CN116323099A - 伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用其的钢制品的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供能够使磨削具有三维形状的对象材料的表面伤痕的作业自动化,同时抑制过磨削或磨削不足等磨削不良的发生的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用其的钢制品的制造方法。伤痕磨削系统具有:磨削装置,其具备对对象材料的表面的伤痕进行磨削的磨削工具;形状测定装置,测定所述对象材料的三维形状及姿势;伤痕检测装置,其检测所述对象材料上的所述伤痕的位置;以及磨削工具控制装置,其基于利用所述形状测定装置测定的所述对象材料的三维形状及姿势、以及利用所述伤痕检测装置检测出的所述伤痕的位置,生成用于对所述伤痕进行磨削的所述磨削工具的轨迹,并以使所述磨削工具沿着该轨迹移动的方式控制所述磨削装置。
Description
技术领域
本发明涉及对钢制品等对象材料的表面的伤痕、缺陷进行磨削并除去的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用伤痕磨削方法的钢制品的制造方法。
背景技术
在钢管、棒钢、型钢、钢块等钢制品(以下,称为对象材料)上,由于制造过程中的各种因素,有时在表面上产生伤痕、缺陷(以下,称为伤痕)。需要进行使用研磨机等以使伤痕与其周边平整的方式磨削的修整作业而除去这些对象材料的表面的伤痕。在该修整作业中,存在作业人员通过手动操作使研磨机的旋转体与对象材料抵接来磨削的作业的危险性、作业人员暴露于伴随着磨削而产生的振动、粉尘等的劳动环境的问题。另外,由于也需要确保进行修整作业的劳动者,所以期望修整作业的自动化。
但是,成为对象材料的钢制品的种类非常丰富多彩,其立体形状也各式各样,另外,在对象材料的表面上产生的伤痕、缺陷的位置也经常根据钢制品的种类而不同。因此,在对象材料上进行修整作业的位置、姿势也各式各样。
与对象材料的修整作业的自动化关联地,例如在专利文献1中公开了如下自动伤痕修整方法及装置:在对象材料的表面的伤痕的位置,赋予包含与伤痕的性质相关的信息的标记,检测该标记并进行信息处理,设为自动伤痕修整装置的工作指令。
另外,在专利文献2中公开了如下金属材料的表面伤痕自动磨削装置:检测研磨机砂轮向金属材料表面的接触度,使用该接触度控制研磨机砂轮的相对于金属材料表面伤痕部的切入量。
并且,在专利文献3中公开了如下机器人工作教导方法:在教导对钢管、型钢等成品进行标记或修整的机器人的工作时,从生产管理用计算机输出成品的制造规格,接受该制造规格,利用控制用计算机求出表示与制造规格对应的位置数据和作业类别的工作信息,并且接受该工作信息,利用机器人控制装置教导机器人的工作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平7-9320号公报
专利文献2:日本特公平5-41388
专利文献3:日本特开平1-166105号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是,专利文献1及专利文献2公开的技术将钢板等平板状的对象材料作为对象,其磨削面是平坦的。因此,当将专利文献1及专利文献2公开的技术应用于钢管等具有表面弯曲的立体形状的对象材料时,由于磨削面弯曲,相对于对象材料的表面的砂轮的角度或推压磨削反力的方向变化。然后,有可能发生由砂轮与对象材料干涉而导致的磨削装置的工作不良、过磨削或磨削不足等磨削不良。
另外,在专利文献3公开的技术中,从外部的计算机取得对象材料的型号、尺寸这样的制造规格,并教导机器人的工作。但是,在实际的对象材料的修整作业中,存在对象材料本身的尺寸误差、对象材料的放置位置、姿势等的偏差。因此,存在会产生由机器人臂或砂轮与对象材料干涉导致的磨削装置的工作不良、由砂轮相对于对象材料的表面的轨迹无法成为目标那样而导致的磨削不良的问题。
