直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法与流程

发明属作业运输磨削抛光工艺技术领域，具体涉及一种直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法。

背景技术：

直焊缝钢管是用钢板一次卷弯成型的具有轴向直焊缝的管材。为了满足直焊缝钢管管端下一步钢管对接环焊的焊接质量，需要对直焊缝钢管管端焊缝进行轴向进深一定的直焊缝打磨操作，以最大限度满足钢管径向应力分布均一化的耐久使用需求。apispec5l标准和gbt97111—1997标准中均明确规定：钢管管端打磨应满足以下需求：焊缝修磨不得伤及母材；修磨后焊缝残余高度应小于0.5mm。

现有技术下，公开号为cn109483369a公开的一种具有三维视觉的机器人打磨系统及其控制方法，以及公开号为cn109483369a公开的一种具有三维视觉的机器人打磨系统及其控制方法：上述两种技术方案均采用气动打磨技术；虽然在柔性输出上具备一定优势；但是受气体的可压缩性影响，气动执行机构内气体容易受外界环境温度的变化而产生波动，导致气动系统的固有频率稳定性差,导致最终打磨线性度输出并不理想。不仅如此，受气动执行机构气缸摩擦力低速运行的严重爬行影响,系统性能并不稳定，因此高精度打磨的可靠性受到制约。因此无法满足不伤母材的高精度高可靠性自动打磨使用需求。

此外，公开号为cn109483369a公开的一种具有三维视觉的机器人打磨系统及其控制方法，由于采用多自由度机械手直接携带砂轮打磨，由于机械臂运动轨迹规划的精度限制，以及各关节轨迹传感器弹性变形使关节产生额外的转角增量，转角增量产生的位移将通过多自由度机械臂每个执行单元的臂长被放大，因此，多自由度机械手直接携带磨头打磨的精度有限，无法完全替代人工打磨所能达到的技术要求。

再者，公开号为cn208117512u公开的一种柔性打磨自动补偿系统，虽然实现了多自由度机械手执行端轴向自动补偿功能；但是采用砂轮打磨；砂轮与钢管焊缝呈点接触打磨，磨削效率低、砂轮更换成本高、机床功率利用率并不理想。对此，现有技术下，缺少针对直焊缝钢管管端的直焊缝打磨，采用砂带打磨，简化多自由度机械手运动控制的同时，提高打磨精度，降低打磨成本，实现直焊缝钢管管端焊缝的自动识别以及高精度打磨，现提出如下改进技术方案。

技术实现要素：

发明解决的技术问题：提供一种直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法，通过在多自由度机械手执行端安装采用砂带打磨的z向直焊缝磨削平台，采用砂带垂直于直焊缝按规划圆弧轨迹与钢轨反复同心圆运动，通过砂带与钢管焊缝垂直呈线接触的高效打磨方式，提高打磨效率；降低打磨成本；简化机械手的运动控制的同时实现打磨精度的提高；解决现有技术中缺少针对钢管直焊缝自动识别、高精度、高可靠性、高效快速自动打磨专用砂带打磨设备的技术问题。

发明采用的技术方案：直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤s001、确定钢管位置：将包括上位机、plc、运动控制卡、机械臂、非接触式激光轮廓仪以及z向直焊缝磨削平台在内的直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人；在直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的上位机输入钢管直径，由上位机控制机械臂，并由机械臂执行端固定搭载的z向直焊缝磨削平台由零位移动至起始位置，并由激光轮廓仪扫描确定检测钢管位置；且所述激光轮廓仪以z向直焊缝磨削平台为载体在平台下部外侧固定安装；

步骤s002、规划轨迹：机械臂根据激光轮廓仪扫描确定检测到的钢管位置平移运动，并根据钢管管径计算获得钢管的圆心和钢管最高点，由上位机记录特定点坐标信息并建立待打磨钢管的坐标系，从而使上位机以上位机的莫托曼机器人motocom32组件对机械臂1规划绕待磨削钢管外圆周面同心运动的圆弧轨迹

步骤s003、寻找管端：机械臂搭载z向直焊缝磨削平台平移至钢管最高点12点正上方后，机械臂搭载z向直焊缝磨削平台沿钢管轴线方向平移以寻找定位钢管管端；其中钢管管端识别方法为：如果激光轮廓仪投射的线性激光的激光点数三分之一以上落至钢管，则机械臂搭载z向直焊缝磨削平台停止轴向移动，且机械臂找到管端；

步骤s004、识别管端：机械臂搭载z向直焊缝磨削平台移动至距离钢管点上方的固定同心圆高度位置处停止并定位；上位机控制机械臂搭载z向直焊缝磨削平台以前述定位点为起始点轴向平移到距离管端轴向进深一个砂带宽度d的打磨段距离；

步骤s005、扫描起始点：plc控制驱动钢管转动的辊轮电机工作，激光轮廓仪根据钢管外表面陡增的激光点判断寻找焊缝起始点，以确定焊缝修磨起始点；找到焊缝后，上位机发出停止辊轮电机转动的信号，plc控制辊轮电机停止转动；

步骤s006、建立用户坐标系：机械臂搭载z向直焊缝磨削平台移动至钢管点方向，上位机读取机械臂在钢管最高点的位置信息，并读取该点在机器人坐标系中的坐标；根据钢管直径数据和激光轮廓仪距离钢管的实时高度，建立用户坐标系；

步骤s007、焊缝跟踪扫描：上位机控制机械臂搭载z向直焊缝磨削平台沿与钢管同心的规划圆弧径向移动；同时由z向直焊缝磨削平台固定搭载的激光轮廓仪，由激光轮廓仪发出沿钢管轴向定长度延伸的线性激光cd，线性激光cd沿与钢管同心的规划圆弧径向移动的同时，扫描钢管直焊缝，并根据焊缝跟踪算法获取钢管直焊缝的二维特征数据；

