螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人的制作方法

本发明属作业运输磨削抛光技术领域，具体涉及一种螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人。

背景技术：

螺旋钢管是以带钢卷板为原材料，采用螺旋焊接工艺卷制而成的的管材。针对螺旋钢管，为了满足螺旋钢管管端下一步钢管对接环焊的焊接质量，apispec5l标准和gbt97111—1997标准中均明确规定：以打磨508mm直径规格的螺旋钢管管端焊缝为例：首先，应清除螺旋焊管距管端至少150mm长度范围内的焊缝余高，即对螺旋钢管管端轴向的修磨进伸长度提出要求；其次、经磨削处理后的焊道不能低于管体母材外圆周面，即焊缝修磨不得伤及母材；再者、磨削处理后焊道超出钢管表面的残余高度应小于0.5mm，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。此外，在外观质量要求方面，磨削后焊缝表面还应光滑平整。

但是，现有技术下，市场上借助机械手直接携带磨头完成自动磨削的设备普遍存在打磨精度不够，从而导致打磨后焊道余高过高仍需人工二次修磨或伤及焊管母材导致钢管报废，即无法实现前文描述的符合apispec5l标准和gbt97111—1997标准规定的全自动打磨精度以及技术指标要求。

以公开号为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为例：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平滑打磨后0.5mm高度以内焊道螺旋钢管管端焊缝的高精度且可靠的自动打磨使用需求。

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，由于机械手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手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。此外，单纯采用砂轮打磨；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。

此外，在一些重点管线建设中，对管端焊缝的打磨还提出了要求打磨后焊缝与母材之间平滑过渡的要求，即焊缝余高为0。对此，为解决管端焊缝的高精度、高磨削比打磨问题基础上，实现0焊缝余高的自动抛光打磨，现提出如下改进技术方案

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：提供一种螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人，采用在多自由度机械手执行端安装二自由度精磨执行机构，简化机械手运动控制，提高机械手执行端打磨精度的同时提高磨削比；并实现多自由度打磨机械手打磨后抛光功能的使用。

本发明采用的技术方案：螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人，具有在多自由度机械手执行末端水平固定安装用砂带打磨的二自由度磨削及抛光平台；所述二自由度磨削及抛光平台具有水平铝合金镂空结构的机架；所述机架内侧安装相对其轴向水平位移的轴向机构；所述轴向机构的轴向水平位移执行端安装法向机构；所述法向机构的法向垂直直线位移执行端固定安装修磨机构和抛光机构，并带动修磨机构和抛光机构法向直线垂直位移；所述修磨机构外侧固定安装激光轮廓仪，并搭载激光轮廓仪相对机架水平轴向以及垂直法向直线位移。

上述技术方案中，进一步地：为保证精确打磨磨削的精确性、稳定性、可靠性：所述二自由度磨削及抛光平台的轴向机构以机架为载体固定安装左极限接近开关、零点接近开关、右极限接近开关；所述法向机构以其具有的前、后竖直安装侧板为载体固定安装上极限接近开关、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：为轻量化、美观化设计二自由度磨削及抛光平台的机架：所述机架用铝合金制成；机架包括镂空结构的左、右框架，与左、右框架之间固连的前后水平支撑用的支撑框架，以及封装左、右框架和支撑框架顶部的封盖壳体；其中支撑框架外侧包覆一层铝合金蒙皮；所述机架水平左侧固定安装镂空直角三角形结构的机械手连接座；所述机械手连接座用于将二自由度磨削及抛光平台水平安装在机械手的执行末端。

上述技术方案中，优选地：为保证打磨精度：所述轴向机构和法向机构9分别由双导轨、双导轨滑块以及丝杆、丝杆滑块组成稳定可靠的旋转与直线位移转换机构。

上述技术方案中，进一步地：为可靠、稳定、轻量化、紧凑化、小型化设计二自由度磨削及抛光平台的轴向、法向位移机构：所述二自由度磨削及抛光平台具有镂空框架结构的机架，所述机架轴向水平架体架体内侧底端通过前后平行的两组水平导轨滑动适配两组水平导轨滑块；两组水平导轨滑块前后轴对称分别固连两个前、后倒l型水平滑块连接板；所述前、后倒l型水平滑块连接板分别固连修磨机构的前、后竖直安装侧板；前、后竖直安装侧板内侧板体竖直平行且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，垂直导轨滑块一侧固连垂直丝杆滑块，垂直丝杆滑块旋合适配垂直丝杆；所述垂直丝杆通过与安装侧板固连的垂直丝杆安装座在安装侧板内侧转动支撑安装，且垂直丝杆的动力输入端同轴固连同样以安装侧板为支撑固定安装的z轴垂直减速电机；由z轴垂直减速电机驱动垂直位移的垂直丝杆滑块移动，垂直丝杆滑块通过与其固连的l型的转接板转接固连垂直基板背侧，以带动垂直基板法向垂直位移；所述垂直基板正面固定安装修磨机构；其中垂直基板板体背侧安装修磨机构的主动轮打磨电机；所述垂直基板通过z轴垂直减速电机驱动垂直丝杆滑块带动垂直基板正面固定安装的修磨机构相对前、后竖直安装侧板内侧板体固定安装的垂直滑轨垂直位移；所述前、后竖直安装侧板板体外侧固连水平丝杆滑块；所述水平丝杆滑块旋合适配水平丝杆；所述水平丝杆通过水平丝杆安装座在机架架体内侧水平转动安装，且水平丝杆平行于水平导轨滑块上方水平设置；且水平丝杆的动力输入端同轴固连x轴水平减速电机；所述x轴水平减速电机驱动水平丝杆滑块带动前、后竖直安装侧板以及修磨机构相对两组水平导轨水平轴向位移。