在作业人员通过手动操作进行修整作业的情况下,对于上述误差、偏差,目视观察对象材料实物,以适当的压力将研磨机推压到对象材料的表面的伤痕的位置,以使伤痕与其周边平整的方式移动研磨机。然后,在适当的定时中止研磨机的推压,目视判定伤痕是否残留,判断是需要进行再磨削还是可以结束修整作业。当分析通过该手动操作进行的修整作业时,成为以下的步骤。(1)基于视觉信息的对象材料实物的形状及姿势的测定,(2)研磨机砂轮的推压,(3)磨削反力·负荷的感知及基于此的砂轮的推压力调整,(4)基于视觉信息的伤痕磨削后的对象材料的表面检查。
因此,本申请的发明人们研究了进行磨削具有三维形状的对象材料的表面的伤痕的修整作业时,通过自动进行以下的步骤,从而抑制过磨削或磨削不足等磨削不良的发生,并想到了本发明。(1)使用摄像机或形状传感器的对象材料实物的形状及姿势的测定,(2)对象材料上的伤痕的位置的检测,(3)向伤痕的位置的研磨机砂轮的推压工作的生成,(4)研磨机的磨削反力·负荷的测定及其控制,(5)伤痕磨削后的对象材料的表面检查及是否需要再磨削的判断。
本发明鉴于上述情况而作出,其课题是提供能够使磨削具有三维形状的对象材料的表面的伤痕的作业自动化,同时抑制过磨削或磨削不足等磨削不良的发生的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用伤痕磨削方法的钢制品的制造方法。
用于解决课题的手段
用于解决上述课题的手段如以下。
[1]伤痕磨削系统,其具有:磨削装置,其具备对对象材料的表面的伤痕进行磨削的磨削工具;形状测定装置,其测定所述对象材料的三维形状及姿势;伤痕检测装置,其检测所述对象材料上的所述伤痕的位置;和磨削工具控制装置,其基于利用所述形状测定装置测定的所述对象材料的三维形状及姿势、以及利用所述伤痕检测装置检测出的所述伤痕的位置,生成用于对所述伤痕进行磨削的所述磨削工具的轨迹,并以使所述磨削工具沿着该轨迹移动的方式控制所述磨削装置。
在此,上述伤痕包含使对象材料的表面不产生形状变化的表面缺陷。
[2]根据[1]所述的伤痕磨削系统,其还具有测定所述磨削工具从所述对象材料受到的磨削反力的磨削反力测定装置,所述磨削工具控制装置基于利用所述磨削反力测定装置测定的所述磨削反力修正所述轨迹,以使所述磨削工具沿着经修正的所述轨迹移动的方式控制所述磨削装置。
[3]根据[1]或[2]所述的伤痕磨削系统,其还具备在利用所述磨削装置磨削所述伤痕后检查所述伤痕的位置处的所述对象材料的表面的检查装置。
[4]伤痕磨削方法,其包括:形状测定工序,测定对象材料的三维形状及姿势;伤痕检测工序,检测所述对象材料的表面的伤痕的位置;和磨削工序,基于在所述形状测定工序中测定的所述对象材料的三维形状及姿势、以及在所述伤痕检测工序中检测出的所述伤痕的位置,生成对所述伤痕进行磨削的磨削工具的轨迹,并使所述磨削工具沿着该轨迹移动来磨削所述伤痕。
[5]根据[4]所述的伤痕磨削方法,在所述磨削工序中,测定所述磨削工具从所述对象材料受到的磨削反力,基于该磨削反力修正所述轨迹,使所述磨削工具沿着经修正的所述轨迹移动来磨削所述伤痕。
[6]根据[4]或[5]所述的伤痕磨削方法,其还具备在所述磨削工序后检查所述伤痕的位置处的所述对象材料的表面的检查工序。
[7]钢制品的制造方法,其利用[4]~[6]中任一项所述的伤痕磨削方法对作为所述对象材料的钢制品的表面的伤痕进行磨削。
发明的效果
根据本发明的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用伤痕磨削方法的钢制品的制造方法,能够使磨削具有三维形状的对象材料的表面的伤痕的作业自动化,同时抑制过磨削或磨削不足等磨削不良的发生。
附图说明
图1是示出本发明的伤痕磨削系统的整体结构的图。
图2是示出本发明的伤痕磨削系统的伤痕磨削状况的一例的图。
图3是示出本发明的伤痕磨削系统的伤痕磨削状况的另一例的图。