步骤s008、位置补偿：根据激光轮廓仪距离z向直焊缝磨削平台打磨工作点之间的固定位置差，控制机械臂相对运动，使z向直焊缝磨削平台打磨工作点移动到激光轮廓仪扫描焊缝的起始位置，完成位置补偿；

步骤s009、第一道次直焊缝修磨：上位机控制z向直焊缝磨削平台的磨头电机启动准备打磨；上位机控制机械臂沿与钢管同心的规划圆弧径向运动，同时上位机控制z向直焊缝磨削平台的z向垂直减速电机按照激光轮廓仪扫描获取的焊缝高度信息自动调整三角打磨机构的z向高度，在磨头电机驱动下精确打磨一个砂带宽度d的轴向长度直焊缝；

步骤s009、第二道次直焊缝修磨：上位机控制机械臂沿与钢管同心的规划圆弧径向回退复位至a点，回退复位至a点后的机械臂搭载z向直焊缝磨削平台沿钢管直焊缝轴向进给移动二分之一砂带宽度d的轴向进给位移量；上位机控制机械臂沿与钢管同心的规划圆弧径向运动，同时z向直焊缝磨削平台的z向垂直减速电机2按照激光轮廓仪扫描获取的焊缝高度信息自动调整三角打磨机构的z向高度，在磨头电机驱动下精确打磨二分之一砂带宽度d的轴向直焊缝；

步骤s010、第n道次的直焊缝修磨：机械臂每沿与钢管同心的规划圆弧径向运动一次，即完成二分之一砂带宽度d轴向长度直焊缝的z向垂直升降精确打磨；

步骤s011、打磨结束：当第n道次直焊缝打磨完成后，(n-1)*(d/2)+d的值大于钢管管端焊缝标准轴向进深长度l时，打磨结束。

上述技术方案中，进一步地：步骤s007中直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的激光轮廓仪焊缝跟踪算法包括：算法一、对获取的激光轮廓仪数据进行滤波；算法二：将滤波后数据做差分运算；算法三：根据差分运算结果确定焊缝的左右趾点；算法四：对除左右趾点之外的钢管数据进行圆弧拟合；算法五、圆弧拟合数据作为焊缝的余高数据；算法六、余高数据作为焊缝修磨时z向垂直减速电机调整三角打磨机构磨头的z向高度进给数据，算法结束。

上述技术方案中，为解决多自由度机械手执行端三角打磨机构的轻量化、稳定化可靠支撑安装：进一步地：直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法包括的直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人，直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人中具有的z向直焊缝磨削平台由法兰安装架、x向机架和相对x向机架在z向垂直升降的三角打磨机构组成；所述法兰安装架为空间立体镂空直角三角形结构；其中一个水平直角边顶端面通过水平法兰盘与六自由度机械手的执行末端在水平面固连为一体，另一个竖直直角边与x向机架水平左端固连为一体；所述x向机架水平右端安装相对x向机架在z向垂直升降的三角打磨机构；所述三角打磨机构水平右端外侧底部固定安装激光轮廓仪；所述法兰安装架、x向机架用铝合金制成。

上述技术方案中，为解决三角打磨机构相对x向机架的高精度、高可靠性、稳定支撑的z向机械移动，进一步地：所述三角打磨机构包括一对前、后竖直安装侧板；所述前、后竖直安装侧板内侧板体分别竖直平行对称安装一对垂直滑轨，垂直滑轨分别滑动适配一对垂直导轨滑块，一对垂直导轨滑块外侧同时固连垂直基板板体背侧；其中一个垂直导轨滑块块体内侧固连丝杆滑块，丝杆滑块旋合适配垂直丝杆；垂直丝杆上下两端分别通过丝杆安装座组件转动支撑且固定安装在其中一个竖直安装侧板板体竖直内侧壁；所述垂直丝杆顶端动力输入端同轴固连z向垂直减速电机，z向垂直减速电机以一个竖直安装侧板竖直板体内侧壁顶部为支撑固定安装；z向垂直减速电机驱动垂直丝杆转动实现丝杆滑块的垂直位移，丝杆滑块固连l型转接板一端板体；l型转接板另一端板体固连垂直基板背侧；垂直基板板体正面固定安装修磨机构；z轴垂直减速电机驱动垂直基板带动修磨机构相对前、后竖直安装侧板在z向垂直位移；此外前、后竖直安装侧板板体外侧与x向机架水平右端板体竖直内侧壁紧固连为一体。

上述技术方案中，为解决修磨机构上砂带的涨紧功能，砂带便捷更换功能实现的技术问题，进一步地：所述三角打磨机构具有外部涨紧包绕砂带并在垂直基板外侧呈三角形分布的主动轮、调整轮、打磨轮；其中打磨轮位于主动轮和调整轮下方设置；所述打磨轮通过z向三轴气缸驱动实现打磨轮在z轴方向的直线涨紧位移调节；所述调整轮通过转动手轮调节调整轮在水平轴向的俯仰角以防砂带跑偏。

上述技术方案中，为解决修磨机构上砂带纠偏功能的实现：所述调整轮轮体通过多组滚珠轴承ⅰ、轴承孔用挡圈支承轮体在调整轮轴上的高速转动；所述调整轮轴一端通过圆柱销转动连接调整轮机架；所述调整轮轴另一端与关节轴承输出端相连；所述关节轴承输入端与螺母、螺栓、手轮组成的丝杆螺母螺旋副的垂直直线位移执行端相连；通过转动手轮经螺母螺栓丝杆螺母螺旋副传动推送调整轮轴一端绕调整轮轴另一端的圆柱销铰接点俯仰转动以防调整轮轮体外砂带跑偏。

