一种视觉力控型双臂机器人钢轨焊前除锈打磨系统及方法与流程

本技术涉及铁路建造与维护，特别是涉及一种视觉力控型双臂机器人钢轨焊前除锈打磨系统及方法。

背景技术：

1、在铁路无缝线路的建造与维护过程中，钢轨闪光对焊是实现长轨连接的关键工序。焊接前必须对待焊钢轨的端部断面、轨顶面、轨底面及轨腰区域进行除锈、打磨、倒毛（也即倒角去毛刺）等预处理，以保证焊接接头的质量与服役寿命。

2、目前，钢轨焊前的处理主要依赖传统除锈机或单臂除锈机器人。传统除锈机属于非智能化设备，不具备空间感知能力，无法识别钢轨在长距离输送后产生的实际位置偏差以及端部因锯切引入的截面倾斜角度，打磨作业过程为盲目打磨模式，容易出现过切、欠磨或损伤钢轨母材等缺陷。单臂除锈机器人虽然在一定程度上提升了自动化水平，但其仅有单一执行机构，必须依次串行完成轨顶除锈、轨底除锈、端面打磨等工序，作业路径长、加工节拍慢。更为突出的问题是，钢轨轨腰表面往往存在轧制或标识形成的凸字字符，当该凸字恰好处于闪光焊接时对焊机夹紧装置的夹紧位置时，会严重削弱夹紧面的接触均匀性与夹紧强度，导致焊接过程中钢轨发生打滑或对位不准，现有的传统设备与单臂机器人均无法自动识别和处理该物理干涉问题，仍需依靠人工打磨，效率低且一致性差。

3、基于上述情况，如何在钢轨焊前处理中实现对轨腰凸字的智能识别与自动化去除、以及多工序的高效并行作业，是本技术领域待解决的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供一种视觉力控型双臂机器人钢轨焊前除锈打磨系统及方法，采用双臂机器人并排布置在钢轨输送线两侧的技术手段，通过双相机分区联合扫描进行三维点云重建以识别钢轨空间位姿、端部角度及轨腰凸字位置，结合基于夹紧区域映射的凸字干涉量化判定与双臂动态任务调度策略，实现了钢轨焊前处理中轨腰凸字精准去除、以及双臂并行高效作业的技术效果。

2、本技术实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供了一种视觉力控型双臂机器人钢轨焊前除锈打磨系统，包括：

4、第一机器人与第二机器人，分别布置于钢轨输送线的两侧；

5、视觉系统，包括加装于第一机器人末端法兰盘上的第一工业相机以及加装于第二机器人末端法兰盘上的第二工业相机，所述第一工业相机与第二工业相机用于在打磨作业前对钢轨进行分区联合扫描以获取多视角图像数据；

6、上位机，与所述视觉系统通信连接，所述上位机用于根据所述多视角图像数据进行三维点云重建生成钢轨的三维空间模型，并基于所述三维空间模型识别钢轨的实际空间位置、端部截面倾斜角度以及轨腰处凸字字符的有无和位置坐标；以及根据预先存储的对焊机焊接夹紧装置的夹紧区域参数，将夹紧区域映射至三维空间模型上的轨腰表面区域，当检测到的凸字字符的几何包络与夹紧区域的映射范围存在重叠时，判定为夹紧干涉，并生成凸字打磨深度参数；

7、其中，所述上位机还用于根据凸字字符的识别结果进行双臂动态任务调度：当判定存在夹紧干涉时，所述第二机器人优先基于凸字打磨深度参数执行凸字打磨区域的打磨任务，完成后切换为辅助除锈模式协同所述第一机器人对上下除锈区域进行并行打磨；当判定不存在夹紧干涉时，所述第二机器人直接进入辅助除锈模式；所述第一机器人基于钢轨的实际空间位置与端部截面倾斜角度动态修正打磨路径，执行端部除锈区域和上下除锈区域的打磨任务。

8、通过上述技术方案，双臂机器人配合视觉系统进行分区联合扫描和三维点云重建，上位机基于三维空间模型实现钢轨空间位姿的精准感知和轨腰凸字的智能检测，并通过夹紧区域映射进行凸字干涉量化判定，结合双臂动态任务调度，一站式解决了钢轨焊前处理中轨腰凸字无法自动识别与去除、缺乏高精度空间感知导致盲目打磨以及单臂串行作业效率低的技术问题。