图4是说明本发明的伤痕磨削系统的伤痕检测装置进行的伤痕的检测的一例的示意图。
图5是说明本发明的伤痕磨削系统的伤痕检测装置进行的伤痕的检测的另一例的示意图。
图6(a)~图6(c)是说明利用本发明的伤痕磨削系统的形状测定装置测定对象材料的三维形状的步骤的图。
图7是说明利用本发明的伤痕磨削系统生成磨削工具的轨迹的步骤的图。
图8是说明利用本发明的伤痕磨削系统生成磨削工具的轨迹的步骤的图。
图9是说明利用本发明的伤痕磨削系统生成磨削工具的轨迹的步骤的图。
图10是说明利用本发明的伤痕磨削系统生成磨削工具的轨迹的步骤的图。
图11(a)及图11(b)是说明利用本发明的伤痕磨削系统修正磨削工具的轨迹的状况的图。
具体实施方式
以下,参照附图详细说明本发明的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用伤痕磨削方法的钢制品的制造方法的实施方式。
需要说明的是,在本实施方式中,“伤痕”除了由异物附着等导致的凸状伤痕、由表面缺损等导致的凹状伤痕之外,还包含使对象材料的表面不产生形状变化的表面缺陷等。另外,“磨削伤痕”是指除去伤痕而使对象材料的表面平整,例如,在凸状伤痕的情况下,磨削伤痕而使对象材料的表面平整,在凹状伤痕的情况下,磨削伤痕的周边而使对象材料的表面平整。
在图1中示出本实施方式的伤痕磨削系统1的整体结构。如图1所示,本实施方式的伤痕磨削系统1具备研磨机(磨削装置的一例)10和使研磨机10工作的磨削机器人21,所述研磨机10具备磨削对象材料W的表面的伤痕Wf的砂轮(磨削工具的一例)11。另外,伤痕磨削系统1具备测定对象材料W的形状的激光距离计(形状测定装置、伤痕检测装置的一例)31和拍摄对象材料W的表面的摄像机(伤痕检测装置、检查装置的一例)32。在支撑研磨机10的磨削机器人21的臂部上,安装有测定研磨机10从对象材料W受到的磨削反力的反力计(磨削反力测定装置的一例)13。
如图1所示,激光距离计31是测定对象材料W的剖面形状的二维激光距离计,设置成能够利用后述的单轴致动器33使之工作。而且,以沿着单轴致动器33的方式配置对象材料W,用由单轴致动器33移动的激光距离计31扫描对象材料W,从而进行测定对象材料W的三维形状及姿势的形状测定工序。另外,通过与之相同的工作,激光距离计31进行检测对象材料W上的伤痕Wf的位置的伤痕检测工序、在利用研磨机10磨削伤痕Wf后检查伤痕Wf的位置处的对象材料W的表面的检查工序。对象材料W的姿势是指以单轴致动器33为基准的对象材料W的位置及方向。
摄像机32、激光距离计31也设置成能够利用单轴致动器33使之工作。摄像机通过拍摄对象材料W的表面,从而与激光距离计31一起或代替激光距离计31,进行检测对象材料W上的伤痕Wf的位置的伤痕检测工序、在利用研磨机10磨削伤痕Wf后检查伤痕Wf的位置处的对象材料W的表面的检查工序。需要说明的是,在不进行检查工序的情况下或利用激光距离计31进行伤痕检测工序的情况下,伤痕磨削系统1可以不具备摄像机32。
研磨机10及磨削机器人21的工作由用计算机构成的磨削工具控制PC(磨削工具控制装置的一例)20控制。另外,激光距离计31、摄像机32及单轴致动器33的工作由用通用个人计算机构成的形状测定·伤痕检测PC(形状测定装置、伤痕检测装置的一例)40控制。
在图2中示出本实施方式的伤痕磨削系统1的伤痕磨削状况。磨削工具控制PC20进行对对象材料W的表面的伤痕Wf进行磨削的磨削工序。具体而言,基于利用图1所示的激光距离计31测定的对象材料W的三维形状及姿势以及利用激光距离计31或摄像机32检测出的伤痕Wf(参照图1)的位置,生成用于磨削伤痕Wf的研磨机10的砂轮11的轨迹T0(参照图2)。另外,以砂轮11沿着该轨迹T0移动的方式控制磨削机器人21的工作。
