本發(fā)明涉及工程機(jī)械自動(dòng)化和高精度機(jī)械加工，尤其是涉及一種反應(yīng)釜封頭移動(dòng)測(cè)量與開(kāi)孔一體化機(jī)器人及作業(yè)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著目前對(duì)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的容器精度要求提高，這對(duì)于反應(yīng)釜封頭的加工精度也提出了更高的要求。

2、在現(xiàn)有生產(chǎn)加工過(guò)程中，由于封頭較大(最大直徑可達(dá)到3.5米)，導(dǎo)致人工吊裝時(shí)的擺放位置偏差較大、存在加工誤差且每次切割開(kāi)孔都需要多名工人手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、定位、畫(huà)線和確定中心點(diǎn)，這種方法不僅耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，而且存在較大的誤差風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法滿足高精度的加工需求。特別是在面對(duì)大型封頭時(shí)，人工操作的穩(wěn)定性和一致性難以保證，成為了切割開(kāi)孔過(guò)程中的瓶頸。

3、目前大型構(gòu)件如航空航天、風(fēng)電機(jī)葉片所使用的移動(dòng)測(cè)量開(kāi)孔方法為全局測(cè)量定位與局部測(cè)量定位多尺度結(jié)合方法，如公開(kāi)號(hào)為cn109990701a的發(fā)明公開(kāi)了一種大型復(fù)雜曲面三維形貌機(jī)器人移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光三維掃描設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、自主移動(dòng)平臺(tái)、立體視覺(jué)測(cè)量設(shè)備和地面定位靶標(biāo)；所述方法采用上述系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量包括如下步驟：標(biāo)定定位靶標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；標(biāo)定機(jī)器人手眼關(guān)系；規(guī)劃自動(dòng)測(cè)量路徑；獲取各站位點(diǎn)云數(shù)據(jù)；獲取各站位點(diǎn)云位姿；多站位點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊。但是，上述多尺度、測(cè)量結(jié)合的方法固然精密，但對(duì)于普通大型構(gòu)件加工顯然是不小的負(fù)擔(dān)，從測(cè)量難度和成本方面考慮，上述定位方法顯然不適用于普通大型構(gòu)件的加工。

4、目前，對(duì)于化工反應(yīng)釜封頭加工場(chǎng)景始終存在著工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作過(guò)程單一、工人開(kāi)孔加工效率低，并且在一些特定廠房區(qū)域作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)事故等問(wèn)題。因此首要任務(wù)是為了克服在反應(yīng)釜封頭工程中存在著需要人工進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量、劃線定位，在不同測(cè)量位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，重復(fù)測(cè)量工作強(qiáng)度大等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在需要人工測(cè)量開(kāi)孔、龍門(mén)架固定開(kāi)孔不能解決原位測(cè)量的缺陷而提供一種包含測(cè)量定位、切割開(kāi)孔的移動(dòng)作業(yè)一體化的反應(yīng)釜封頭移動(dòng)測(cè)量與開(kāi)孔一體化機(jī)器人及作業(yè)方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、本方案提供了一種反應(yīng)釜封頭移動(dòng)測(cè)量與開(kāi)孔一體化機(jī)器人，包括控制模塊以及控制模塊連接的移動(dòng)平臺(tái)、多軸機(jī)械臂、測(cè)量模塊和開(kāi)孔模塊；所述多軸機(jī)械臂的一端安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，所述測(cè)量模塊和開(kāi)孔模塊集成設(shè)置在多軸機(jī)械臂的另一端；

4、所述移動(dòng)平臺(tái)用于帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)，所述多軸機(jī)械臂根據(jù)控制模塊的指令調(diào)整測(cè)量模塊和開(kāi)孔模塊的位置和姿態(tài)，所述測(cè)量模塊用于對(duì)封頭進(jìn)行點(diǎn)云掃描，所述開(kāi)孔模塊用于封頭的開(kāi)孔和打坡口，所述控制模塊用于接收測(cè)量模塊采集的數(shù)據(jù)，并確定封頭的開(kāi)孔位置，且所述控制模塊用于控制機(jī)器人的動(dòng)作、測(cè)量模塊的測(cè)量路徑以及開(kāi)孔模塊的開(kāi)孔姿態(tài)。

5、進(jìn)一步地，所述測(cè)量模塊包括激光測(cè)距傳感器和3d結(jié)構(gòu)光相機(jī)，所述3d結(jié)構(gòu)光相機(jī)用于采集封頭的三維形狀，生成對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云信息，并將點(diǎn)云信息輸送至控制模塊；所述激光測(cè)距傳感器用于測(cè)量模塊和開(kāi)孔模塊的定位。

6、進(jìn)一步地，所述開(kāi)孔模塊包括等離子切割機(jī)和移動(dòng)導(dǎo)軌，所述移動(dòng)導(dǎo)軌安裝在多軸機(jī)械臂的末端，所述等離子切割機(jī)可移動(dòng)安裝在移動(dòng)導(dǎo)軌上，所述移動(dòng)導(dǎo)軌用于調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的位置；所述等離子切割機(jī)還連接伺服電機(jī)，所述伺服電機(jī)用于調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的傾角。

