钢管打磨装置、钢管智能打磨设备、系统及方法与流程

本发明涉及机械自动化技术领域，特别涉及一种与六轴机器人配合使用的钢管打磨装置、包含该钢管打磨装置的钢管智能打磨设备、使用该钢管智能打磨设备进行的钢管智能打磨方法、该钢管智能打磨设备管理系统。

背景技术：

钢管端面毛刺打磨是钢管生产过程中的必要工序，传统的打磨工作是由操作工手持打磨工具手动操作打磨，现场存在严重的噪音污染和粉尘污染，工人劳动强度大且存在安全隐患。目前这种情况虽然有改进，但仍是人工操作角磨机进行打磨，现场粉尘污染与噪声污染较严重，工作环境恶劣。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种与六轴机器人配合使用的钢管打磨装置、钢管智能打磨设备、钢管智能打磨方法、钢管智能打磨设备管理系统。

本发明提供一种钢管打磨装置，其特征在于，包括：安装框架，包含第一面板、第二面板以及第三面板，第一面板、第二面板、第三面板依次连接构成直角u型结构，第二面板用于与六轴机器人的第六轴连接固定；视觉装置，安装固定在第一面板的外侧面上；打磨机构，安装固定在第三面板的外侧面上。

进一步地，在本发明提供的钢管打磨装置中，还具有这样的特征：其中，视觉装置包括3d激光线扫描相机和2d视觉相机。

本发明还提供一种钢管智能打磨设备，其特征在于，包括：传送辊道，用于传送待打磨的钢管；光电传感组件，设置在钢管传送辊道旁侧，用于检测钢管是否传送到达指定位置；六轴机器人，设置在传送辊道旁侧；钢管打磨装置，为上述的钢管打磨装置，钢管打磨装置安装在六轴机器人的第六轴上，用于获取待打磨钢管的圆端面参数以及用于对圆端面进行打磨；电气控制器，分别与传送辊道的控制器、光电传感组件、六轴机器人、视觉装置、打磨机构连接；本地终端，与电气控制器连接，用于分析处理数据以及车间内的用户进行操作；远程终端，与电气控制器连接，用于分析处理数据以及远程的用户进行操作。

进一步地，在本发明提供的钢管智能打磨设备中，还具有这样的特征：其中，光电传感组件包括第一传感器、第二传感器，第一传感器、第二传感器之间的间距为30cm。

本发明还提供一种钢管智能打磨方法，使用上述钢管智能打磨设备进行，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在待打磨钢管传送过程中，根据第一规则检测钢管是否传送到位，当钢管传送到位后，辊道根据定位指令暂停传送并将钢管顶起定位；

步骤2：当钢管顶起不动后，首先，六轴机器人根据3d拍摄指令带动视觉装置移动到预设3d拍摄位置进行3d图像的拍摄，然后，对获得的3d图像进行分析处理得到待打磨钢管的约估圆端面参数及预设3d拍摄位置与待打磨钢管的圆端面之间的精准距离值；

步骤3：根据约估圆端面参数及精准距离值生成2d拍摄指令，接着，六轴机器人根据2d拍摄指令带动视觉装置移动到2d拍摄位置进行2d图像的拍摄，然后，对2d图像进行分析处理得到精准圆端面参数；

步骤4：根据精准圆端面参数生成打磨指令，然后，六轴机器人根据打磨指令带动打磨机构移动到打磨位置对钢管圆端面进行打磨；

步骤5：打磨结束后，六轴机器人根据复位指令退回初始位置，并反馈打磨完成信号；

步骤6：根据打磨完成信号生成继续传送指令，辊道根据继续传送指令继续运转。

进一步地，在本发明提供的钢管智能打磨方法中，还具有这样的特征：其中，步骤1中第一规则为：当第一传感器发出感应信号且第二传感器无感应信号时，判定待打磨钢管传送到了指定位置。