上述技术方案中，为解决修磨机构上打磨轮磨损后影响精度时打磨轮的快速更换和安装技术问题，进一步地：所述打磨轮通过多组滚珠轴承ⅱ、孔用挡圈、轴端端盖同轴高速转动支承安装在打磨轮轴轴体中部；所述打磨轮轴轴体轴向两端分别使用垂直穿过轴体的下紧固螺栓使用上、下安装架上下对称制有的轮轴凹槽上下对夹夹紧打磨轮轴轴体两端杆体，以将打磨轮轴可拆卸水平夹紧固定安装在上、下安装架架体轮轴凹槽内；所述上、下安装架由倒u型上安装架和一对下安装架夹紧板体组成；其中上安装架外侧水平顶部固连z向三轴气缸执行末端；其中z向三轴气缸以垂直基板外侧板体为载体固定安装；z向三轴气缸缸体外侧通过轮廓仪安装座固定支撑安装激光轮廓仪；前述打磨轮的轮体外圆周还设橡胶层。

上述技术方案中，为进一步提升三角打磨机构携带磨头在z向机械升降的升降打磨精度，进一步地：所述前、后竖直安装侧板其中一个板体内侧固定安装正对垂直导轨滑块检测的上极限接近开关、零点接近开关以及下极限接近开关。

上述技术方案中，进一步地：所述三角打磨机构具有z向垂直减速电机；所述z向垂直减速电机外侧设有用于隐藏电机安装的电机护罩；所述三角打磨机构具有外部涨紧包绕砂带，呈三角形分布的主动轮、调整轮和打磨轮；其中上方的主动轮和调整轮外侧上方设有倒扣的磨头护罩。

与现有技术相比：本发明设计了一种直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法，采用在机械手执行端安装砂带打磨式z向直焊缝磨削平台；采用磨削比更高的砂带打磨替代砂轮打磨；并使砂带打磨式z向直焊缝磨削平台垂直于焊缝方向按规划圆弧轨迹往复运动，通过砂带宽度方向与焊缝的线接触的打磨方式经过多道次的打磨的打磨方法，提高磨削比的同时，简化机械手运动控制，同时提高焊缝打磨精度；解决针对直焊缝钢管管端轴向进深一定的直焊缝不伤母材的高精度、高可靠性、自动识别、自动打磨技术问题；且砂带打磨式z向直焊缝磨削平台本身具有z向升降调节功能纠偏，提高打磨精度简化运动控制的同时；平台中三角打磨机构的砂带本身具备涨紧调节功能以及砂带纠偏功能；砂带更换维护简单便捷；完全满足钢管管端直焊缝高精度、高效、高可靠自动打磨需求。

发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本方案通过在机械手执行端安装z向直焊缝磨削平台，较机械手直接携带砂轮打磨；一方面消除了机械手轨迹规划精度有限导致打磨精度有限，仍需人工二次修磨的技术问题，实现了高精度打磨；另一方面z向直焊缝磨削平台采用砂带三角打磨机构3-3替代砂轮打磨，打磨精度更高，能够最大限度避免磨头伤及母材；

2、本方案砂带与焊缝呈线接触，较砂轮与焊缝呈点接触的打磨方式而言；采用砂带磨削替代砂轮磨削磨削比提升4-10倍，生产率高、更换成本低、机床功率利用率高；

3、本方案三角打磨机构3-3，采用气动垂直涨紧调节打磨轮高低；采用手轮调节调整轮砂带防止砂带跑偏；结构紧凑，传动稳定；砂带更换简单便捷；

4、本方案调整轮通过转动手轮331，由手轮331推送调整轮轴332一端绕调整轮轴332另一端的圆柱销338铰点转动；防止砂带3-303跑偏；结构简单、调节方便、经济实用；

5、本方案打磨轮轴采用上、下安装架(3201、3203)对夹夹紧水平固定安装；打磨轮通过带孔用挡圈3207、轴端端盖3208的滚珠轴承ⅱ3206在打磨轮轴上高速转动安装；打磨轮拆卸、安装、更换便捷方便；有利后期维护保养；结构支撑稳定可靠；

6、本方案z向直焊缝磨削平台3传动精密稳定可靠；协同双滑轨、滑块的双导向支撑结构共同作用；可满足z向直焊缝磨削平台的精确稳定可靠打磨位移调节需求；

7、本方案采用镂空铝合金法兰安装架3-1、x向机架3-2与多自由度机械手固连，实现机械手执行端的轻量化可靠稳定搭载；协同磨头护罩电机护罩共同作用；外形美观，防护性优良，支撑稳定可靠；z向直焊缝磨削平台4与多自由度机械手执行端集成安装的通用性理想；不仅可实现外直焊缝的打磨；x向机架3-2还能将三角打磨机构3-3伸入钢管管口内，满足钢管内直焊缝的打磨使用；

8、本方案z向直焊缝磨削平台3，协同上下极限接近开关和零点接近开关共同作用；为高精度精磨磨削提供可靠保证；磨削后焊缝残余高度可控制在0-0.3mm以内；远高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求；

9、本方案激光轮廓仪2在三角打磨机构外侧底部固定；为数据采集的准确性及时性提供可靠保证；无需复杂的云计算，具有高精度、高强度、智能检测、实时反馈、响应速度快等优点。