在此,如上所述,在利用研磨机10磨削伤痕Wf期间,利用反力计13测定研磨机10从对象材料W受到的磨削反力。如图2所示,磨削工具控制PC20进行磨削机器人21的反馈控制。即,基于利用反力计13测定的磨削反力修正砂轮11的轨迹T0,以砂轮11沿着修正后的轨迹T1移动的方式使磨削机器人21工作。通过利用磨削机器人21调整研磨机10的位置,并变更砂轮11从对象材料W的表面起的高度,从而进行砂轮11的轨迹T0的修正。
具体而言,如图1、图2所示,利用磨削工具控制PC20使磨削机器人21工作,将研磨机10的砂轮11推压到利用激光距离计31或摄像机32检测出的伤痕Wf的位置,使砂轮11沿着轨迹T0移动而开始伤痕Wf的磨削。然后,磨削工具控制PC20在伤痕Wf的磨削期间进行使利用反力计13测定的磨削反力接近规定的目标值的逆运动学计算,并修正砂轮11的轨迹T0。然后,磨削工具控制PC20以砂轮11沿着修正后的轨迹T1移动的方式,即以将砂轮11进一步向伤痕Wf推压的方式或以使砂轮11从伤痕Wf逃离的方式使磨削机器人21工作。
或者,也可以是,如图3所示,在支撑研磨机10的磨削机器人21的臂部上增加反力计13,并追加进行伸缩工作的致动器(磨削工具控制装置的一例)12。在该情况下,通过使致动器12工作,从而进行基于用反力计13测定的磨削反力修正砂轮11的轨迹T0时的砂轮11从对象材料W的表面起的高度的变更,能够实现相同的反馈控制。
如图3所示,通过在磨削机器人21的臂部上另行设置调整砂轮11的高度的致动器12,从而能够分别修正砂轮11的高度方向上的轨迹T0和与高度方向不同的方向上的轨迹T0。因此,与图2所示的仅通过磨削机器人21的工作修正砂轮11的轨迹T0的结构相比,磨削工具控制PC20的运算处理被分散,能够避免向磨削工具控制PC20施加较大的运算负荷,能够高速地修正轨迹T0。
在图4中示出本实施方式的伤痕磨削系统1的对象材料W的表面的伤痕Wf的检测方法。形状测定·伤痕检测PC40基于利用激光距离计31测定的对象材料W的三维形状,检测伤痕Wf。例如,如图4所示,形状测定·伤痕检测PC40进行图形匹配。即,形状测定·伤痕检测PC40将利用激光距离计31测定的形状数据31D与预先保存于形状测定·伤痕检测PC40的伤痕形状数据31A~31C进行比较。然后,在形状数据31D与伤痕形状数据31A~31C中的任一个的相似性为规定的基准值以上时,形状测定·伤痕检测PC40在形状数据31D的范围内检测伤痕Wf。
或者,也可以取而代之,如图5所示,基于利用摄像机32拍摄到的对象材料W的表面的图像数据32D检测伤痕Wf。在对象材料W的表面的伤痕Wf的形状较复杂或者是激光距离计31的测定精度以下的凹凸的情况下,能够有效地利用该方法。如图5所示,通过利用摄像机32拍摄对象材料W的表面并取得图像数据32D,对该图像数据32D进行图像解析处理,从而形状测定·伤痕检测PC40能够检测出图像数据32D的范围内的伤痕Wf。
作为用于检测对象材料W的伤痕Wf的另外的方法,可列举在磨削机器人21的臂的前端安装涡电流探伤器或超声波探伤器等探伤器的方法。在该情况下,通过基于用激光距离计31测定的对象材料W的三维形状及姿势,使探伤器沿着对象材料W的表面移动,从而能够检测出伤痕Wf。
或者,也可以将作业人员的判定与利用形状测定·伤痕检测PC40进行的伤痕Wf的检测组合。例如,使利用摄像机32拍摄的对象材料W的表面的图像显示在形状测定·伤痕检测PC40的画面上,作业人员目视该图像。然后,在确认了伤痕Wf的情况下,可以通过操作形状测定·伤痕检测PC40在图像上指定伤痕Wf的位置,从而进行伤痕Wf的检测。
如上所述,通过按单独的对象材料W用激光距离计31测定对象材料W的三维形状及姿势,从而能够基于对象材料W的实物的信息实时生成加工轨迹。由此,无需事先准备对象材料W的3D数据,与根据3D数据生成加工轨迹的结构相比,能够自动地使对象材料W的实物的各种偏差反映到加工轨迹中。
另外,关于伤痕Wf的检测,也通过直接测定存在于对象材料W的实物上的伤痕Wf,从而能够不仅检测对象材料W上的伤痕Wf的位置,也检测伤痕Wf的大小、角度、深度等信息以及伤痕Wf的周围的对象材料W的表面的信息。