进一步地，在本发明提供的钢管智能打磨方法中，还具有这样的特征：其中，步骤2中约估圆端面参数包括约估钢管内径值、约估钢管外径值；步骤3中精准圆端面参数包括精准钢管内径值、精准钢管外径值、钢管圆心值。

进一步地，在本发明提供的钢管智能打磨方法中，还具有这样的特征：其中，步骤3中对2d图像的分析处理过程具体如下：第一步，根据图像颜色值，识别出2d图像中的钢管，并自动获取钢管画面区域；第二步，提取钢管画面区域内的特征圆环；第三步，计算出特征圆环的外径值、内径值、圆心值，即为精准钢管外径值、精准钢管内径值、钢管圆心值。

进一步地，在本发明提供的钢管智能打磨方法中，还具有这样的特征：其中，打磨指令包含：第一步指令：根据钢管圆心值和精准钢管内径值对钢管内圆面进行打磨；第二步指令：根据钢管圆心值和精准钢管外径值对钢管外圆面进行打磨。

本发明还提供一种钢管智能打磨设备管理系统，其特征在于：该钢管打磨智能机器人管理系统与工厂的一级控制系统、二级管理系统通信连接，钢管智能打磨设备管理系统包括：存储部，用于存储计算机程序指令；处理部，用于数据分析处理并生成指令信号；通信部，用于传输指令信号并用于与一级控制系统、二级管理系统通信连接；执行部，用于执行计算机程序指令，其中，当计算机程序指令被执行时，触发上述钢管智能打磨方法进行。

本发明的作用和效果：

本发明通过在钢管传送辊道旁侧设置光电传感组件根据其反馈信号来确保待打磨钢管位于指定位置；然后通过六轴机器人带动视觉装置完成3d拍摄、2d拍摄，经由图像数据分析可以获得精准钢管内径值、精准钢管外径值、钢管圆心值；再通过六轴机器人带动打磨机构根据获得的精准圆端面参数完成精准的打磨。该打磨方式是全自动打磨，可有效提高生产效率，降低工人的安全隐患。而且该打磨方式是精准的打磨，是根据每个待打磨钢管的实际情况来进行的打磨，因此，可以适用于各种规格的钢管。此外，本发明还可以采用用户主动操作，可以使得打磨过程具备灵活性。另外，本发明的钢管智能打磨设备管理系统接入了工厂的一级控制系统和二级管理系统，这样可以实现打磨数据同步进入到工厂的这些系统中，更好的实现工厂的统筹管理。

附图说明

图1是本发明的实施例1中与六轴机器人配合使用的钢管打磨装置安装在机器人上的安装情况示意图；

图2是本发明的实施例1中与六轴机器人配合使用的钢管打磨装置的结构示意图；

图3是本发明的实施例1中视觉装置的结构示意图(从底板内面视角方向看)；

图4是本发明的实施例1中安装框架的结构示意图；

图5是本发明的实施例2中钢管智能打磨设备的电气连接示意图；

图6是本发明的实施例2中第一光电传感器和第二光电传感器的位置设置示意图(俯视)；

图7是本发明的实施例3中钢管智能打磨设备管理系统的框图；

图8是本发明的实施例4中3d图像进行分析处理得到约估钢管内径值、约估钢管外径值的示意图；

图9是本发明的实施例4中对2d图像的分析处理过程示意图，其中(a)是2d图像的示意图，(b)是获取钢管画面区域的示意图，(c)是提取特征圆环的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的与六轴机器人配合使用的钢管打磨装置、包含该钢管打磨装置的钢管智能打磨设备、使用该钢管智能打磨设备进行的钢管智能打磨方法、该钢管智能打磨设备管理系统作具体阐述。

