械手1、力控单元2和打磨装置3相连，用于控制机械手1、力控单元2和打磨装置3的运行；线扫激光传感器4的信号输出端与控制系统5的信号输入端相连，用于获取焊缝轮廓信息。控制系统5通过产品焊缝设计图获取产品焊缝理论数据，分解数据信息后控制机械手1带动线扫激光传感器4进行扫描；通过与线扫激光传感器4的通讯，获取焊缝轮廓信息；通过分解焊缝轮廓信息，控制机械手1，力控单元2和打磨装置3的运行。

本发明针对焊接变形后焊缝空间位置不确定的情况，通过线扫激光传感器4进行激光模糊扫描的方式识别和定位焊缝，可达性好、效率高、精度高、抗干扰能力强。将机械手1、打磨装置3和焊缝识别系统进行整合，通过简单的录入电子表格型任务清单，控制系统5可自动识别和分解工作任务信息，自动调用对应的打磨参数，驱动各单元执行对应的打磨指令，实现整体系统的参数化生产。只需更换任务清单即可实现产品换型，操作快速高效。

实施例

如图3所示，本发明还公开了一种利用上述的柔性打磨系统进行打磨的方法，包括以下步骤：

1.焊缝的无示教编程

步骤S1：焊缝的录入；根据客户提供的产品焊缝设计图，获得每条焊缝的焊头坐标信息（X1,Y1,Z1）和焊尾坐标信息(X2,Y2,Z2)；并将焊缝坐标信息录入Excel表，同时配置每条焊缝使用的加工刀具，激活的加工功能等，形成Excel任务清单文件输出；

步骤S2：焊缝的解析；通过控制系统5获取并解析焊缝信息，输出每条焊缝的起始坐标，焊缝长度，焊缝类型；

焊缝的起始坐标决定机器人的起点扫描位置，焊缝长度决定机器人的行走扫描距离，焊缝类型决定机器人的扫描姿态；

设定焊缝的起始坐标为（X1，Y1，Z1），焊缝的焊尾坐标为（X2，Y2，Z2）；

再根据空间两点的距离公式H²=(X1-X2)²+(Y1-Y2)²+(Z1-Z2)²，得到焊缝长度H；

焊缝类型T分为：水平焊缝T1=(X1<>X2)&(Y1=Y2)&(Z1=Z2)；

竖直焊缝T2=(X1=X2)&(Y1<>Y2)&(Z1=Z2)；

Z向水平焊缝T3=(X1=X2)&(Y1=Y2)&(Z1<>Z2)；

正向斜焊缝T4=(X1<>X2)&(Y1<>Y2)&(Z1>Z2)；

负向斜焊缝T5=(X1<>X2)&(Y1<>Y2)&(Z1<Z2)。

扫描基础值与理论焊缝数据的基础值保持一致。

步骤S3：焊缝的现场轮廓获取；在获取焊缝位置、焊缝长度以及焊缝类型后，自动调用扫描姿态，通过线扫激光传感器4对焊缝从头到尾进行全轮廓扫描；在扫描完成后，去除手尾无效的区域，得到真实的焊缝全轮廓信息；

2.焊缝的打磨

步骤S4：变姿打磨；由控制系统5将获取的焊缝全轮廓信息进行拟合处理，并带入打磨工具参数，输出基于打磨装置TCP下的打磨轨迹；

由控制系统5控制机器人机械手1执行打磨轨迹，随着焊缝空间位置的变化，机械手1带动打磨装置3进行变姿，保持与焊缝的最优贴合角度。

步骤S5：主动式浮动打磨；控制系统5根据打磨轨迹，以控制机械手1带动打磨装置3移动，并自动获取当前打磨装置3所处的焊缝位置，通过焊缝位置匹配焊缝轮廓数据库，获取当前焊缝的焊高和体积，自动调用对应的打磨压力和打磨参数；

在本步骤中，焊缝轮廓数据库提供250组焊缝数据 WeldData[y,h]，

当前焊缝位置Yn=（机器人当前位置Yp-机器人起始扫描位置Yp0）/扫描帧间距D；

将Yn带入WeldData[y,h]进行遍寻；得到对应位置的H= WledData[yn,hn],Yn=yn或H=WledData[yn,hn]Yn<>yn且y(n-1)<Yn<y(n+1)；