利用磨削工具控制PC20控制研磨机10及磨削机器人21的工作,在进行了规定时间或规定磨削量的伤痕Wf的磨削后,进行检查工序。具体而言,利用激光距离计31或摄像机32检查磨削伤痕Wf后的对象材料W的表面,确认伤痕Wf是否残留。该检查工序也可以与上述伤痕检测工序同样地,通过对利用激光距离计31测定的对象材料W的形状数据31D、利用摄像机32拍摄的对象材料W的表面的图像数据32D进行解析的远程的方法来进行。另外,检查工序也可以利用安装于磨削机器人21的臂的前端的涡电流探伤器或超声波探伤器等直接进行。
磨削伤痕Wf后的对象材料W的表面的检查可以使用与磨削伤痕Wf前的伤痕Wf的检测相同的装置(即激光距离计31、摄像机32)进行,也可以使用不同的装置进行。如果使用相同的装置,则能够削减构成伤痕磨削系统1的部件数量。另外,残留在磨削伤痕Wf后的对象材料W上的伤痕Wf比磨削前的伤痕Wf难以检测。但是,如果使用不同的装置,例如,如果使用比磨削伤痕Wf前的伤痕Wf的检测更高精度的装置,则能够更高精度地检查伤痕Wf是否残留在磨削伤痕Wf后的对象材料W的表面上。
然后,在残留有伤痕Wf的情况下再次进行磨削,在没有残留伤痕Wf的情况下结束磨削。
并且,本实施方式的钢制品的制造方法具有利用上述伤痕磨削方法磨削作为对象材料的钢制品的表面的伤痕的工序而构成。
实施例
以下说明本发明的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及使用伤痕磨削方法的钢制品的制造方法的具体实施例。在本实施例中,将φ50~600的钢管作为对象材料W,磨削并除去其表面的伤痕Wf。
在图6(a)~图6(c)中示出利用本实施例的伤痕磨削系统1测定对象材料W的三维形状的步骤。
如图6(a)所示,在对象材料W的上方,以沿着对象材料W的长度方向的方式配置单轴致动器33,并且设置成使激光距离计31与单轴致动器33联动地移动。利用激光距离计31测定的对象材料W的剖面形状的测定面设定为与单轴致动器33的工作方向正交。以下,将单轴致动器33的工作方向设为x轴,将利用激光距离计31测定的对象材料W的剖面形状的测定面的宽度方向(水平方向)及高度方向(铅垂方向)分别设为y轴、z轴。
利用形状测定·伤痕检测PC40(参照图1)一边使单轴致动器33工作,使激光距离计31在x方向上以速度V(mm/s)工作,一边以规定的采样频率fs(Hz)测定对象材料W的三维形状及姿势。结果,如图6(b)所示,能够得到作为激光距离计31在各位置测定对象材料W的剖面形状而得到的测定点pm的集合的二维形状数据点组在x方向上以规定的测定间距Δx(mm)排列而成的三维形状数据点组。此时,x方向上的测定间距Δx如式(1)。
Δx=V/fs…(1)
在此,以测定间距Δx成为0.1mm~5.0mm的范围内的方式设定激光距离计31的速度V及采样频率fs。激光距离计31的速度V根据激光距离计31及单轴致动器33的特性,在10mm/s~1000mm/s的范围内适当选择。这是由于,当激光距离计31的速度V过大时,会产生激光距离计31在工作期间振动而测定精度下降的问题,当速度V过小时,会产生测定时间变长的问题。激光距离计31的采样频率fs以成为10Hz~10kHz的范围的方式基于激光距离计31的速度V与x方向上的测定间距Δx的关系设定。另外,以y方向上的测定间距Δy成为0.1mm~5.0mm的范围内的方式设定激光距离计31的工作。
根据该形状数据点组,利用图4所示的上述方法检测伤痕Wf的位置。然后,以包含该伤痕Wf的方式设定用砂轮11磨削对象材料W的表面的范围(以下,称为磨削范围)Wa,提取存在于该磨削范围Wa内的测定点pm。磨削范围Wa的x方向及y方向上的长度Lx(mm)、Ly(mm)设定为大于伤痕Wf的尺寸。
在图7~图10中示出利用本实施例的伤痕磨削系统1的磨削工具控制PC生成磨削工具(砂轮)11的轨迹T0的步骤。
在图7中示出将磨削范围Wa内的测定点pm投影到x-y平面而得到的图。在此,存在于磨削范围Wa内的测定点pm在x方向上以间隔Δx排列,在y方向上以间隔Δy排列。