<实施例1>

本实施例中提供一种与六轴机器人配合使用的钢管打磨装置。如图1和图2所示，该钢管打磨装置100包括：安装框架10、视觉装置20、打磨机构30。

安装框架10由金属材料制成。如图4所示，安装框架10包含第一面板11、第二面板12以及第三面板13，第一面板11、第二面板12以及第三面板13依次连接构成直角u型结构，该直角u型结构为一体成型。

如图4所示，在本实施例中第一面板11开设有多个螺栓孔111，螺栓孔111用于安装视觉装置20。第一面板11开设有减重孔用于减轻重量，该减重孔可为方孔、圆孔或异形孔，在本实施例中如图4所示，减重孔112设置为圆孔。第一面板11还开设有备用安装孔113，备用安装孔113可以在特殊情况使用，比如在不需要采用整个视觉装置20进行拍摄，仅需要2d拍摄的情况下，可直接将2d相机通过备用安装孔113螺栓连接固定。

如图4所示，第二面板12上开设有多个螺栓孔121，用于与六轴机器人的第六轴螺栓连接固定。如图1所示，安装框架10通过螺栓和定位销钉与六轴机器人200的第六轴201固定连接，从而将整个钢管打磨装置100安装在六轴机器人上。第二面板12上还开设有减重孔用于减轻重量，该减重孔可为方孔、圆孔或异形孔，在本实施例中如图4所示，该减重孔122设置为月牙形。

第三面板13用于安装打磨机构30。如图4所示，第三面板13开设有打磨机构安装孔131及多个螺栓孔132。

如图4所示，第三面板13的上边缘焊接有挡尘板14，挡尘板14与第三面板所成夹角的角度为135°。该135°倾斜角的挡尘板14可有效阻挡打磨机构打磨钢管时造成的飞尘，同时也确保了不会干扰打磨机构工作。

如图4所示，安装框架10在对应直角u型结构的开口侧设置有二个支撑柱15，支撑柱15的一端与第一面板1的内侧面焊接固定，另一端与第三面板13的内侧面焊接固定。在第一面板11与第二面板12的夹角位置、第二面板12与第三面板13的夹角位置还分别焊接有三角加强板16。支撑柱15、三角加强板16的设置使得整个安装框架10结构更加稳固、强度高。

如图1和图2所示，视觉装置20通过螺栓连接安装固定在第一面板11的外侧面。如图3所示，视觉装置20包括底板21、防尘边框22、3d激光线扫描相机23、2d视觉相机24、光源25。

底板21具有底板内面和底板背面，图2所示视角为从底板背面看的视角，图3所示视角为从底板内面看的视角。如图2所示，底板背面与安装框架10的第一面板11螺栓连接固定。如图4所示，底板内面21沿四周边缘螺栓连接固定有防尘边框22，防尘边框22上开设有多个减重孔221。底板21开设有二个矩形的减重窗，并在减重窗位置处覆盖有质地较轻的亚克力盖板27以防尘，亚克力盖板27与底板21为螺栓连接固定。

如图4所示，3d激光线扫描相机23、2d视觉相机24、光源25均安装底板内面。光源25为二个，二个光源分别设置在底板内面的两侧，相机设置在二个光源之间。2d视觉相机24通过安装支架26安装，安装支架26螺栓固定在底板21上。3d激光线扫描相机23通过螺栓安装固定在底板21上。

每个光源25均通过一组光源安装组件28安装。每组光源安装组件28包括支座281、第一调整件282、第二调整件283、调节螺丝284。支座281通过螺钉固定在底板内面，第一调整件282固定在支座281上，第二调整件283与第一调整件282通过调节螺丝284连接，光源固定在第二调整件283上。光源25采用长条状的灯体。支座281具有二个第一长孔，第一长孔为水平纵向设置。第一调整件282具有第二长孔，第二长孔为水平横向设置。第一调整件282与支座281通过第一长孔、第二长孔螺栓连接固定，螺栓连接位置可选取第一长孔中任意位置，从而实现调节第一调整件282的水平纵向固定位置，即调节光源25在水平纵向上的位置；螺栓连接位置可选取第二长孔中任意位置，从而实现调节第一调整件282的水平横向固定位置，即调节光源25在水平横向上的位置。第一调整件282具有第一螺纹孔，第二调整件283具有第二螺孔，调节螺丝284插入第一螺纹孔和第二螺纹孔，使得第一调整件282与第二调整件283连接，通过调整调节螺丝284，可调节第二调整件283相对第一调整件281旋转角，即实现光源25可绕调节螺丝284转动，从而实现调节光源的出光面。