9、在一些实施方式中，所述端部除锈区域、所述上下除锈区域和所述凸字打磨区域在空间上相连通；所述第一机器人基于所述视觉系统识别出的钢轨实际空间位置与端部截面倾斜角度，动态更新打磨路径并负责对前钢轨后端面与后钢轨前端面的所述端部除锈区域实施倒毛及贴合打磨，以确保两根钢轨端部的物理贴合度；所述第二机器人基于所述视觉系统识别出的轨腰凸字字符位置及所述凸字打磨深度参数，动态规划切入路径并负责磨平所述凸字打磨区域中轨腰表面的凸字字符，以消除对焊接夹紧装置的干涉。

10、通过上述技术方案，端部除锈区域、上下除锈区域和凸字打磨区域在空间上相连通，两台机器人基于视觉识别数据分别动态修正各自的打磨路径，实现了端面倒毛贴合打磨和轨腰凸字磨平的精准分工，避免了盲目打磨造成的过切或欠磨，确保了端部贴合度和焊接夹紧强度。

11、在一些实施方式中，所述第一机器人和所述第二机器人在对所述上下除锈区域进行作业时，两台机器人采用时间交错的动态干涉防碰撞控制，所述上位机根据两台机器人的实时位姿信息和各自的规划路径，计算干涉预测区域，并通过调整其中一台机器人的进入时序或暂停等待，使两台机器人在共享作业空间内交替进入和退出，避免物理碰撞。

12、通过上述技术方案，两台机器人在共享的上下除锈区域内采用时间交错的动态干涉防碰撞控制，基于实时位姿信息进行干涉预测和时序调整，在保证双臂并行高效作业的同时，有效避免了机器人之间的物理碰撞，确保了系统运行的安全性和可靠性。

13、在一些实施方式中，所述第一机器人和所述第二机器人的末端法兰盘上均配置有自动快换打磨头；所述系统还包括分别与所述第一机器人和所述第二机器人电信号连接的第一力控电气箱与第二力控电气箱，所述第一力控电气箱与所述第二力控电气箱内部各自集成有恒力反馈控制单元，所述恒力反馈控制单元实时采集打磨接触力信号，并结合所述视觉系统预先获取的钢轨曲面法向量数据，在线修正所述第一机器人或所述第二机器人的末端位姿与进给量，使得所述自动快换打磨头与钢轨表面始终保持法向恒力接触。

14、通过上述技术方案，恒力反馈控制单元将实时力信号与视觉系统获取的曲面法向量数据相结合，在线修正机器人末端位姿，实现了打磨头在轨腰及轨底异形曲面处的法向恒力接触控制，有效避免了因接触力不均导致的过切或欠磨问题，保护了钢轨母材。

15、在一些实施方式中，所述第一机器人与所述第二机器人可达的工作包络线范围内设置有刀库，所述刀库内开设有多个用于存放不同规格打磨头的限位槽；

16、所述刀库包括独立设置的第一刀库和第二刀库，所述第一刀库布置于所述第一机器人可达的工作包络线范围内，所述第二刀库布置于所述第二机器人可达的工作包络线范围内，以实现两台机器人各自独立进行换刀操作。

17、通过上述技术方案，两台刀库独立设置于各自机器人周围，使得一台机器人进行打磨作业时另一台机器人可同时在自己的刀库处进行换刀操作，或者两者一起换刀，实现了并行换刀，消除了换刀等待时间，进一步缩短了整体作业节拍。

18、在一些实施方式中，所述上位机还用于在每个打磨区域的打磨作业完成后，控制对应的机器人带动其上的工业相机对已打磨区域进行回检扫描，并将回检图像与预设的打磨质量标准进行比对，若检测到残留锈蚀或凸字残余，则生成补磨路径指令并控制对应的机器人执行补磨操作。

19、通过上述技术方案，每个打磨区域完成后即进行视觉回检和质量比对，对不合格区域自动生成补磨路径进行二次打磨，实现了打磨质量的闭环控制，确保了焊前处理的工序质量和一致性，避免了不合格产品流入后续焊接工序。

20、在一些实施方式中，所述上位机在判定存在夹紧干涉时，进一步计算凸字字符凸出轨腰基准面的凸出高度，当所述凸出高度超出预设的阈值容许量时，所述凸字打磨深度参数等于所述凸出高度减去所述阈值容许量，以将凸字表面磨平至不影响夹紧装置贴合的程度。