为针对焊缝残留余高，实现焊缝残留余高与母材平滑过渡的抛光功能的使用：所述法向机构具有相对轴向机构在法向垂直方向上升降的垂直基板；所述垂直基板通过长方体安装框架固定安装抛光机构；所述抛光机构外侧安装护板；且抛光机构具有一对在竖直方向同步平行执行升降动作的微型气缸，所述微型气缸顶端与长方体安装框架下底面固连为一体；所述微型气缸竖直朝下的执行端固连并推送电机托板升降移动，所述电机托板支撑抛光电机的安装；所述抛光电机连接抛光轮并驱动抛光轮转动抛光。所述长方体安装框架1001通过框架本体制有的水平螺纹孔与垂直基板板体通孔使用螺钉紧定连为一体。

上述技术方案中，为紧凑、小型化、稳定、轻量化设计磨削机构，并方便砂带的更换：所述修磨机构具有呈三角形分布的主动轮、打磨轮以及调整轮，且主动轮、打磨轮和调整轮外部包绕涨紧安装砂带；所述打磨轮通过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推送调整轮轴一端绕调整轮轴另一端铰点转动防止调整轮上包绕的砂带跑偏；且调整轮的调节机构由手轮、螺栓、螺母、关节轴承、调整轮轴、滚珠轴承ⅰ、轴承孔用挡圈、圆柱销、调整轮机架、调整轮组成；其中调整轮轴一端与调整轮机架通过圆柱销铰接转动相连，所述调整轮轴另一端与关节轴承输出端相连；关节轴承输入端与螺母、螺栓、手轮组成的丝杆螺母螺旋副相连。

上述技术方案中，进一步地：为方便打磨轮的安装以及更换：所述修磨机构具有呈三角形分布的主动轮、打磨轮和调整轮；且主动轮、打磨轮和调整轮外部包绕涨紧安装砂带；所述打磨轮具有倒u型的上安装架；上安装架顶端与垂直朝下安装的三轴气缸执行端固定连接；与上安装架上下相对设有用于上下对夹夹紧固定安装打磨轮轴的下安装架；上、下安装架对夹端分别制有与打磨轮轴尺寸匹配的轮轴凹槽；所述打磨轮轴两端轴体分别使用两个下紧固螺栓在上、下安装架的上、下轮轴凹槽内上下对夹夹紧水平固定安装；所述打磨轮轴轴体中部通过滚珠轴承ⅱ同轴转动支承安装打磨轮；所述打磨轮轮体外圆周设有橡胶层；且珠轴承ⅱ轴端适配安装孔用挡圈和轴端端盖。

上述技术方案中，优选地：为保证视觉数据采集的可靠性：所述修磨机构具有呈三角形分布的主动轮、打磨轮和调整轮；其中打磨轮位于三角形的底端，且打磨轮的固定支撑结构外侧固定安装激光轮廓仪。

与现有技术相比：本发明设计了一种螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人，采用在多自由度机械手执行端安装二自由度精磨执行机构，通过简化运动控制的同时提高机械手的打磨精度，克服现有技术下多自由度打磨机械手打磨后的螺旋钢管管端焊道质量无法满足apispec5l标准和gbt97111—1997标准规定的工艺指标要求；仍需人工二次修磨的技术难题。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本方案将磨削功能和抛光功能集成为一体，在机械手执行末端以机械手为载体，实现机械手执行末端磨削机构或抛光机构的二自由度精确位移调节；可省去后续的人工精磨修磨步骤，实现螺旋钢管内、外焊缝的高精度全自动修磨完成后的高精度抛光使用；且修磨以及抛光后的焊缝表面不伤母材；修磨表面光滑平整、无坑洼现象；可满足管端的平滑对接使用；

2、本方案高精度二自由度磨削及抛光平台4：磨头所在的磨削平台轴向控制误差允许值<0.05mm，法向控制误差允许值<0.01mm，远高于焊缝余高精度要求，保证了高精度、高质量焊缝修磨的实现；

3、本方案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；

4、本方案三角形修磨机构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；

5、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34跑偏；结构简单、调节方便、经济实用；

6、本方案打磨轮采用上、下安装架(3201、3203)对夹夹紧水平固定安装，带孔用挡圈3207、轴端端盖3208的滚珠轴承ⅱ3206在内的打磨轮轴组件拆装更换安装便捷方便；维护保养便捷；结构稳定可靠；