如图2所示，打磨机构30安装固定在第三面板13的外侧面。打磨机构30包括气动浮动马达31以及铣刀32。气动浮动马达31的端面嵌入打磨机构安装孔131内，且气动浮动马达31具有安装脚座311，气动浮动马达31的安装脚座通过螺栓连接固定在第三面板13上。铣刀32为硬质合金铣刀，通过夹头安装在气动浮动马达31的输出端。铣刀32由气动浮动马达31带动高速旋转实现铣削加工。

<实施例2>

本实施例中提供一种钢管智能打磨设备。图5是本发明的实施例2中钢管智能打磨设备的电气连接示意图。

本实施例中的钢管智能打磨设备包括：传送辊道、光电传感组件400、六轴机器人200、钢管打磨装置100、电气控制器500、本地终端700、远程终端600。

传送辊道用于传送待打磨的钢管。图6中箭头j1示意了辊道输送钢管的运行方向。

光电传感组件400，设置在传送辊道旁侧，用于检测钢管是否传送到达指定位置。光电传感组件400包括第一传感器401和第二传感器402，第一传感器401和第二传感器402均为红外线传感器。如图6所示，在本实施例中第一传感器401、第二传感器402的红外线发射方向与钢管轴向方向相垂直，与传送辊道的运行方向相反。第一传感器401的红外发射方向呈图6中箭头j2所示，第二传感器402的红外发射方向呈图6中箭头j3所示。第一传感器401、第二传感器402之间的间距为30cm。且第一传感器401、第二传感器402的红外线感应距离设有限制，该限制距离可根据实际生产情况进行设置，确保在钢管运输过程中可以感应到最前端输送的一根钢管，但不能感应到后面位置的钢管。通过第一传感器401和第二传感器402的位置设置及感应距离的现在，检测即将待打磨的钢管是否到达指定位置。

六轴机器人200设置在钢管传送辊道旁侧，在本实施例中六轴机器人200设置在钢管传送辊道的右侧(如图6所示箭头j4所处区域)。六轴机器人200可以完成六个自由度的动作。

钢管打磨装置采用实施例1中的钢管打磨装置100，钢管打磨装置100安装在六轴机器人200的第六轴201上。钢管打磨装置100用于获取待打磨钢管的圆端面参数以及用于对圆端面进行打磨。

电气控制器500为plc电气控制器。如图5所示，电气控制器500分别与传送辊道的控制器300、六轴机器人200、视觉装置20、打磨机构30、光电传感组件400连接。

本地终端700与电气控制器500连接，用于分析处理数据以及车间内的用户进行操作。本地终端700为设置在车间内的触屏式一体机。远程终端600与电气控制器500连接，用于分析处理数据以及远程的用户进行操作。远程终端600为设置在远程的计算机。

<实施例3>

本实施例中提供一种钢管打磨智能机器人管理系统，用于指令实施例2中钢管智能打磨设备工作。该钢管打磨智能机器人管理系统与工厂的一级控制系统、二级管理系统通信连接。一级控制系统、二级管理系统分别为工厂内已有的控制系统和管理系统。

本实施例的钢管打磨智能机器人管理系统包括：用于存储计算机程序指令的存储部；用于传输指令信号并用于与一级控制系统、二级管理系统通信连接的通信部；用于数据分析处理并生成指令信号的处理部；用于执行计算机程序指令的执行部。当计算机程序指令被执行部执行时，触发下述实施例4中的钢管智能打磨方法自动进行。