7、進(jìn)一步地，，所述等離子切割機(jī)的一側(cè)安裝有彈簧滾輪，當(dāng)?shù)入x子切割機(jī)作業(yè)時(shí)，所述彈簧滾輪與封頭表面接觸。

8、進(jìn)一步地，所述移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有慣性測(cè)量單元、視覺(jué)相機(jī)和激光雷達(dá)，用于移動(dòng)平臺(tái)的環(huán)境感知與動(dòng)態(tài)避障；所述移動(dòng)平臺(tái)的下端設(shè)有車輪，所述車輪上設(shè)有鎖緊件，所述鎖緊件用于固定車輪的移動(dòng)。

9、本方案還提供了一種反應(yīng)釜封頭移動(dòng)測(cè)量與開(kāi)孔一體化機(jī)器人的作業(yè)方法，包括以下步驟：

10、獲取封頭的直徑和多軸機(jī)械臂的臂展，并將多軸機(jī)械臂的臂展與封頭的直徑進(jìn)行比較，判斷封頭上開(kāi)孔位置的測(cè)量方法和開(kāi)孔方法；

11、若封頭的直徑與多軸機(jī)械臂的臂展的比值小于或等于第一閾值，通過(guò)測(cè)量模塊采用固定點(diǎn)位測(cè)量方法確定封頭上開(kāi)孔位置，并標(biāo)定關(guān)鍵特征點(diǎn)；

12、若封頭的直徑與多軸機(jī)械臂的臂展的比值大于第一閾值，通過(guò)測(cè)量模塊配合移動(dòng)平臺(tái)采用多次轉(zhuǎn)站測(cè)量方法確定封頭上開(kāi)孔位置，并標(biāo)定關(guān)鍵特征點(diǎn)；

13、若封頭的直徑與多軸機(jī)械臂的臂展的比值小于或等于第二閾值，通過(guò)開(kāi)孔模塊采用固定點(diǎn)位開(kāi)孔方法在標(biāo)定的關(guān)鍵特征點(diǎn)位置進(jìn)行開(kāi)孔和打坡口作業(yè)；

14、若封頭的直徑與多軸機(jī)械臂的臂展的比值大于第二閾值，通過(guò)開(kāi)孔模塊配合移動(dòng)平臺(tái)采用轉(zhuǎn)站開(kāi)孔方法在標(biāo)定的關(guān)鍵特征點(diǎn)位置進(jìn)行開(kāi)孔和打坡口作業(yè)。

15、進(jìn)一步地，所述測(cè)量模塊包括3d結(jié)構(gòu)光相機(jī)，所述3d結(jié)構(gòu)光相機(jī)用于采集封頭的三維形狀，生成對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云信息，所述固定點(diǎn)位測(cè)量方法包括以下步驟：

16、通過(guò)3d結(jié)構(gòu)光相機(jī)獲取封頭的結(jié)構(gòu)輪廓；將封頭的結(jié)構(gòu)輪廓以圓心劃分為三個(gè)扇形區(qū)域，各個(gè)扇形區(qū)域的圓心角均為120°；由封頭的結(jié)構(gòu)輪廓中心開(kāi)始，將多軸機(jī)械臂依次在三個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)移動(dòng)；

17、通過(guò)3d結(jié)構(gòu)光相機(jī)對(duì)每個(gè)扇形區(qū)域進(jìn)行掃描，并對(duì)各個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)拼接；根據(jù)三個(gè)扇形區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)，生成封頭的完整點(diǎn)云模型；

18、將封頭的完整點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)傳輸至控制模塊，結(jié)合開(kāi)孔的預(yù)設(shè)位置和尺寸，確定封頭待加工區(qū)域的具體坐標(biāo)，并標(biāo)定關(guān)鍵特征點(diǎn)。

19、進(jìn)一步地，所述多次轉(zhuǎn)站測(cè)量方法包括以下步驟：

20、通過(guò)測(cè)量模塊獲取封頭的結(jié)構(gòu)輪廓；將封頭的結(jié)構(gòu)輪廓以圓心劃分為三個(gè)扇形區(qū)域，各個(gè)扇形區(qū)域的圓心角均為120°；在封頭三個(gè)扇形區(qū)域外設(shè)置對(duì)應(yīng)的三個(gè)標(biāo)定板，將外置的標(biāo)定板進(jìn)行內(nèi)外參標(biāo)定，獲取對(duì)應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)；

21、通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)測(cè)量模塊移動(dòng)，配合測(cè)量模塊掃描三個(gè)標(biāo)定板，確定測(cè)量模塊與封頭的相對(duì)位置，對(duì)第一個(gè)扇形區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云掃描；通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)測(cè)量模塊移動(dòng)，重復(fù)第一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)的掃描動(dòng)作，獲取第二個(gè)和第三個(gè)扇形區(qū)域的點(diǎn)云掃描；