附图说明

图1为发明机械臂工作状态的立体图；

图2为图1中机械臂总成立体图；

图3为三角打磨机构3-3的背面主视图；

图4为三角打磨机构的背面立体图；

图5为三角打磨机构的正面右侧立体图；

图6为三角打磨机构的正面左侧立体图；

图7为调整轮的手轮调节机构的调节原理图；

图8为调整轮的手轮调节机构主视图；

图9为调整轮的手轮调节机构立体图；

图10为三角打磨机构中打磨轮的气缸涨紧原理主视图；

图11为打磨轮去掉三轴气缸部分的结构主视图；

图12为图11打磨轮和打磨轮轴的安装结构组成剖视图；

图13为图11打磨轮去掉三轴气缸部分的立体图；

图14为三角打磨机构安装各接近开关的后视图；

图15为z向直焊缝磨削平台的立体图；

图16为z向直焊缝磨削平台的主视图；

图17为打磨轮砂带沿规划圆弧轨迹多道次打磨钢管12点位置直焊缝的俯视图；

图18为本发明的直焊缝打磨工艺流程图；

图19为本发明z向垂直减速电机的控制电路接线图；

图20为本发明激光轮廓仪按规划圆弧轨迹行走的三维轨迹坐标图；

图21为本发明激光轮廓仪按规划圆弧轨迹行走的二维轨迹坐标图；

图22为图20激光轮廓仪规划圆弧轨迹行走扫描跟踪直焊缝的三维轨迹坐标图；

图23为激光轮廓仪扫描跟踪直焊缝后某一道次圆弧拟合数据拟合的焊缝余高数据二维坐标图；

图24为图22激光轮廓仪扫描跟踪直焊缝的直焊缝模拟成像三维图；

图25为某一道次直焊缝修磨后的焊缝余高数据二维坐标图；

图26为图25的模拟成像三维图。

具体实施方式

下面结合附图1-26描述发明的具体实施例。值得理解的是，下面描述实施例仅是示例性的，而不是对发明的具体限制。

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的部件以及材料，如无特殊说明，均为市售。下述实施例中控制电路的实现，如无特殊说明，均为常规控制方式。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，需要理解的是：术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。再例如，可以是直接相连，也可以通过其他中间构件的间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法，其特征在于，包括以下步骤：(参见图1并结合图18)此处描述的技术还在各流程图中描述。为便于讨论，某些操作在这些流程图中被描述为以特定次序执行的不同的组成步骤。这些实现是示例性而非限制性的。某些操作可被分组在一起并且在单个操作中执行，而某些操作可用不同于在本发明中所述的示例中所采用的次序来执行。

步骤s001、确定钢管位置：将包括上位机、plc、运动控制卡、机械臂1、非接触式激光轮廓仪2以及z向直焊缝磨削平台3在内的直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人；在直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的上位机即计算机输入钢管直径，为机械臂的高度提供依据；由上位机控制机械臂1，并由机械臂1执行端固定搭载的z向直焊缝磨削平台3由零位移动至起始位置即钢管上方一定高度位置，并由激光轮廓仪2扫描确定检测钢管位置；且所述激光轮廓仪2以z向直焊缝磨削平台3为载体在平台下部外侧固定安装；

需要说明的是：机械臂控制；使用motocom32软件，集成于labview软件中，离线控制机械臂按照修磨流程要求，规划适宜的圆弧轨迹并稳定匀速运动。除了辊轮电机以及z向减速电机的参数设置程序外，所有的控制程序均使用labview编写控制实现。激光轮廓仪选用德国米铱(扫描控制)scancontrol2900/2950/2910二维线激光轮廓扫描传感器扫描，以精确采集直焊缝的标高数据，并用于建立直焊缝二维坐标波形图。上位机显示器具有使用labview开发友好的图形用户界面，用于对各类仪器设备进行实时控制，并综合显示包括钢管直径、焊缝扫描结果二维波形图等信息数据，便于操作人员掌握实时情况并操作修改诸如钢管直径等信息。plc既用于控制钢管辊轮电机4的转动；又用于控制z向直焊缝磨削平台3轴向高度的调节；运动控制卡用于规划机械臂运动轨迹。

步骤s002、规划轨迹：机械臂1根据激光轮廓仪2扫描确定检测到的钢管位置距离钢管12点正上方一定高度位置平移运动，即根据钢管管径计算获得钢管的圆心和钢管最高点，由上位机记录特定点坐标信息并建立待打磨钢管的坐标系，从而使上位机以上位机的莫托曼机器人motocom32组件对机械臂1规划绕待磨削钢管外圆周面始终定高度的同心运动圆弧轨迹(参见图20、图21)；

步骤s003、寻找管端：机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3平移至钢管最高点12点正上方后，机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3沿钢管轴线方向平移以寻找定位钢管管端；其中钢管管端识别方法为：如果激光轮廓仪2投射的线性激光的激光点数三分之一以上落至钢管，则机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3停止轴向移动，且机械臂1找到管端；

步骤s004、识别管端：机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3移动至距离钢管11点上方的固定同心圆高度位置处停止并定位；上位机控制机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3以前述11点固定同心圆高度位置定位点为起始点轴向平移到距离管端轴向进深一个砂带3-303宽度d的打磨段距离准备第一道次的一个砂带宽度的管端焊缝起始端直焊缝的打磨；

步骤s005、扫描起始点：plc控制驱动钢管转动的辊轮电机4工作，激光轮廓仪2根据钢管外表面陡增的激光点判断寻找焊缝起始点，以确定焊缝修磨起始点；找到焊缝后，上位机对plc发出停止辊轮电机4转动的信号，plc控制辊轮电机4停止转动；并使钢管直焊缝转动至钢管12点位置；

需要说明的是：辊轮电机4通过y型滚轮托举机构托举钢管，并通过y型滚轮中与滚轮电机4(该处指辊轮减速电机)的动力输出轴固连的主动滚轮的主动转动，通过橡胶材质的主动滚轮轮体与钢管外圆周侧壁之间的摩擦力，由主动滚轮拨动钢管转动。此外，plc可以根据钢管直径数据、辊轮电机4线速度，以激光轮廓仪2检测到钢管焊缝抵达12点位置时为触发信号，触发plc控制辊轮电机4停止转动，从而将钢管焊缝转动至12点位置处停止。

步骤s006、建立用户坐标系：机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3移动至钢管12点方向，上位机读取机械臂1在钢管最高点的位置信息，并读取该点在机器人坐标系中的坐标；根据钢管直径数据和激光轮廓仪2距离钢管的实时高度，建立用户坐标系；