<实施例4>

本实施例中提供一种钢管智能打磨方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：检测钢管是否到位

在待打磨钢管传送过程中，第一传感器401和第二传感器402实时检测，处理部根据第一规则判定钢管是否传送到位。

第一规则为：参阅图6，当第一传感器401发出感应信号且第二传感器402无感应信号时，则判定待打磨钢管1传送到了指定位置；当第一传感器401与第二传感器402均无感应信号时，则表示待打磨钢管1还未到指定位置；当第一传感器401与第二传感器402均有发出感应信号时，则表示待打磨钢管1的待打磨圆端面(右侧圆端面)超出了指定位置，有触碰到位于右侧的六轴机器人及钢管打磨装置的风险。

当待打磨钢管1传送到了指定位置时，处理部生成定位指令，定位指令传送至plc电气控制器，经过信号转换后传输至传送辊道的控制器，辊道根据该定位指令暂停运转，辊道上所有钢管暂停传送，并将待打磨钢管1顶起定位。

当待打磨钢管1的右侧圆端面超出了指定位置时，处理部生成警示指令，本地终端的触摸屏上显示该警示指令，提醒工作人员进行人工操作调整使钢管位于可打磨区域内，钢管位于可打磨区域内即第一传感器401发出感应信号且第二传感器402无感应信号。

步骤2：3d拍摄及图像处理

当待打磨钢管1顶起不动之后，通信部收到传送辊道的控制器的反馈信号，处理部生成3d拍摄指令。

3d拍摄指令传送至plc电气控制器，经过信号转换后传输至六轴机器人及视觉装置。六轴机器人200根据3d拍摄指令带动视觉装置20移动到预设3d拍摄位置进行3d图像的拍摄(图6中箭头j4方向为3d激光线扫描相机的激光方向)。3d激光线扫描相机从预设3d拍摄位置发射出激光，激光照射在钢管圆端面的情形如图8(a)所示，图8(a)中圆环为钢管圆端面，虚线为激光面。如图8(b)中所示，激光打在钢管圆端面位置(图中粗线段所示位置)将反射回去，形成反馈信号。通过3d激光线扫描相机的反馈信号在3d图像中将形成如图8(c)中所示两段粗线段，经由3d图像处理器数据分析处理，可计算得到两段粗线段的相近的两个端点的距离a和两段粗线段的相远离的两个端点的距离b，距离a即为约估钢管内径值、距离b即为约估钢管外径值。另外根据反馈信号可获知视觉装置20与钢管圆端面之间的精准距离值l。

在本步骤中3d拍摄获得的约估钢管内径值a和约估钢管外径值b，不是十分精确的值，是近似值。其原因为：其一，预先并不会知道待打磨钢管1右侧圆端面的具体位置，因此该位置与预设3d拍摄位置之间的距离会随着每根待打磨钢管1情况变化，但是待打磨钢管1是通过光电感应组件检测再在指定位置范围内定位顶起，因此该距离是在可控范围内的。其二，钢管位置可能有些许偏差，参阅图8(a)，图8(a)中激光面恰好照射在钢管的直径位置处，但在实际情况下钢管位置有时会略偏左或略偏右，导致激光面不是恰好照射在钢管的直径位置处。因此，基于上述两点，通过3d图像处理获得的约估钢管内径值a，约估钢管外径值b是近似值，而不是十分精确的值。

步骤3：2d拍摄及图像处理

在获得约估钢管内径值a、约估钢管外径值b和精准距离值l之后，处理部根据约估钢管内径值a、约估钢管外径值b、精准距离值l生成2d拍摄指令。该2d拍摄指令包括根据约估钢管内径值a、约估钢管外径值b选取2d拍摄数据库中的适合拍照模板并确定拍照焦距，及根据精准距离值l和拍照焦距的差值来确定2d拍摄位置。

