【摘 要】
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管道运输作为石油和天然气运输的主要方式,在国民经济的发展中起到了重要作用,而螺旋钢管的应用又最为广泛。根据我国管道运输流水线施工标准,管端焊缝的修磨是其中最关键的一步。传统的磨削任务都依赖人工或半自动化的设备,生产效率低,磨削质量差,大大限制了管道运输的建设效率。为了解决这一实际问题,本文以螺旋钢管的管端焊缝修磨为背景,设计研发了一台全自动焊缝修磨机器人,该机器人集焊缝识别跟踪、轨迹规划、自动化打
【基金项目】
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机器人技术与系统国家重点实验室开放研究资助项目“面向复杂零部件打磨作业的高灵巧性工业机器人智能控制技术研究”（项目编号SKLRS-2020-KF-08）； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“复杂形状零部件打磨高灵巧性机器人作业机制与智能控制技术研究”（项目编号300102250104）；
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管道运输作为石油和天然气运输的主要方式,在国民经济的发展中起到了重要作用,而螺旋钢管的应用又最为广泛。根据我国管道运输流水线施工标准,管端焊缝的修磨是其中最关键的一步。传统的磨削任务都依赖人工或半自动化的设备,生产效率低,磨削质量差,大大限制了管道运输的建设效率。为了解决这一实际问题,本文以螺旋钢管的管端焊缝修磨为背景,设计研发了一台全自动焊缝修磨机器人,该机器人集焊缝识别跟踪、轨迹规划、自动化打磨、磨削质量检测等技术为一体,极大地提高了螺旋钢管管端焊缝的修磨质量和效率,为同行业内的其他类型设备制造提供了基础性的技术支撑,本文主要研究内容包括:（1）焊缝轮廓特征的识别和标定研究。针对焊缝轮廓数据的预处理,选择中值滤波方法对数据进行滤波处理;对焊缝的识别问题,提出一种基于残差平方和的识别方法、一种基于模板匹配的识别方法、一种基于分割搜索的识别方法,能够有效解决焊缝识别问题;针对焊缝的特征点标定问题,提出最远距离法、斜率分析法对焊缝的左右拐点进行标定,能够准确识别出焊缝的特征并完成特征点标定。（2）总体工作流程设计和磨削轨迹规划。设计了系统的总体工作流程,并针对系统要实现的主要功能进行了详细的论述;针对焊缝的轨迹跟踪问题,提出了“分段识别”策略并在Lab VIEW中完成了程序上的实现,且根据整个跟踪检测流程所记录的焊缝数据,对焊缝进行了三维轮廓重构;针对焊缝的磨削轨迹规划问题,根据“分段识别”策略并结合浮动高度打磨对焊缝的打磨轨迹进行了规划,并提出了焊缝余高计算公式,对修磨质量进行了二次检测。（3）机器人焊缝识别与跟踪及打磨实验。在实验中,验证了焊缝的识别、焊缝特征点标定、焊缝的跟踪检测的可靠性,完成了内、外焊缝的打磨实验,并对打磨质量进行了检测,打磨质量良好,整个设备运行稳定。经过实验结果验证,本文所设计研发的全自动焊缝修磨机器人磨削质量高、运行稳定、实用性好,能够满足工业现场对螺旋钢管管端焊缝的修磨要求。
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