7、本方案二自由度磨削及抛光平台4传动精密稳定可靠；协同双滑轨滑块的导向支撑结构共同作用；可满足二自由度磨削及抛光平台轴向、法向位移机构的精确稳定可靠打磨位移调节需求；

8、本方案采用铝合金机架41，结构紧凑，实现机械手执行端的轻量化可靠稳定搭载；外形美观，支撑稳定可靠；二自由度磨削及抛光平台4与多自由度机械手执行端集成安装的通用性理想；通过机架41的水平延伸部搭载磨头的安装；不仅可满足外螺旋焊缝的打磨使用需求；还能伸进钢管管口内，实现内螺旋焊缝的打磨使用；

9、本方案轴向、法向位移机构，协同零点、左右、上下接近开关共同作用；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0-0.5mm以内；远高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求；

10、本方案无需复杂的云计算，具有高精度、高强度、智能检测、实时反馈、响应速度快等优点；

11、本方案激光轮廓仪5在修磨机构3底部固定；为数据采集的准确性及时性提供可靠保证；

12、本方案抛光机构抛光时，基于视觉系统采集的磨削后焊缝余高数据，重新按照磨削时机械臂规划的轨迹路线，根据视觉系统采集的焊缝余高数据通过二自由度移动机构搭载抛光机构轴向法向位移，对管端焊缝余高进行精磨抛光，抛光精度可靠，可替代人力完成焊缝的精磨抛光使用。

附图说明

图1为本发明修磨机构的正面立体图；

图2为修磨机构的背面立体图；

图3为修磨机构的背面主视图；

图4为修磨机构另一侧的正面立体图；

图5为调整轮的手轮调节机构的调节原理图；

图6为调整轮的手轮调节机构主视图；

图7为调整轮的手轮调节机构立体图；

图8为修磨机构中打磨轮的气缸涨紧原理图；

图9为打磨轮去掉三轴气缸后的结构主视图；

图10为图9打磨轮的安装结构组成剖视图；

图11为图9打磨轮的立体图；

图12为二自由度磨削及抛光平台轴向位移机构安装接近开关后的立体图；

图13修磨机构背面法向位移机构安装各接近开关后的主视图；

图14为本发明磨削及抛光的工艺流程图；

图15为本发明螺旋钢管的螺旋焊缝、机械手、激光轮廓仪(机器视觉)的空间轨迹坐标图；

图16为图15中本发明螺旋焊缝实际在三维空间的轨迹坐标图；

图17为本发明螺旋钢管管端焊缝的视觉扫描结果三维图；

图18为本发明螺旋钢管管端焊缝的视觉扫描结果二维图；

图19为本发明焊缝磨削完成后的视觉扫描结果二维图；

图20为本发明二自由度磨削及抛光平台安装上抛光机构后的仰视立体图；

图21为本发明二自由度磨削及抛光平台安装上抛光机构后的右视图；

图22为本发明抛光机构长方体安装框架在垂直基板背侧安装的结构示意图；

图23为本发明抛光机构的立体图；

图24为本发明长方体安装框架的立体图；

图25为本发明长方体安装框架的仰视图。

具体实施方式

下面结合附图1-25描述本发明的具体实施例。值得理解的是，下面描述实施例仅是示例性的，而不是对本发明的具体限制。

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。

螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人，应当理解的是应用时：还应包括电源、上位机、plc、运动控制卡。其特征在于：具有在多自由度机械手执行末端水平固定安装用砂带打磨的二自由度磨削及抛光平台4；所述二自由度磨削及抛光平台4具有水平铝合金镂空结构的机架41；所述机架41内侧安装相对其轴向水平位移的轴向机构7；所述轴向机构7的轴向水平位移执行端安装法向机构9；所述法向机构9的法向垂直直线位移执行端固定安装修磨机构3和抛光机构10并带动修磨机构3和抛光机构10法向直线垂直位移；所述修磨机构3外侧固定安装激光轮廓仪5，并搭载激光轮廓仪5相对机架41水平轴向以及垂直法向直线位移。

应用该螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人的修磨方法，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、机械手、非接触式激光轮廓仪2以及搭载修磨机构3沿轴向和法向空间垂直移动的二自由度磨削及抛光平台4在内的螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人，在螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人的上位机输入钢管直径，由上位机控制机械手，并由机械手执行端固定搭载的二自由度磨削及抛光平台4由零位移动至起始位置，并由激光轮廓仪5扫描确定检测钢管位置；

需要说明的是：上位机用于发布并控制机械手以及二自由度磨削及抛光平台4上各机构的控制指令；且上位机使用labview开发友好的图形用户界面，既可对各类仪器设备进行实时控制，又可综合显示各类信息，便于使用与操作人员掌握实时情况。plc用于控制螺旋钢管的转动；运动控制卡用于控制并执行二自由度磨削及抛光平台4所搭载修磨机构3轴向、法向位移机构的运动轨迹；同时修磨机构3搭载的激光轮廓仪5随着轴向、法向位移机构的位移同步位移，以精确采集螺旋焊缝的标高数据并建立焊缝数据的三维以及二维坐标。