首先,一边将砂轮11推压到对象材料W一边使之移动而磨削对象材料W的表面的伤痕Wf时,基于作为存在于磨削范围Wa内的测定点pm的集合的形状数据点组,设定砂轮11的轨迹T0(T1)通过的多个磨削目标点pg。作为磨削加工的条件之一的在伤痕Wf的磨削期间使砂轮11移动的方向(以下,称为磨削方向),能够选择x方向、y方向中的任一个,在本实施例中使之在y方向上移动。
然后,如图7所示,通过在磨削范围Wa内,在与磨削方向正交的方向上隔开规定的间隔重复进行一边向对象材料W推压砂轮11一边使之沿着磨削方向上的轨迹T0(T1)移动的磨削,从而进行磨削范围Wa整体的磨削。
将存在于磨削范围Wa内的多个测定点pm中的x方向及y方向上的坐标值最小的点设为测定原点p0。然后,以测定原点p0为基准,然后,设定开始利用砂轮11进行的磨削的磨削加工原点pg0的x方向及y方向上的位置Lxi(mm)、Lyi(mm)。磨削加工原点pg0的x方向及y方向上的位置Lxi、Lyi设定为比磨削范围Wa的x方向及y方向上的长度Lx、Ly的约1/10小。
并且,设定磨削目标点pg间的x方向及y方向上的间隔ΔLx(mm)、ΔLy(mm)。磨削方向上的磨削目标点pg间的间隔(在本实施例中为ΔLy)根据磨削方向上的对象材料W的曲率半径等设定,优选设定为0.5mm~20mm的范围内。另外,通过将多个轨迹T0(T1)间的间隔(在本实施例中为ΔLx)设定为小于砂轮11的磨削宽度,从而能够防止伤痕Wf的磨削残余。在此,x方向及y方向上的磨削目标点pg的数量N、M分别如式(2)、(3)求出。
N=(Lx-Lxi)/ΔLx…(2)
M=(Ly-Lyi)/ΔLy…(3)
磨削目标点pg的数量根据伤痕Wf的大小、磨削方向上的对象材料W的曲率半径等设定,设定为10点~100点的范围内。其原因在于,当磨削目标点pg的数量过多时,会产生磨削工具控制PC的计算负荷增大而周期时间增加的问题。另外,这是由于,当磨削目标点pg的数量过少时,在磨削目标点pg间,研磨机10从对象材料W受到的磨削反力的大小成为预想以上,会产生磨削反力的控制变得不稳定的问题。这样,决定各磨削目标点pg的x方向及y方向上的位置xg(mm)、yg(mm)。
参照图8说明用于决定磨削目标点pg的z方向上的位置的步骤。某磨削目标点pg(xg,yg,zg)的x方向及y方向上的位置(xg,yg)已知时,其z方向上的位置zg(mm)根据最接近该磨削目标点pg的四个测定点pm1(x1,y1,z1)、pm2(x2,y2,z2)、pm3(x3,y3,z3)、pm4(x4,y4,z4)、磨削目标点pg的x方向及y方向上的位置(xg,yg)如式(4)求出。
[数学式1]
参照图9,说明求出轨迹T0(T1)上的成为砂轮11的姿势控制的基准的法线向量n的步骤。与图8同样地,关于最接近某磨削目标点pg的四个测定点pm1、pm2、pm3、pm4中的每一个,如式(5)求出与磨削目标点pg的距离L1~L4。然后,从四个测定点pm1、pm2、pm3、pm4中,按与磨削目标点pg的距离L1~L4从小到大的顺序,选择3点。
[数学式2]
将按这种方式选择的3点设为pp1(xp1,yp1,zp1)、pp2(xp2,yp2,zp2)、pp3(xp3,yp3,zp3)时,该3点存在的假想平面A的法线向量n的x方向、y方向及z方向上的各成分p(mm)、q(mm)、r(mm)如式(6)~(8)求出。
p=(yp2-yp1)(zp3-zp1)-(yp3-yp1)(zp3-zp1)…(6)
q=(zp2-zp1)(xp3-xp1)-(zp3-zp1)(xp3-xp1)…(7)
r=(xp2-xp1)(yp3-yp1)-(xp3-xp1)(yp3-yp1)…(8)
接着,求出作为磨削目标点pg间的方向向量的磨削目标点间向量f(af,bf,cf)。从磨削目标点pg趋向接着的磨削目标点pg+1(xg+1,yg+1,zg+1)的磨削目标点间向量f的x方向、y方向及z方向上的各成分af(mm)、bf(mm)、cf(mm)如式(9)~(11)求出。