需要说明的是：通过用户坐标系的建立，达到简化机械手运动控制的同时：即打磨时，机械手只需按照规划的圆弧轨迹重复往复运动；每打完一个道次，机械手只需按照钢管轴向进深水平移动二分之一砂带宽度d的轴向进给位移；即多自由度机械手的运动控制只需“轴向进给位移、圆弧往复运动”这两个动作的交替重复，即能完成z向直焊缝磨削平台3的打磨规划轨迹的使用需求；不仅如此，通过建立用户坐标系，一方面达到简化机械手运动控制，避免机械手运动误差累积导致的打磨精度的降低影响；另一方面通过用户坐标系的建立，协同机械手执行端z向直焊缝磨削平台3对砂带线性打磨高度的调节，达到精确控制z向直焊缝磨削平台3法向升降位移精确调节控制，从而实现直焊缝多道次的精确打磨目的。

步骤s007、焊缝跟踪扫描及跟踪扫描结束：上位机控制机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3沿与钢管同心的规划圆弧径向移动(如图20)；同时由z向直焊缝磨削平台3固定搭载的激光轮廓仪2，由激光轮廓仪2发出沿钢管轴向定长度延伸的线性激光cd(参见图17并结合图22)，激光轮廓仪2发出的线性激光cd沿与钢管同心的规划圆弧径向移动的同时，线性激光沿圆弧扫描钢管直焊缝，并根据焊缝跟踪算法获取钢管直焊缝并将直焊缝划分为若干道次的直焊缝每个道次对应的二维波形图特征数据(参见图23)。

需要说明的是：当管端直焊缝的打磨长度l如果小于激光轮廓仪2发出线性激光cd的长度时：只需一次步骤s007的跟踪扫描，就能完成钢管直焊缝的跟踪扫描；而当管端直焊缝的打磨长度l大于激光轮廓仪2发出的线性激光cd的长度时：当第一次跟踪扫描结束后，机械臂1首先搭载z向直焊缝磨削平台3沿钢管轴向进深平移一个激光轴向线性长度cd的距离；然后重复步骤s007完成第二次激光轮廓仪2发出线性激光cd长度的直焊缝跟踪扫描；并重复机械臂1每搭载z向直焊缝磨削平台3沿钢管轴向进深平移一个激光轴向线性长度cd后重复步骤s007操作；通过多次直焊缝扫描跟踪，直到完成l长度的直焊缝全部扫描后跟踪扫描才结束。

步骤s008、位置补偿：根据激光轮廓仪2距离z向直焊缝磨削平台3打磨工作点之间的固定位置差，控制机械臂1相对运动，使z向直焊缝磨削平台3打磨工作点移动到激光轮廓仪2扫描焊缝的起始位置，完成位置补偿；通过位置补偿，为磨头线性工作点在用户坐标系中的精确定位奠定基础；

步骤s009、第一道次直焊缝修磨：(如图17)上位机控制z向直焊缝磨削平台3的磨头电机3-301启动准备打磨；上位机控制机械臂1沿与钢管同心的规划圆弧径向运动(如图22)，同时上位机控制z向直焊缝磨削平台3的z向垂直减速电机3-302按照激光轮廓仪2扫描获取的焊缝高度信息(如图23并结合图17：该高度为一个砂带宽度d上最高点的焊缝坐标)自动调整三角打磨机构3-3的z向高度，在磨头电机3-301驱动下精确打磨一个砂带3-303宽度d的轴端轴向长度直焊缝(如图17)；

步骤s009、第二道次直焊缝修磨：上位机控制机械臂1沿与钢管同心的规划圆弧径向回退复位至a点，回退复位至a点后的机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3沿钢管直焊缝轴向进给移动二分之一砂带3-303宽度d的轴向进给位移量(如图17虚线位置的砂带)；上位机控制机械臂1沿与钢管同心的规划圆弧重复径向运动，同时z向直焊缝磨削平台3的z向垂直减速电机3-302按照激光轮廓仪2扫描获取的焊缝高度信息(结合图17：该高度为半个砂带宽度d即砂带后半段上轴线直焊缝最高点的焊缝坐标)自动调整三角打磨机构3-3的z向高度，在磨头电机3-301驱动下精确打磨二分之一砂带3-303宽度d的轴向直焊缝；

需要说明的是：第二道次打磨完成后，上位机控制机械臂1沿与钢管同心的规划圆弧径向回退复位至a点；回退复位至a点后的机械臂1搭载z向直焊缝磨削平台3沿钢管直焊缝轴向进给移动二分之一砂带3-303宽度d的轴向进给位移量；准备第三道次的打磨；

步骤s010、第n道次的直焊缝修磨：机械臂1每沿与钢管同心的规划圆弧径向运动一次，即完成二分之一砂带3-303宽度d轴向长度直焊缝的z向垂直升降精确打磨；即重复步骤步骤s009的过程；

步骤s011、打磨结束：当第n道次直焊缝打磨完成后，(n-1)*(d/2)+d的值大于钢管管端焊缝标准轴向进深长度l时，n为满足(n-1)*(d/2)+d＞l关系式的最小自然数；打磨结束。

需要说明的是：关于管端直焊缝轴向l长度直焊缝的打磨，当钢管直径、砂带带宽d尺寸确定后：n通过计算得到。关于打磨道次n的计算：n与管端直焊缝轴向进深l(一般进深长度l与钢管直径对应)砂带宽度d的关系满足：(n-1)*(d/2)+d＞l即可；且n为(n-1)*(d/2)+d＞l的最小自然整数。