步骤s002、规划轨迹：机械手根据激光轮廓仪5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，从而规划机械手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：机械手搭载二自由度磨削及抛光平台4在激光轮廓仪5的指引下平移至钢管最高点12点正上方后，机械手再沿着钢管轴线方向平移寻找定位钢管管端；

步骤s004、识别到管端：二自由度磨削及抛光平台4中的x轴水平减速电机6驱动轴向机构7带动修磨机构3平移到距离管端轴向进深如180mm的打磨段距离；具体地，找到管端后，通过plc控制机械手以及二自由度磨削及抛光平台4在距离钢管12点上方固定同心圆高度位置定位；并由plc控制机械手带动二自由度磨削及抛光平台4向钢管内侧平移180mm，180mm大于修磨机构3螺旋角的左右直线距离；

步骤s005、扫描起始点：plc控制托举钢管的y型辊轮转动，在转动的同时，激光轮廓仪5寻找焊缝，确定焊缝修磨起始点；激光轮廓仪5找到焊缝后，由plc控制托举钢管的y型辊轮，根据钢管直径以及y型辊轮由辊轮减速电机驱动转动的线速度延时控制y型辊轮的主动辊轮延伸停止转动，以使螺旋焊缝二分之一倾斜长度的中点停止在钢管12点位置处。

步骤s006、焊缝跟踪扫描以及跟踪扫描结束：(如图15)二自由度磨削及抛光平台4中的修磨机构3根据激光轮廓仪5的扫描结果,由二自由度磨削及抛光平台4中的x轴水平减速电机6驱动轴向机构7带动修磨机构3水平移动，且二自由度磨削及抛光平台4配合机械手按已规划的圆弧轨迹绕螺旋钢管的中心轴线为圆心做同心圆运动(参见图15)；所述二自由度磨削及抛光平台4依据激光轮廓仪5焊缝检测跟踪视觉算法定位跟踪焊缝，并记录焊缝特征点信息以及焊缝余高和趾点信息：具体地，上位机控制机械手在钢管的12点方向带动二自由度磨削及抛光平台4相对钢管中心线为圆心作同心圆运动；通过激光轮廓仪5的采集反馈的数据在螺旋焊缝的最高点左侧取一个点，并获取该点在机械手机器人坐标系中的坐标；再在最高点右侧取一个点，并获取该点在机械手机器人坐标系中的坐标，通过这两点的坐标，结合已知的螺旋钢管外直径，将数据反馈至上位机，使用数学算法计算出钢管圆的中心点坐标，并定义该点为一个特定的用户坐标系原点，该坐标系的三个方向仍与机械手机器人坐标系方向相同；通过软件生成焊缝的3d图像(如图17)；由于机械手沿与钢管同心作圆弧运动，同时根据激光轮廓仪5的扫描数据，记录焊缝特征点(如图18)；以这个计算获取的特征信息来引导和控制二自由度磨削及抛光平台4的轴向水平减速电机，使二自由度磨削及抛光平台4搭载的激光轮廓仪5的在水平方向运动，从而使激光轮廓仪5始终保持在焊缝的正上方，持续跟踪扫描焊缝，完成焊缝整个的扫描，直至二自由度磨削及抛光平台4检测跟踪焊缝至管端焊缝终点时跟踪扫描结束。

不仅如此：步骤s006中，plc得到激光轮廓仪5与修磨机构3打磨工作点之间的位置差；二自由度磨削及抛光平台4控制x轴水平减速电机6驱动轴向机构7带动修磨机构3轴向水平移动，使修磨机构3移动到激光轮廓仪5扫描焊缝时的起始位置，plc控制x轴水平减速电机6移动完成位置补偿。

步骤s007、焊缝修磨以及修磨结束：机械手和二自由度磨削及抛光平台4通过轴向机构7回至焊缝起始点，修磨机构3的磨头启动并移动至焊缝起始点，机械手按已规划的圆弧轨迹运动，二自由度磨削及抛光平台4的轴向机构7以匹配的速度运动，二自由度磨削及抛光平台4中的z轴垂直减速电机8驱动法向机构9带动修磨机构3的磨头进给到焊缝表面开展焊缝修磨作业；

需要说明的是：该步骤中，plc控制x轴水平减速电机6沿之前扫描焊缝时的轨迹运动，同时plc控制z轴垂直减速电机8驱动法向机构9带动修磨机构3的磨头按照刚才(如图17、18)扫描获取的焊缝高度信息自动调整打磨高度；在水平电机、垂直电机以及机械手的协调运动下，整个二自由度磨削及抛光平台携带修磨机构3的磨头，在磨头电机的驱动下打磨焊缝，达到高精度打磨的要求。优点在于：二自由度磨削及抛光平台4可以通过机器视觉、水平电机、垂直电机的协调工作，自适应地寻找螺旋焊缝，而无需知道焊缝的螺旋角度，简化控制的同时提高了磨削精度。不仅如此，由于修磨机构3是三角形砂带，并配备有涨紧用的三轴气缸，三轴气缸不仅在更换砂带时提供方便，方便砂带更换完的涨紧；同时三轴气缸还可以实现修磨机构3的柔性打磨；打磨精度高，表面质量好，不伤母材。具体地，柔性打磨时，所述三轴气缸可配备压力传感器。柔性打磨的工作原理借助现有技术，在此不做限制。