af=xg+1-xg…(9)
bf=yg+1-yg…(10)
cf=zg+1-zg…(11)
然后,将假想平面A的法线向量n和磨削目标点间向量f无量纲化而设为无量纲化法线向量N和无量纲化磨削目标点间向量F。无量纲化法线向量N的x方向、y方向及z方向上的各成分P、Q、R、无量纲化磨削目标点间向量F的x方向、y方向及z方向上的各成分Af、Bf、Cf如式(12)~(17)求出。
[数学式3]
[数学式4]
[数学式5]
[数学式6]
[数学式7]
[数学式8]
并且,参照图10说明决定砂轮11的姿势的步骤。在图10中示出砂轮11的前端与磨削目标点pg接触的状态。研磨机10的砂轮11的姿势能够定义为砂轮姿势向量S,所述砂轮姿势向量S是与砂轮11的旋转轴11X平行的单位向量。由于砂轮姿势向量S(1)与无量纲化法线向量N及无量纲化磨削目标点间向量F共面,且(2)与无量纲化磨削目标点间向量F成一定的角度θ(°),所以如式(18)~(20)求出。
[数学式9]
cosθ=Af·As+Bf·Bs+Cf·Cs…(19)
cosα=As·P+Bs·Q+Cs·R…(20)
在此,t、s是实数,As、Bs、Cs是砂轮姿势向量S的x方向、y方向及z方向上的各成分,α是砂轮姿势向量S与无量纲化法线向量N所成的角度α(°)。
砂轮姿势向量S与无量纲化法线向量N所成的角度α(°)如式(21)求出。
[数学式10]
汇总式(18)~(21),成为式(22)这一联立方程式。通过解该联立方程式(22),从而求出砂轮姿势向量S的x方向、y方向及z方向上的各成分As、Bs、Cs的值。
[数学式11]
基于按上述方式求出的各磨削目标点pg的位置及砂轮姿势向量S,生成砂轮11的轨迹T0。然后,通过一边将砂轮11推压到对象材料W一边使之沿着轨迹T0移动,从而进行伤痕Wf的磨削。
在本实施例中,作为研磨机10,使用角磨机。研磨机10的砂轮11的转速11R在1000rpm~15000rpm的范围内,根据砂轮11的性状、对象材料W的材质等设定为适当的大小。另外,砂轮11的进给速度11V优选设定为成为50mm/min~2000mm/min的范围内。
在图11(a)及图11(b)中示出利用本实施例的伤痕磨削系统进行的砂轮11的轨迹T0的修正的状况。
将砂轮11推压到对象材料W时,利用反力计13(参照图1)测定在与砂轮11的进给方向垂直的方向上产生的磨削反力Fr的大小。然后,利用磨削工具控制PC20逐次进行使利用反力计13测定的磨削反力Fr接近规定的目标值Fr0的逆运动学计算,修正砂轮11的轨迹T0,并使砂轮11沿着修正后的轨迹T1移动。具体而言,利用反力计13测定的磨削反力Fr超过目标值Fr0时,以比当初的轨迹T0更深地切入的方式修正砂轮11的轨迹T0,另外,磨削反力Fr小于目标值Fr0时,以比当初的轨迹T0更浅地切入的方式修正砂轮11的轨迹T0。磨削反力Fr的目标值在10N~3000N的范围内根据砂轮11的性状、对象材料W的材质等设定。这样,通过基于利用反力计13测定的磨削反力Fr修正砂轮11的轨迹T0,并使砂轮11沿着修正后的轨迹T1移动,从而能够如手动操作那样光滑地磨削并除去伤痕Wf及其周边部。
另外,也能够代替使伤痕Wf的磨削时在与砂轮11的进给方向垂直的方向上产生的磨削反力Fr的大小接近目标值,而是通过使伤痕Wf的磨削时产生的磨削反力Fr的方向、作用于磨削机器人21的臂的反力矩、研磨机10的电流负荷等接近目标值,从而进行砂轮11的轨迹T0的修正。
在上述实施例中,说明了将φ50~600的钢管作为对象材料W,磨削并除去其表面的伤痕Wf的例子,但本发明的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及钢材料的制造方法的应用对象不限于此。例如,也能够将腹板长度200mm~1000mm的H型钢、有效宽度400mm~900mm的钢板桩等作为对象材料W并应用本发明。