上述实施例中，进一步地：步骤s007中直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的激光轮廓仪2焊缝跟踪算法包括：算法一、对获取的激光轮廓仪数据进行滤波；算法二：将滤波后数据做差分运算：算法三：根据差分运算结果确定焊缝的左右趾点；算法四：对除左右趾点之外的钢管数据进行圆弧拟合；其中，圆弧拟合时，每一道次的拟合首先需要根据焊缝长度l、砂带宽度d计算需要的打磨道次n；根据该打磨道次n将l长度的直焊缝二维数据沿轴向划分为与道次数n对应的n段；然后分别对n段焊缝高度数据分段进行圆弧拟合；算法五、圆弧拟合数据作为焊缝的余高数据；需要说明的是：分段圆弧拟合作为焊缝余高数据时：每一段砂带宽度d方向始终取砂带宽度d方向ef上最高点的焊缝高度坐标作为砂带线性打磨的焊缝余高数据，并根据砂带宽度d方向ef上最高点的焊缝高度坐标，调节磨头的打磨高度；算法六、余高数据作为焊缝修磨时z向垂直减速电机3-302调整三角打磨机构3-3磨头的z向高度进给数据，算法结束。采用分道次垂直于焊缝轴向长度方向多道次打磨的方式，一方面有利简化运动控制，提高打磨精度；另一方面有利提高磨削比，提高磨削机构的磨削利用率，同时降低磨削耗材成本。

上述实施例基础上：直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法包括的直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人，直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人中具有的z向直焊缝磨削平台3由法兰安装架3-1、x向机架3-2和相对x向机架3-2在z向垂直升降的三角打磨机构3-3组成(如图1、图2、图15、图16)。所述法兰安装架3-1为空间立体镂空直角三角形结构；其中一个水平直角边顶端面通过水平法兰盘3-11与六自由度机械手1的执行末端在水平面固连为一体，另一个竖直直角边与x向机架3-2水平左端固连为一体；所述x向机架3-2水平右端安装相对x向机架3-2在z向垂直升降的三角打磨机构3-3；所述三角打磨机构3-3水平右端外侧底部固定安装激光轮廓仪2；所述法兰安装架3-1、x向机架3-2用铝合金制成。

首先，通过设置x向机架3-2实现其水平右端三角打磨机构3-3完成钢管外直焊缝以及内直焊缝的打磨使用需求，同时简化机械臂轨迹规划的运动控制。从而能够将z向直焊缝磨削平台3直接伸进钢管管端管口内侧。其次，该z向直焊缝磨削平台3具有轻量、美观；与多自由度机械手连接支撑可靠、稳定；以及与多自由度机械手可实现通用装配安装的优势。

上述实施例基础上，(如图3、图4)所述三角打磨机构3-3包括一对前、后竖直安装侧板301所述前、后竖直安装侧板301内侧板体分别竖直平行对称安装一对垂直滑轨302，垂直滑轨302分别滑动适配一对垂直导轨滑块303，一对垂直导轨滑块303外侧同时固连垂直基板309板体背侧；以带动垂直基板309随导轨滑块303沿垂直滑轨302垂直位移；其中一个垂直导轨滑块303块体内侧固连丝杆滑块304，丝杆滑块304旋合适配垂直丝杆305；所述垂直丝杆305上下两端分别通过丝杆安装座组件306转动支撑且固定安装在其中一个竖直安装侧板301板体竖直内侧壁；所述垂直丝杆305顶端动力输入端同轴固连z向垂直减速电机3-302，z向垂直减速电机3-302以一个竖直安装侧板301竖直板体内侧壁顶部为支撑固定安装；z向垂直减速电机3-302驱动垂直丝杆305转动实现丝杆滑块304的垂直位移，丝杆滑块304固连l型转接板308一端板体；l型转接板308另一端板体固连垂直基板309背侧，以通过丝杆滑块304的垂直位移通过l型转接板308带动垂直基板309垂直位移；再通过垂直基板309板体背面固连的一对垂直导轨滑块303双滑动支撑垂直基板309沿一对垂直滑轨302垂直位移；垂直基板309板体正面固定安装修磨机构3；z轴垂直减速电机3-302驱动垂直基板309带动修磨机构3相对前、后竖直安装侧板301在z向垂直位移；此外前、后竖直安装侧板301板体外侧与x向机架3-2水平右端板体竖直内侧壁紧固连为一体。

首先，前、后竖直安装侧板301用于将三角打磨机构3-3以z向直焊缝磨削平台3的x向机架3-2为载体固定支撑安装。其次，三角打磨机构3-3中z向高度调节功能的实现：采用双滑轨滑块，双滑轨滑块一方面提供直线导向，另一方面起到承重的作用。通过丝杆螺母螺旋副实现旋转运动至直线运动的转换；竖直传动位移稳定、可靠、精密、高效；为z向直焊缝磨削平台3中磨头z向的高精密直线位移提供可靠保证。可满足z向直焊缝磨削平台3精确、稳定、可靠的z向打磨高度直线位移调节功能实现的使用需求。

上述实施例基础上：(如图5、图6)所述三角打磨机构3-3具有外部涨紧包绕砂带3-303并在垂直基板309外侧呈三角形分布的主动轮31、调整轮33、打磨轮32；其中打磨轮32位于主动轮31和调整轮33下方设置；所述打磨轮32通过z向三轴气缸321驱动实现打磨轮32在z轴方向的直线涨紧位移调节；所述调整轮33通过转动手轮331调节调整轮33在水平轴向的俯仰角以防砂带3-303跑偏。通过三角形涨紧并在竖直方向上高速转动的砂带3-303，以如图17所示ef一个砂带宽度d的线接触方式线性打磨钢管轴向直焊缝；实现高磨削比、高效以及高设备利用率的磨削打磨。并实现砂带涨紧功能以及砂带纠偏调节功能的实现。

使用时：采用砂带3-303磨削替代砂轮磨削，较砂轮磨削，由于砂带3-303磨削的磨削比是砂轮磨削磨削比的4-10倍，因此砂带3-303磨削具有生产率高、更换成本低、机床功率利用率高的优势。修磨机构3的砂带磨削轮组由采用三角形分布具有气动涨紧调节功能的打磨轮、电机驱动转动的主动轮以及具有纠偏调节功能的调整轮组成；结构紧凑，传动稳定；砂带更换时，通过三轴气缸活塞杆回退完成砂带的轻松拆卸；砂带的更换简单便捷。