步骤s008、焊缝第二次扫描检测：第一次修磨结束后，修磨机构3的磨头停转，并由激光轮廓仪5扫描开展焊缝余高检测；

步骤s009、抛光机构抛光：抛光机构10的双微型气缸1003同步执行推送延长动作，推送电机托板1004上固定安装的抛光电机1005和抛光轮1006垂直下降到抛光位，并以步骤s008激光轮廓仪5扫描得到的焊缝余高数据为依据，在机械手、轴向机构、法向机构提供的规划路径下开始抛光操作，直至焊缝余高抛光高度为0时停止。

关于焊缝扫描以及打磨方法，需要说明的是：上位机用于发布并控制机械手以及二自由度磨削及抛光平台4上各机构的控制指令；且上位机使用labview开发友好的图形用户界面，对各类仪器设备进行实时控制，并综合显示各类信息，便于使用与操作人员掌握实时情况。plc用于控制螺旋钢管的转动；运动控制卡用于控制并执行二自由度磨削及抛光平台4所搭载修磨机构3和抛光机构1轴向、法向位移机构的运动轨迹；同时修磨机构3搭载的激光轮廓仪5随着轴向、法向位移机构的位移同步位移，以精确采集螺旋焊缝的标高数据，并建立焊缝数据的三维以及二维坐标。plc得到激光轮廓仪5与修磨机构3打磨工作点之间的位置差；二自由度磨削及抛光平台4控制x轴水平减速电机6驱动轴向机构7带动修磨机构3轴向水平移动，使修磨机构3移动到激光轮廓仪5扫描焊缝时的起始位置，plc控制x轴水平减速电机6移动完成位置补偿。抛光时，二自由度磨削及抛光平台4根据激光轮廓仪5采集的焊缝余高数据，控制x轴水平减速电机6驱动轴向机构7带动抛光机构10轴向水平移动，对焊缝余高抛光，直至焊缝与母材之间平滑过渡时止。

再需要说明的是：plc控制x轴水平减速电机6沿之前激光轮廓仪5扫描焊缝时的轨迹运动，同时plc控制z轴垂直减速电机8驱动法向机构9带动修磨机构3的磨头按照刚才激光轮廓仪5扫描获取的焊缝高度信息自动调整打磨高度；在水平电机、垂直电机以及机械手的协调运动下，整个二自由度磨削及抛光平台携带修磨机构3的磨头，在磨头电机的驱动下打磨焊缝，达到高精度打磨的要求。优点在于：二自由度磨削及抛光平台4可以通过机器视觉、水平电机、垂直电机的协调工作，自适应地寻找螺旋焊缝，而无需知道焊缝的螺旋角度，简化控制的同时提高了磨削精度。不仅如此，由于修磨机构3是三角形砂带，并配备有涨紧用的三轴气缸，三轴气缸不仅在更换砂带时提供方便，方便砂带更换完的涨紧；同时三轴气缸还可以实现修磨机构3的柔性打磨；打磨精度高，表面质量好，不伤母材。具体地，柔性打磨时，所述三轴气缸可配备压力传感器。柔性打磨的工作原理借助现有技术，在此不做限制。

此外，需要说明的是：所述螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人中激光轮廓仪5焊缝检测跟踪视觉算法包括：算法一、对获取的激光轮廓仪数据进行滤波；算法二：将滤波后数据进行拟合并求其残差平方和；算法三：若残差平方和小于焊缝识别阈值则认为该区域不存在焊缝；若残差平方和大于焊缝识别阈值则认为该区域存在焊缝；算法四：若存在焊缝则对焊缝所在区域采集的数据求取平均值用以分割焊缝区域；算法五：分割焊缝区域后求取焊缝特征点区域以及焊缝转折点区域；算法六：对转折点区域进行直线判定，以确定焊缝的特征点和左右趾点；算法七：根据焊缝转折点区域的直线判定、以及焊缝的特征点和左右趾点计算焊缝余高，算法结束。同样该算法也适用于抛光机构抛光前焊缝第二次扫描的使用；以为高精度抛光提供坐标数据支撑。

上述实施例中，进一步地：为保证精确打磨磨削的精确性、稳定性、可靠性：所述二自由度磨削及抛光平台4的轴向机构7以机架41为载体固定安装左极限接近开关71、零点接近开关72、右极限接近开关73；所述法向机构9以其具有的前、后竖直安装侧板301为载体固定安装上极限接近开关91、零点接近开关92以及下极限接近开关93。