另外,在上述实施例中,使用测定砂轮11从对象材料W受到的磨削反力的反力计(磨削反力测定装置)13。但是,本发明的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法及钢材料的制造方法即使不具备磨削反力测定装置,也起到使磨削具有三维形状的对象材料的表面的伤痕的作业自动化,同时抑制过磨削或磨削不足等磨削不良的发生的效果。
在上述实施例中,通过为了磨削钢管的表面的伤痕,应用本发明的伤痕磨削系统、伤痕磨削方法,从而能够将在没有应用本发明时伤痕的修整作业所需的作业人员的约50%分配到其他作业。由此,能够从通过手动操作使研磨机的旋转体与对象材料抵接并磨削的作业的危险性、作业人员暴露于伴随着磨削而产生的振动或粉尘等的劳动环境的问题解放作业人员。
附图标记的说明
1伤痕磨削系统
10研磨机(磨削装置)
11砂轮(磨削工具)
11X 旋转轴
11R 转速
12致动器(磨削工具控制装置)
13反力计(磨削反力测定装置)
20磨削工具控制PC(磨削工具控制装置)
21磨削机器人(磨削工具控制装置)
31激光距离计(形状测定装置、伤痕检测装置)
31A~31C伤痕形状数据
31D形状数据
32摄像机(伤痕检测装置、检查装置)
32D图像数据
33单轴致动器(形状测定装置、伤痕检测装置、检查装置)
40形状测定·伤痕检测控制PC(形状测定装置、检查装置)
W 对象材料
Wf 伤痕
Wa 磨削范围
Fr 磨削反力
T0 轨迹
T1 修正后的轨迹
Lx磨削范围的x方向上的长度
Ly磨削范围的y方向上的长度
ΔLx磨削目标点间的x方向上的间隔
ΔLx磨削目标点间的y方向上的间隔
pm 测定点
p0 测定原点
pg 磨削目标点
pg0磨削加工原点
Lxi磨削加工原点的x方向上的位置
Lyi磨削加工原点的y方向上的位置
A 假想平面
n 假想平面的法线向量
f 磨削目标点间向量
N假想平面的无量纲化法线向量
F无量纲化磨削目标点间向量
S砂轮姿势向量
Claims (7)
1.伤痕磨削系统,其具有:
磨削装置,其具备对对象材料的表面的伤痕进行磨削的磨削工具;
形状测定装置,其测定所述对象材料的三维形状及姿势;
伤痕检测装置,其检测所述对象材料上的所述伤痕的位置;和
磨削工具控制装置,其基于利用所述形状测定装置测定的所述对象材料的三维形状及姿势、以及利用所述伤痕检测装置检测出的所述伤痕的位置,生成用于对所述伤痕进行磨削的所述磨削工具的轨迹,并以使所述磨削工具沿着该轨迹移动的方式控制所述磨削装置。
2.根据权利要求1所述的伤痕磨削系统,其还具有测定所述磨削工具从所述对象材料受到的磨削反力的磨削反力测定装置,
所述磨削工具控制装置基于利用所述磨削反力测定装置测定的所述磨削反力修正所述轨迹,以使所述磨削工具沿着经修正的所述轨迹移动的方式控制所述磨削装置。
3.根据权利要求1或2所述的伤痕磨削系统,其还具备在利用所述磨削装置磨削所述伤痕后检查所述伤痕的位置处的所述对象材料的表面的检查装置。
4.伤痕磨削方法,其包括:
形状测定工序,测定对象材料的三维形状及姿势;
伤痕检测工序,检测所述对象材料的表面的伤痕的位置;和
磨削工序,基于在所述形状测定工序中测定的所述对象材料的三维形状及姿势、以及在所述伤痕检测工序中检测出的所述伤痕的位置,生成对所述伤痕进行磨削的磨削工具的轨迹,并使所述磨削工具沿着该轨迹移动来磨削所述伤痕。
5.根据权利要求4所述的伤痕磨削方法,其中,
在所述磨削工序中,测定所述磨削工具从所述对象材料受到的磨削反力,基于该磨削反力修正所述轨迹,使所述磨削工具沿着经修正的所述轨迹移动来磨削所述伤痕。
6.根据权利要求4或5所述的伤痕磨削方法,其还具备在所述磨削工序后检查所述伤痕的位置处的所述对象材料的表面的检查工序。
7.钢制品的制造方法,其利用权利要求4~6中任一项所述的伤痕磨削方法对作为所述对象材料的钢制品的表面的伤痕进行磨削。
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