上述实施例基础上：进一步地：为实现砂带的纠偏调节功能，所述调整轮33轮体通过多组滚珠轴承ⅰ337、轴承孔用挡圈333支承轮体在调整轮轴332上的高速转动(如图7)；所述调整轮轴332一端通过圆柱销338转动连接调整轮机架339；所述调整轮轴332另一端与关节轴承336输出端相连；所述关节轴承336输入端与螺母335、螺栓334、手轮331组成的丝杆螺母螺旋副的垂直直线位移执行端相连(如图7)；关于调整轮机架339需要说明的是：所述调整轮机架339包括竖直支撑手轮331、螺母335、螺栓334关节轴承336安装的第一调整轮机架(如图8、图9)，还包括与第一调整轮机架垂直平行固连为一体的第二调整轮机架(如图7、图9)；第二调整轮机架竖直板体顶端制有凹槽；凹槽边板通过圆柱销338铰接转动连接调整轮轴332的铰接端；调整轮轴332的另一端与第一调整轮机架上支撑安装的关节轴承336输出端固连，以随关节轴承输出端推送调整轮轴332右端绕如图7所示方向左端调整轮轴332铰接点实现调整轮轴332的俯仰调；进而调节调整轮轴332上调整轮水平安装的俯仰角；进而朝如图6所示方向的内侧或外侧调节砂带3-303的位置；防止砂带跑偏。

使用时：(如图7所示)通过转动手轮331，经螺母335螺栓334丝杆螺母螺旋副传动，推送关节轴承336动作，进而通过关节轴承336输出端推送调整轮轴332如图7所示方向的右端绕调整轮轴332左端的圆柱销339铰接点俯仰转动调节；以防调整轮33轮体外砂带3-303跑偏。

上述实施例基础上，为实现打磨轮32对砂带的张紧调节功能；同时方便砂带的更换；而且方便打磨轮轴承的更换。(如图10、图11、图12、图13)所述打磨轮32通过多组滚珠轴承ⅱ3206、孔用挡圈3207、轴端端盖3208同轴高速转动支承安装在打磨轮轴3202轴体中部(如图12)；关于滚珠轴承ⅱ3206与打磨轮32、打磨轮轴3202之间的快速便拆卸安装原理，需要说明的是：(如图12)所述轴端端盖3208用于轴向压紧滚珠轴承ⅱ3206的轴承外圈并将滚珠轴承ⅱ3206轴承外圈与打磨轮同轴固连为一体，从而方便拆卸轴端端盖3208的同时，实现滚珠轴承ⅱ3206的拆卸；且打磨轮轴3202一端为光轴另一端为台阶轴；所述台阶轴的凸台内侧端面用于限位并轴向压紧右侧的滚珠轴承ⅱ3206的轴承内圈，并将右侧滚珠轴承ⅱ3206的轴承内圈与打磨轮轴3202使用如图12所示方位的右侧轴端端盖3208将打磨轮轴3202与滚珠轴承ⅱ3206轴承内圈轴向压紧固连为一体。同理地，左侧轴端端盖3208一方面将打磨轮轴3202左侧的滚珠轴承ⅱ3206的轴承内圈与打磨轮轴3202轴向压紧同轴固连为一体；另一方面左侧的轴端端盖3208通过盖体内侧壁制有的另一压环将滚珠轴承ⅱ3206的轴承外圈与打磨轮32轮体轴向压紧且同轴固连为一体。为实现打磨轮轴以及打磨轮转动组件整体的快速安装拆卸功能：(如图12)所述打磨轮轴3202轴体轴向两端分别使用垂直穿过轴体的下紧固螺栓3205使用上、下安装架(3201、3203)上下对称制有的轮轴凹槽3204(结合11)上下对夹夹紧打磨轮轴3202轴体两端杆体，以将打磨轮轴3203可拆卸水平夹紧固定安装在上、下安装架(3201、3203)架体轮轴凹槽3204内(如图12，通过拆卸下紧固螺栓3205即实现打磨轮轴上打磨轮转动组件的整体拆卸。此外，为实现包括上、下安装架(3201、3203)3在内的打磨轮组件整体对轮体外包绕的砂带3-303的张紧调节以及松动调节功能的实现：所述上、下安装架(3201、3203)由倒u型上安装架3201和一对下安装架3203夹紧板体组成；其中上安装架3201外侧水平顶部(如图13)固连z向三轴气缸321执行末端(如图10)；其中z向三轴气缸321以垂直基板309外侧板体为载体固定安装；z向三轴气缸321缸体外侧通过轮廓仪安装座201(如图6所示)固定支撑安装激光轮廓仪2；轮廓仪安装座201与z向三轴气缸321缸体紧固连为一体。轮廓仪安装座201为制有紧固螺孔的块体结构；前述打磨轮32的轮体外圆周还设橡胶层；通过橡胶层的设置一方面延长打磨轮的使用寿命；另一方面增加打磨轮对砂带的摩擦阻力。

使用时：上、下安装架3201、3203对夹夹紧水平固定安装打磨轮轴3202；并在打磨轮轴3202上通过滚珠轴承ⅱ3206同轴转动支承安装打磨轮32。该安装结构组成使得打磨轮安装牢固；轮体支撑结构稳定可靠；打磨轮、打磨轮轴以及滚珠轴承ⅱ3206、孔用挡圈3207、轴端端盖3208在内的打磨轮轴组件可实现便捷快速的整装拆卸安装；维护保养方便；结构稳定可靠；易维护。

上述实施例基础上：(如图14所示)所述前、后竖直安装侧板301其中一个板体内侧固定安装正对垂直导轨滑块303检测的上极限接近开关91、零点接近开关92以及下极限接近开关93。通过极限、零位接近开关的设置，提高plc控制三角打磨机构3-3中修磨机构3相对前、后竖直安装侧板301在z向垂直位移运动的定位精度，进而提高打磨精度。磨削后焊缝残余高度可控制在+0-0.3mm以内；远高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求。