使用时，二自由度磨削及抛光平台4协同零点接近开关、左右或上下接近开关共同作用；为多自由度机械手执行末端二自由度磨削及抛光平台4针对螺旋钢管管端螺旋焊缝的高精度定位精密打磨提供可靠保证；磨削后焊缝残余高度可控制在+0-0.5mm以内；远高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求。协同抛光步骤，可最大限度保留母材焊缝表面的光滑平整度，满足特殊用途管道平滑对接的使用需求。

不仅如此，水平、垂直移动机构分别配备极限限位接近开关，对水平、垂直方向分别进行极限限位，这样有效地保护水平、垂直电机的运动不会使安装有轮廓仪的磨头撞击在机架41的结构边框上，确保结构的整体安全。

具体地，(如图1)所述激光轮廓仪5通过l型结构的轮廓仪安装架501与修磨机构3打磨轮32具有的上安装架3201或打磨轮32具有的三轴气缸321缸体外侧壁紧固连为一体。并使激光轮廓仪5的扫描端位于修磨机构3外旁侧下方设置始终与修磨机构3的水平、竖直位移同步位移。使用时，激光轮廓仪5与修磨机构3底端打磨轮32的支撑结构固连为一体，随修磨机构3在轴向以及法向平移；为近端扫描数据采集的准确性及时性提供可靠保证。

上述实施例中，进一步地：为轻量化、美观化设计二自由度磨削及抛光平台的机架：所述机架41用铝合金制成；机架41包括镂空结构的左、右框架411(如图20)，与左、右框架411之间固连的前后水平支撑用的支撑框架412，以及封装左、右框架411和支撑框架412顶部的封盖壳体413；其中支撑框架412外侧包覆一层铝合金蒙皮；所述机架41水平左侧固定安装镂空直角三角形结构的机械手连接座414(如图12)；所述机械手连接座414用于将二自由度磨削及抛光平台4水平安装在机械手的执行末端。即在结构件及承力件上进行镂空设计，大大减轻了结构重量，有助于系统的轻量化。通过机架41的水平延伸部搭载磨头的安装；不仅可满足外螺旋焊缝的打磨使用需求；还能伸进钢管管口内，实现内螺旋焊缝的打磨使用。

可见，采用铝合金机架41支撑二自由度磨削及抛光平台4的安装；结构紧凑，外形美观，支撑稳定可靠；满足二自由度磨削及抛光平台4在多自由度机械手执行末端轻量化、结构紧凑稳定可靠的水平固定支撑安装；多自由度机械手执行端集成安装的通用性理想。

上述实施例中，优选地：为保证打磨精度：所述轴向机构7和法向机构9分别由双导轨、双导轨滑块以及丝杆、丝杆滑块组成稳定可靠的旋转与直线位移转换机构。不仅如此，如后文所述：二自由度磨削及抛光平台4采用丝杆螺母螺旋副传动，传动精密稳定可靠；协同平行的双滑轨双滑块的可靠支撑共同作用；可满足二自由度磨削及抛光平台4精确、稳定、可靠的打磨位移。

上述实施例中，进一步地：为可靠、稳定、轻量化、紧凑化、小型化设计二自由度磨削及抛光平台的轴向、法向位移机构：(如图12所示)所述二自由度磨削及抛光平台4具有镂空框架结构的机架41，所述机架41轴向水平架体架体内侧底端通过前后平行的两组水平导轨42滑动适配两组水平导轨滑块43；两组水平导轨滑块43前后轴对称分别固连两个前、后倒l型水平滑块连接板44；所述前、后倒l型水平滑块连接板44分别固连修磨机构3的前、后竖直安装侧板301；前、后竖直安装侧板301内侧板体竖直平行且对称安装一对垂直滑轨302(如图13)、垂直滑轨302分别滑动适配一对垂直导轨滑块303，垂直导轨滑块303一侧固连垂直丝杆滑块304，垂直丝杆滑块304旋合适配垂直丝杆305；所述垂直丝杆305通过与安装侧板301固连的垂直丝杆安装座306在安装侧板301内侧转动支撑安装，且垂直丝杆305的动力输入端同轴固连同样以安装侧板301为支撑固定安装的z轴垂直减速电机307；由z轴垂直减速电机307驱动垂直位移的垂直丝杆滑块304移动，垂直丝杆滑块304通过与其固连的l型的转接板308转接固连垂直基板309背侧，以带动垂直基板309法向垂直位移；所述垂直基板309正面固定安装修磨机构3；其中垂直基板309板体背侧安装修磨机构3的主动轮打磨电机3101；所述垂直基板309通过z轴垂直减速电机307驱动垂直丝杆滑块304带动垂直基板309正面固定安装的修磨机构3以及抛光机构10同时相对前、后竖直安装侧板301内侧板体固定安装的垂直滑轨302垂直位移(如图20)；所述前、后竖直安装侧板301板体外侧固连水平丝杆滑块45；所述水平丝杆滑块45旋合适配水平丝杆46；所述水平丝杆46通过水平丝杆安装座47在机架41架体内侧水平转动安装，且水平丝杆46平行于水平导轨滑块43上方水平设置；且水平丝杆46的动力输入端同轴固连x轴水平减速电机6；所述x轴水平减速电机6驱动水平丝杆滑块45带动前、后竖直安装侧板301以及修磨机构3相对两组水平导轨42水平轴向位移。