2d拍摄指令传送至plc电气控制器，经过信号转换后传输至六轴机器人及视觉装置。六轴机器人根据2d拍摄指令带动视觉装置移动到2d拍摄位置进行2d图像的拍摄。2d拍摄前，plc电气控制器控制光源25开启。其中2d拍摄位置的确定如下：当精准距离值l大于拍照焦距时，六轴机器人带动视觉装置向钢管圆端面靠近；当精准距离值l小于拍照焦距时，六轴机器人带动视觉装置远离钢管圆端面：使得最终的2d拍摄位置与钢管待打磨圆端面之间的距离恰好等于拍照焦距，以获得清晰精准2d图像。

获得的2d图像在钢管圆端面位置由于光源的反光将呈现出极高亮度，而在非钢管位置将呈现出极低亮度。2d图像表现为图9(a)所示，在图中钢管圆端面呈现为明亮圆环，其他区域则呈现为灰暗。

处理部对2d图像进行分析处理，具体过程如下：

第一步，根据图像颜色值，识别出2d图像中的钢管，并自动获取钢管画面区域。钢管画面区域采用预定义尺寸的矩形标示出来，该步骤呈现为如图8(b)所示。该矩形的尺寸可以预先通过人工自定义。

第二步，提取钢管画面区域内的特征圆环。该步骤呈现为如图8(c)所示。其中提取钢管画面区域内的特征圆环采用图像特征提取模型进行，具体操作为：可根据实际情况选取现有图像特征提取模型作为初始模型，利用大量样本进行训练获得最终训练好的模型。模型训练过程为现有技术常规操作手段，此处不再进行详细阐述。

第三步，获取特征圆环后便可计算出特征圆环的外径值、内径值、圆心值，即为精准钢管外径值、精准钢管内径值、钢管圆心值。

步骤4：打磨

得到精准钢管外径值、精准钢管内径值、钢管圆心值后，处理部根据精准钢管外径值、精准钢管内径值、钢管圆心值生成打磨指令。

打磨指令包含：第一步指令：根据钢管圆心值和精准钢管内径值对钢管内圆面进行打磨。第二步指令：根据钢管圆心值和精准钢管外径值对钢管外圆面进行打磨。

打磨指令传送至plc电气控制器，经过信号转换后传输至六轴机器人及打磨机构。

六轴机器人根据打磨指令带动打磨机构移动到打磨位置，首先，打磨机构伸入钢管内根据钢管圆心值和精准钢管内径值对钢管内圆面进行打磨，然后，打磨机构再退离钢管，根据钢管圆心值和精准钢管外径值对钢管外圆面进行打磨。在整个打磨过程中通过对气动浮动马达31的参数控制，可进行打磨角度的调整，打磨过程中实现一定角度的柔性浮动，实现最佳的打磨效果。

步骤5：六轴机器人复位

打磨结束后，六轴机器人根据复位指令退回初始位置，并反馈打磨完成信号；

步骤6：传送后续待打磨钢管

处理部根据打磨完成信号生成继续传送指令，辊道根据继续传送指令继续运转，传送下一根待打磨钢管，然后重复上述步骤1-5的操作，进行下一根钢管的自动化打磨。

进一步，由于钢管打磨智能机器人管理系统接入了工厂的一级控制系统和二级管理系统，因此可实现一级控制系统和二级管理系统的联动。将厂内压缩空气气源与打磨机构工相相配合工作，通过厂内压缩空气通过气管及切断阀对打磨机构进行气冷冷却。

另外，在钢管智能打磨方法操作中，可通过本地终端和远程终端进行干预，实施用户主动操作。本地终端的用户主动操作包括但不限于手动视觉拍照、手动打磨、手动复位中的任意一种。远程终端的主动操作包括但不限于一键启动全自动打磨模式，及视觉拍照、智能打磨分步依次启动模式。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。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。