上述实施例基础上：(参见图15、图16)所述三角打磨机构3-3具有z向垂直减速电机3-302；所述z向垂直减速电机3-302外侧设有用于隐藏电机安装的铝合金材质蒙皮结构的电机护罩3-21；所述三角打磨机构3-3具有外部涨紧包绕砂带3-303，呈三角形分布的主动轮31、调整轮33和打磨轮32；其中打磨轮32设于最底部；打磨轮32上方的主动轮31和调整轮33外侧上方设有倒扣的铝合金材质的磨头护罩3-22；所述磨头护罩可以与垂直基板309外侧板体顶部焊接固连为一体；且磨头护罩为倒扣的圆弧结构。此外，激光轮廓仪2与修磨机构3底端打磨轮32支撑结构固连为一体，随修磨机构3移动；为近端扫描数据采集的准确性及时性提供可靠保证。

本发明的工作原理是：机器人机械手整体由机械臂1及砂带打磨式z向直焊缝磨削平台3组成；z向直焊缝磨削平台3配有高精度激光轮廓仪，通过自行开发的视觉检测算法识别跟踪管端直焊缝，并对修磨过程中的z向减速电机的垂直进给直线位移量提供数据支撑。z向直焊缝磨削平台3与plc建立全闭环位置控制。直焊缝的跟踪通过机械臂1做圆弧轨迹运动，必要时协同机械臂的轴向进给位移实现直焊缝的多次跟踪扫描以满足l长度直焊缝的全扫描覆盖；扫描结束后，根据打磨长度l和砂带宽度d计算打磨道次n；实现n道次的逐次打磨；每道次打磨时，磨头依据记录的焊缝余高指导z向减速电机精准修磨焊缝余高，进而完成直焊缝的焊管的内、外焊缝的精准修磨作业。

通过以上描述可以发现：本发明通过在机械手执行端安装z向直焊缝磨削平台，较机械手直接携带砂轮打磨；一方面消除了机械手轨迹规划精度有限导致打磨精度有限，仍需人工二次修磨的技术问题，实现了高精度打磨；另一方面z向直焊缝磨削平台采用砂带三角打磨机构3-3替代砂轮打磨，打磨精度更高，能够最大限度避免磨头伤及母材。本发明砂带与焊缝呈线接触，较砂轮与焊缝呈点接触的打磨方式而言；采用砂带磨削替代砂轮磨削磨削比提升4-10倍，生产率高、更换成本低、机床功率利用率高。本发明三角打磨机构3-3，采用气动垂直涨紧调节打磨轮高低；采用手轮调节调整轮砂带防止砂带跑偏；结构紧凑，传动稳定；砂带更换简单便捷。本发明调整轮通过转动手轮331，由手轮331推送调整轮轴332一端绕调整轮轴332另一端的圆柱销338铰点转动；防止砂带3-303跑偏；结构简单、调节方便、经济实用。本发明打磨轮轴采用上、下安装架(3201、3203)对夹夹紧水平固定安装；打磨轮通过带孔用挡圈3207、轴端端盖3208的滚珠轴承ⅱ3206在打磨轮轴上高速转动安装；打磨轮拆卸、安装、更换便捷方便；有利后期维护保养；结构支撑稳定可靠。本发明z向直焊缝磨削平台3传动精密稳定可靠；协同双滑轨、滑块的双导向支撑结构共同作用；可满足z向直焊缝磨削平台的精确稳定可靠打磨位移调节需求。本发明采用镂空铝合金法兰安装架3-1、x向机架3-2与多自由度机械手固连，实现机械手执行端的轻量化可靠稳定搭载；协同磨头护罩电机护罩共同作用；外形美观，防护性优良，支撑稳定可靠；z向直焊缝磨削平台4与多自由度机械手执行端集成安装的通用性理想；不仅可实现外直焊缝的打磨；x向机架3-2还能将三角打磨机构3-3伸入钢管管口内，满足钢管内直焊缝的打磨使用。本发明z向直焊缝磨削平台3，协同上下极限接近开关和零点接近开关共同作用；为高精度精磨磨削提供可靠保证；磨削后焊缝残余高度可控制在0-0.3mm以内；远高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求。本方案激光轮廓仪2在三角打磨机构外侧底部固定；为数据采集的准确性及时性提供可靠保证；无需复杂的云计算，具有高精度、高强度、智能检测、实时反馈、响应速度快等优点。

综上所述：本发明与现有技术相比最大的改进在于：本发明提供了一种直焊缝钢管管端焊缝自动修磨机器人的修磨方法：采用在机械手执行端安装砂带打磨式z向直焊缝磨削平台；与现有技术相比：采用磨削比更高的砂带打磨替代砂轮打磨；并使砂带打磨式z向直焊缝磨削平台垂直于焊缝方向按规划圆弧轨迹往复运动进行多道次的打磨；通过在竖直平面内高速转动的砂带与轴向直焊如图17所示的线接触打磨方式；经过多道次打磨完成轴向进深一定的直焊缝的精磨使用。提高磨削比，简化机械手运动控制的同时，通过z向直焊缝磨削平台携带磨头的z向升降调节功能，提高多自由度机械手执行端打磨直焊缝的打磨精度；解决针对直焊缝钢管管端轴向进深一定的直焊缝不伤母材的高精度、高可靠性、自动识别、自动打磨技术问题。不仅如此，砂带打磨式z向直焊缝磨削平台中三角打磨机构的砂带本身具备砂带涨紧调节功能以及砂带纠偏功能；提高磨削比打磨效率，降低磨削耗材成本的同时；解决了砂带日后便捷简单的维护调节和更换问题；完全满足钢管管端直焊缝高精度、高效、高可靠自动打磨使用。具有高精度、高可靠性、智能检测、实时反馈、响应速度快、打磨高效高效快速等优点。并能实现管端内直焊缝的打磨使用。

于本领域技术人员而言，显然发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上述实施例，只是发明的较佳实施例，并非用来限制发明实施范围，故凡以发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在发明权利要求范围之内。