优势在于：轴向以及法向机构分别采用双滑轨滑块，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。x轴水平减速电机6带动水平丝杆46做旋转运动，水平丝杆滑块45将旋转运动转变为左右直线运动，通过前、后竖直安装侧板301与水平丝杆滑块45相连接，从而带动整个三角磨头修磨机构3水平运动。其中，修磨机构3轴对称的前、后l型水平滑块连接板44将前、后竖直安装侧板301分别固定在前、后共两组水平导轨滑块43上，从而将整个三角磨头修磨机构3以及抛光机构10的重量传递到前、后水平导轨42上。水平导轨42起承重导向的作用。同理地：z轴垂直减速电机307带动垂直丝杆305做旋转运动，而垂直丝杆滑块304将旋转运动转变为上下直线运动，垂直丝杆滑块304通过l型的转接板308固连垂直基板309，从而带动安装在垂直基板309上的三角磨头修磨机构3以及抛光机构10上下运动。

简单地说，使用时：在水平方向和垂直方向上，分别安装两个平行的高精度导轨，配套使用一个高精度丝杠，垂直、水平减速电机驱动的直线位移机构的运动直线度佳，大大提高了电机传动系统的精度，保障打磨焊缝的高精度要求。

上述实施例中，为紧凑、小型化、稳定、轻量化设计磨削机构，并方便砂带的更换：所述修磨机构3(如图1、图2、图3、图4)具有呈三角形分布的主动轮31、打磨轮32以及调整轮33，且主动轮31、打磨轮32和调整轮33外部包绕涨紧安装砂带34；所述打磨轮32通过三轴气缸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推送调整轮轴332一端绕调整轮轴332另一端铰点转动防止调整轮33上包绕的砂带34跑偏(如图5所示)；且调整轮33的调节机构由手轮331、螺栓334、螺母335、关节轴承336、调整轮轴332、滚珠轴承ⅰ337、轴承孔用挡圈333、圆柱销338、调整轮机架339、调整轮332组成；其中调整轮轴332一端与调整轮机架339通过圆柱销338铰接转动相连，所述调整轮轴332另一端与关节轴承336输出端相连；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相连。

使用时：(如图5、图6、图7所示)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；使调整轮轴332上通过轴承转动支承安装的调整轮最高点与砂带中心重合，防止调整轮33上包绕的砂带34跑偏；手轮331相对调整轮机架339顶端限位固定只能转动；与手轮331、螺母335旋合的螺栓334相对调整轮机架339垂直位移，并通过与螺栓334底端固连的关节轴承336带动调整轮轴332右端绕调整轮轴332左端圆柱销338朝上或朝下摆动调节，从而防止调整轮33上包绕的砂带34跑偏；结构简单、调节方便、经济实用。

使用时：采用砂带34磨削替代砂轮磨削，较砂轮磨削，由于砂带34磨削的磨削比是砂轮磨削磨削比的4-10倍，因此砂带34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。

上述实施例中，进一步地：为方便打磨轮32的安装以及更换：所述修磨机构3具有呈三角形分布的主动轮31、打磨轮32和调整轮33；且主动轮31、打磨轮32和调整轮33外部包绕涨紧安装砂带34(如图4所示)；所述打磨轮32具有倒u型的上安装架3201；上安装架3201顶端与垂直朝下安装的三轴气缸321执行端固定连接；与上安装架3201上下相对设有用于上下对夹夹紧固定安装打磨轮轴3202的下安装架3203；上、下安装架3201、3203对夹端分别制有与打磨轮轴3202尺寸匹配的轮轴凹槽3204；所述打磨轮轴3202两端轴体分别使用两个下紧固螺栓3205在上、下安装架3201、3203的上、下轮轴凹槽3204内上下对夹夹紧水平固定安装；所述打磨轮轴3202轴体中部通过滚珠轴承ⅱ3206同轴转动支承安装打磨轮32；所述打磨轮32轮体外圆周设有橡胶层；且珠轴承ⅱ3206轴端适配安装孔用挡圈3207和轴端端盖3208。即打磨轮通过三轴气缸321涨紧砂带34；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。

使用时：(参见图9、图10、图11)打磨轮采用上、下安装架3201、3203的上、下轮轴凹槽3204内使用朝上的下紧固螺栓3205上下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；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。

上述实施例中，优选地：为保证视觉数据采集的可靠性：所述修磨机构3具有呈三角形分布的主动轮31、打磨轮32和调整轮33；其中打磨轮32位于三角形的底端，且打磨轮32的固定支撑结构外侧固定安装激光轮廓仪5。

与现有技术相比：本发明设计了一种螺旋钢管管端焊缝修磨抛光机器人，采用在多自由度机械手执行端安装二自由度精磨执行机构，通过简化运动控制的同时提高机械手的打磨精度，克服现有技术下多自由度打磨机械手打磨后的螺旋钢管管端焊道质量无法满足apispec5l标准和gbt97111—1997标准规定的工艺指标要求；仍需人工二次修磨的技术难题。不仅如此，本方案通过在多自由度机械手执行端增加二自由度磨削及抛光平台4，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。