21、通过上述技术方案，基于凸字凸出高度与阈值容许量的差值量化确定打磨深度，实现了精确可控的凸字去除量，既保证了夹紧面的贴合要求，又避免了过度打磨对轨腰母材的损伤，提高了打磨的精细化程度。

22、在一些实施方式中，所述第一工业相机与所述第二工业相机在进行分区联合扫描时，分别从不同角度对钢轨端部区域、轨顶轨底区域和轨腰区域进行移动拍照，所述上位机将两个工业相机采集的图像数据进行多视角融合后生成所述三维空间模型。

23、通过上述技术方案，两台工业相机同时进行分区扫描，充分利用了双臂的空间位置优势，实现了钢轨端部和轨腰区域的全覆盖成像，多视角融合提高了三维点云重建的精度和完整性，为后续路径规划提供了更准确的数据基础。

24、在一些实施方式中，所述自动快换打磨头包括端面打磨头、平面除锈打磨头以及曲面凸字打磨头，分别用于端部除锈区域的倒毛及贴合打磨、上下除锈区域的除锈打磨以及凸字打磨区域的磨平打磨；所述第一机器人和所述第二机器人通过末端法兰盘上的自动快换接口在所述刀库中自动更换不同规格的打磨头。

25、通过上述技术方案，针对端面、平面和曲面不同的打磨需求分别配置了专用打磨头，并通过自动快换接口实现无人工干预的快速换刀，使得系统能够在同一工位内适配多种不同的打磨工艺要求，提高了作业的灵活性和效率。

26、第二方面，本技术提供一种视觉力控型双臂机器人钢轨焊前除锈打磨方法，应用于第一方面所述的视觉力控型双臂机器人钢轨焊前除锈打磨系统，包括：

27、控制第一机器人和第二机器人分别带动第一工业相机和第二工业相机对钢轨进行分区联合扫描，由上位机根据多视角图像数据进行三维点云重建，识别钢轨的实际空间位置、端部截面倾斜角度以及轨腰处凸字字符的有无和位置坐标；

28、上位机根据预先存储的对焊机焊接夹紧装置的夹紧区域参数，进行夹紧区域映射，判定凸字字符是否与夹紧区域存在干涉，并在存在干涉时生成凸字打磨深度参数；

29、上位机根据判定结果进行双臂动态任务调度：当存在夹紧干涉时，第二机器人优先执行凸字打磨区域的打磨，完成后切换为辅助除锈模式；当不存在夹紧干涉时，第二机器人直接进入辅助除锈模式；第一机器人基于钢轨的实际空间位置与端部截面倾斜角度动态修正打磨路径，执行端部除锈区域和上下除锈区域的打磨；

30、在打磨过程中，实时采集打磨接触力信号，结合视觉系统预先获取的钢轨曲面法向量数据，在线修正机器人末端位姿以保持法向恒力接触；

31、各打磨区域完成后，控制对应机器人带动工业相机进行回检扫描，对不合格区域生成补磨路径指令并执行补磨。

32、通过上述技术方案，从视觉扫描、干涉判定、动态任务调度、恒力打磨到回检补磨的全流程自动化控制，实现了钢轨焊前处理中轨腰凸字智能去除、多区域自适应恒力打磨和双臂并行高效作业的技术效果。

33、综上所述，本技术至少包括如下有益技术效果：

34、1、通过双臂机器人末端配置工业相机进行分区联合扫描和三维点云重建，并基于夹紧区域映射实现轨腰凸字的智能识别与干涉量化判定，首次在钢轨焊前处理中实现了凸字字符的自动化检测与精准去除，消除了对焊机夹紧装置因凸字导致的接触不均和钢轨打滑隐患，填补了现有技术中轨腰凸字无法自动识别和处理的空白；

35、2、通过力控电气箱中恒力反馈控制单元与视觉系统获取的曲面法向量数据的耦合控制，在打磨过程中实时修正机器人末端位姿实现法向恒力接触，并结合打磨后视觉回检与补磨的闭环质量控制机制，有效避免了盲目打磨导致的过切、欠磨和母材损伤问题，显著提高了钢轨焊前打磨的精度和一致性；

36、3、通过双臂动态任务调度策略和时间交错动态干涉防碰撞控制，以及独立刀库支持的并行换刀机制，两台机器人在同一工位内实现了端部打磨、上下除锈和凸字去除多工序的并行高效作业，相比单臂串行作业显著缩短了整体加工节拍，满足了高速焊轨产线的效率需求。