步骤S53：将得到的焊缝焊高H带入到打磨参数工艺包中的力控工艺包，得到：

力控压力Pn=PressData[h,p],(H=h)或Pn=PressData[h,p],(H<>h且h(n-1)<H< h(n+1))；

根据检测打磨装置3移动过程中的实时位置，获取焊缝位置，最终获得实时的力控压力，得到针对当前焊缝的准确打磨参数。

在本步骤中，打磨工艺包为自主配置，主要是为了解决不同焊缝参数下的打磨工艺数据，通过实验测试的方法，获取在不同打磨工具、焊缝形式、焊缝宽度、焊缝高度、焊缝材质、打磨角度、打磨浮动力值、输出功率下的较优工艺参数，评判工艺参数的优劣，并基于几个因素：焊缝去除效率高、耗材寿命长，工艺参数包括打磨工具转速、打磨角度、打磨力控值、打磨轨迹等。

步骤S6：打磨完成后，控制系统5记录当前打磨的完工状态，同时遍寻步骤S1中任务清单的完工信息，如果全部完工则停止打磨，设备回原位；如果未完工，则调用下一条任务，并返回步骤S3继续新一轮焊缝的扫描和打磨。

通过上述步骤以针对板件焊接变形后的焊缝进行自动柔性打磨，克服了传统方案的一些主要缺点，不受焊缝变形的影响，自动寻找并获取焊缝真实轮廓数据，引导机器人进行实时变姿打磨和浮动打磨；同时进行焊缝打磨的多任务引导和管理，以及参数化的打磨功能， 实现多车型、多焊缝种类、大形变条件下的自动柔性打磨；并通过配置打磨参数工艺包，内置通过充分验证的打磨工艺参数，根据获取的焊缝体积和高度数据，采取和力控压力成非线性正比的方式，自动调用打磨参数，实现一次打磨去除率达到100%，有效提高打磨效率。将机器人系统、打磨装置和焊缝识别系统进行整合，通过简单的录入电子表格型任务清单，控制系统可自动识别和分解工作任务信息，自动调用对应的打磨参数，驱动各单元执行对应的打磨指令，实现整体系统的参数化生产。只需更换任务清单即可实现产品换型，操作快速高效。

使本发明系统可以对接工厂MES系统，通过自动物流系统实现工件自动上料、自动识别和自动加工。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种用于板状结构件焊缝自动柔性打磨方法，其特征在于：包括机械手、力控单元、打磨装置、线扫激光传感器和控制系统；

所述机械手的尾端与数控基座相连接，通过机械手 带动线扫激光传感器进行移动扫描，并带动力控单元和打磨装置进行移动打磨；

所述力控单元固定连接在机械手的头端，通过力控单元控制打磨装置的端部刀具与焊缝的接触作用力；

所述打磨装置与力控单元相连接，通过打磨装置带动其端部刀具高速旋转，对焊缝进行铣削和抛光；

所述线扫激光传感器固定安装在打磨装置的外侧面，通过机械手 带动线扫激光传感器对焊缝进行轮廓扫描；

所述控制系统的控制端分别与机械手、力控单元和打磨装置相连，用于控制机械手、力控单元和打磨装置的运行；所述线扫激光传感器的信号输出端与控制系统的信号输入端相连，用于获取焊缝轮廓信息；

其打磨方法包括以下步骤：

步骤S1：焊缝的录入；根据客户提供的产品焊缝设计图，获得每条焊缝的焊头坐标信息和焊尾坐标信息；并将焊缝坐标信息录入Excel表，同时配置每条焊缝使用的加工刀具，形成Excel任务清单文件输出；

步骤S2：焊缝的解析；通过控制系统获取并解析焊缝信息，输出每条焊缝的起始坐标，焊缝长度，焊缝类型；

步骤S3：焊缝的现场轮廓获取；在获取焊缝位置、焊缝长度以及焊缝类型后，自动调用扫描姿态，通过线扫激光传感器对焊缝从头到尾进行全轮廓扫描；在扫描完成后，去除手尾无效的区域，得到真实的焊缝全轮廓信息；

步骤S4：变姿打磨；由控制系统将获取的焊缝全轮廓信息进行拟合处理，并带入打磨工具参数，输出打磨轨迹；

步骤S5：主动式浮动打磨；控制系统根据打磨轨迹，以控制机械手带动打磨装置移动，并自动获取当前打磨装置所处的焊缝位置，通过焊缝位置匹配焊缝轮廓数据库，获取当前焊缝的焊高和体积，自动调用对应的打磨压力和打磨参数；

步骤S6：打磨完成后，控制系统记录当前打磨的完工状态，同时遍寻步骤S1中任务清单的完工信息，如果全部完工则停止打磨，设备回原位；如果未完工，则调用下一条任务，并返回步骤S3继续新一轮焊缝的扫描和打磨。