在此基础上，由于本发明打磨方法采用在多自由度机械手执行端水平安装一套带有机器视觉的二自由度磨削及抛光平台。提高打磨精度的同时，机械手的运动控制反而相对简单。其中，激光轮廓仪5选用米铱公司的scancontrol2900/2950/2910系列3d激光轮廓仪。

本发明优势在于：将二自由度磨削及抛光平台在多自由度机械手的末端执行端采用水平安装的方式，不仅能够适应外直径508螺旋焊管外焊缝的打磨，还能实现螺旋钢管内焊缝的打磨：加之对二自由度磨削及抛光平台整体进行小型化、轻量化设计；达到小型化安装；满足内焊缝狭小空间内焊缝的打磨。

再其中，高强度铝合金结构件，配套使用高强度的坚固连接螺栓，实现二自由度磨削及抛光平台在机械手执行末端的牢固支撑和可靠水平安装，确保其在打磨工作时的结构稳定性。

二自由度磨削及抛光平台分别在水平方向和垂直方向上，分别安装两个平行的高精度导轨，配套使用一个高精度丝杠，电机运动的直线度佳，大大提高了电机传动系统的精度，保障打磨焊缝的高精度要求。

二自由度磨削及抛光平台机架41在结构件及承力件上进行镂空设计，大大减轻了结构重量，有助于系统的轻量化。二自由度磨削及抛光平台整体采用模块化设计安装，使整个系统更便于拆装和维护。

通过在二自由度磨削及抛光平台的特定位置加装零位接近开关，使水平、垂直电机的运动有了准确的起始位置，这样进一步保障了精度；水平、垂直移动机构分别配备极限限位接近开关，对水平、垂直方向分别进行极限限位，这样有效地保护水平、垂直电机的运动不会使安装有轮廓仪的磨头撞击在机架41的结构边框上，确保结构的整体安全。

工作原理：本发明由与机械手及执行末端水平固定安装的二自由度磨削及抛光平台，二自由度磨削及抛光平台中具有可沿法向平移的进给机构和轴向平移的移动机构，并配有高精度焊缝检测机器视觉系统高精度激光轮廓仪，通过以运动控制卡为核心的上位机控制系统，及光栅传感器、磁栅传感器实现全闭环位置控制，速度控制采用blendmotion模式，通过自行开发的视觉检测算法，完成螺旋焊管的内、外焊缝二自由度磨削及抛光平台携带砂带式磨头在水平轴向以及竖直法向上的直线位移调节，进而实现砂带式磨头沿螺旋钢管螺旋焊缝的倾斜复合移动；实现对钢管螺旋焊缝的精磨修磨作业。

综上所述：本发明机械手实时控制通过激光轮廓仪5实时引导，可不断修正实时轨迹，尽可能地提高跟踪精度，从而为进一步提高焊缝修磨精度提供可靠保障；高精度二自由度磨削及抛光平台4：磨头所在的磨削平台轴向控制误差允许值<0.05mm，法向控制误差允许值<0.01mm，远高于焊缝余高精度要求，保证了高精度、高质量的焊缝修磨实现。在机器磨削基础上，可省去后续的人工精磨修磨步骤，实现螺旋钢管焊缝的高精度全自动修磨使用；且修磨焊缝表面不伤母材；修磨后残余高度最小可小于等于0.1mm，高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求；且修磨表面光滑平整、无坑洼现象。激光轮廓仪5协同特殊检测算法，较市场上所销售的检测设备最高精度为0.1mm而言，实现了精度小于0.05mm(实测值)的检测；为高精度焊缝修磨提供了有力检测技术支持；再者，机械手实时控制通过激光轮廓仪5实时引导，可不断修正实时轨迹，尽可能地提高跟踪精度，从而为进一步提高焊缝修磨精度提供可靠保障；高精度二自由度磨削及抛光平台4：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。三角形修磨机构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。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34跑偏；结构简单、调节方便、经济实用。打磨轮采用上、下安装架(3201、3203)对夹夹紧水平固定安装，带孔用挡圈3207、轴端端盖3208的滚珠轴承ⅱ3206在内的打磨轮轴组件拆装更换安装便捷方便；维护保养便捷；结构稳定可靠。二自由度磨削及抛光平台4传动精密稳定可靠；协同双滑轨滑块的导向支撑结构共同作用；可满足二自由度磨削及抛光平台轴向、法向位移机构的精确稳定可靠打磨位移调节需求。铝合金机架41，结构紧凑，外形美观，支撑稳定可靠；二自由度磨削及抛光平台4与多自由度机械手执行端集成安装的通用性理想。轴向、法向位移机构，协同零点、左右、上下接近开关共同作用；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0-0.5mm以内；远高于apispec5l标准和gbt97111—1997标准要求。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。激光轮廓仪5在修磨机构3底部固定；为数据采集的准确性及时性提供可靠保证。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本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本发明。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，本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本发明内。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，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。