22、將三個(gè)扇形區(qū)域的點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)融合，得到封頭完整的點(diǎn)云模型，結(jié)合開(kāi)孔的預(yù)設(shè)位置和尺寸，確定封頭待加工區(qū)域的具體坐標(biāo)，并標(biāo)定關(guān)鍵特征點(diǎn)。

23、進(jìn)一步地，所述開(kāi)孔模塊包括等離子切割機(jī)，所述固定點(diǎn)位開(kāi)孔方法包括以下步驟：

24、獲取測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果和封頭的設(shè)計(jì)圖紙，計(jì)算封頭上每個(gè)開(kāi)孔的坐標(biāo)、深度和坡口角度；

25、根據(jù)開(kāi)孔信息，通過(guò)控制模塊規(guī)劃多軸機(jī)械臂的移動(dòng)路徑，通過(guò)多軸機(jī)械臂帶動(dòng)離子切割機(jī)移動(dòng)；

26、將移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置后固定，通過(guò)離子切割機(jī)結(jié)合開(kāi)孔信息，在指定封頭的指定位置進(jìn)行開(kāi)孔和坡口加工。

27、進(jìn)一步地，所述開(kāi)孔模塊包括等離子切割機(jī)、伺服電機(jī)和移動(dòng)導(dǎo)軌，所述移動(dòng)導(dǎo)軌用于調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的位置，所述伺服電機(jī)用于調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的傾角；所述轉(zhuǎn)站開(kāi)孔方法包括以下步驟：

28、根據(jù)控制模塊確定的開(kāi)孔的位置和尺寸，啟動(dòng)等離子切割機(jī)進(jìn)行封頭開(kāi)孔；通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)軌調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的開(kāi)孔直徑；

29、根據(jù)開(kāi)孔坡口傾角，通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的傾斜角度，配合測(cè)量模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子切割機(jī)與封頭的相對(duì)位置，若檢測(cè)到表面不平整，通過(guò)伺服電機(jī)進(jìn)一步調(diào)節(jié)等離子切割機(jī)的傾斜角度；

30、完成當(dāng)前區(qū)域的開(kāi)孔作業(yè)后，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)將機(jī)器人轉(zhuǎn)移到下一個(gè)區(qū)域，重復(fù)上一區(qū)域的開(kāi)孔動(dòng)作，直至完成封頭上的全部開(kāi)孔。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

32、(1)本方案中測(cè)量模塊對(duì)封頭工件進(jìn)行掃描，得到封頭工件對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)云模型，結(jié)合設(shè)計(jì)的開(kāi)孔信息，確定開(kāi)孔的位置、尺寸以及坡口傾角，開(kāi)孔模塊根據(jù)確定的開(kāi)孔和坡口信息，在封頭上進(jìn)行開(kāi)孔和打坡口作業(yè)。通過(guò)控制模塊，移動(dòng)平臺(tái)和多軸機(jī)械臂對(duì)測(cè)量模塊和開(kāi)孔模塊的空間姿態(tài)和位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

33、相比于現(xiàn)有的通過(guò)人工操作定位配合固定龍門(mén)架進(jìn)行封頭開(kāi)孔，通過(guò)移動(dòng)測(cè)量與開(kāi)孔集成的機(jī)器人作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)釜封頭的原位置加工，不需要移動(dòng)封頭位置，提高反應(yīng)釜封頭開(kāi)孔工作效率、提升車間自動(dòng)化及數(shù)字化水平，在封頭上的開(kāi)孔定位準(zhǔn)確度更高。

34、(2)本方案中開(kāi)孔模塊與測(cè)量模塊在多軸機(jī)械臂末端的移動(dòng)導(dǎo)軌上集成安裝，所述等離子切割頭配置在移動(dòng)導(dǎo)軌上，可以使等離子切割頭在特定范圍內(nèi)沿著導(dǎo)軌的固定方向移動(dòng)。使得整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、加工的連續(xù)化操作，減少了傳統(tǒng)設(shè)備中測(cè)量與開(kāi)孔設(shè)備分離導(dǎo)致的操作誤差。

35、(3)本方案在等離子切割頭的側(cè)面位置特別設(shè)計(jì)并安裝彈簧滾輪，彈簧滾輪能夠在等離子切割過(guò)程中與反應(yīng)釜封頭表面保持接觸，在加工過(guò)程中防止切割頭因不規(guī)則表面或誤差而與反應(yīng)釜封頭發(fā)生直接碰撞，不僅提高切割過(guò)程的安全性，也避免因碰撞而導(dǎo)致的加工質(zhì)量下降或設(shè)備損壞。

36、(4)本方案中根據(jù)封頭直徑與多軸機(jī)械臂的臂展之間的尺寸關(guān)系，確定的固定移動(dòng)的測(cè)量方法以及通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，多角度測(cè)量封頭構(gòu)建點(diǎn)云模型的測(cè)量方法，且配合有對(duì)應(yīng)的封頭開(kāi)孔和打坡口，適應(yīng)各種尺寸的封頭加工，靈活性高且適用范圍廣。