基于机器人的管道坡口自适应打磨控制方法与流程

本发明属于打磨控制，具体涉及一种基于机器人的管道坡口自适应打磨控制方法。

背景技术：

1、管道焊接是油气输送、市政工程、电力管网和化工装备等领域的主要施工工序，管道坡口作为焊接接头的重要成型结构，其打磨精度、均匀性和成型一致性直接决定焊缝熔合质量、焊接力学性能以及管道长期运行的密封性与安全性，目前行业内管道坡口打磨作业仍以人工打磨与机器人固定轨迹打磨两种模式为主，均存在显著技术缺陷，难以适配高精度、标准化和批量化的管道施工需求。

2、人工打磨完全依赖操作人员的技能水平、作业经验以及实时工作状态，不同工人的打磨力度、打磨角度和打磨时长存在极大差异，即使同一工人连续作业，也会因疲劳、视觉误差与手部抖动等因素，导致管道坡口出现打磨不均匀、局部过度打磨、坡口角度偏差和坡口端面毛刺残留等问题，过度打磨会造成管道管壁减薄和坡口有效焊接余量不足，降低焊缝承载强度；打磨不足会残留氧化皮、切割毛刺以及凹凸缺陷，导致后续焊接出现未熔合、气孔、夹渣和裂纹等质量缺陷，大幅提升管道焊接返修率与运行泄漏风险，同时人工打磨的作业环境粉尘大且噪音高，劳动强度极大，作业安全性与生产效率极低，无法满足现代化管道工程的施工标准。

3、现有的常规机器人打磨技术多采用预设固定轨迹、固定打磨压力和固定打磨转速的控制模式，仅能适配规格标准和成型规整的理想管道坡口，实际施工中，管道经过切割、搬运和放置后，普遍存在坡口初始成型偏差、管道轻微形变、端面平整度差异以及氧化层厚度不均等非结构化工况，固定参数打磨模式无法根据实时工况动态调整打磨参数，当坡口局部凸起和氧化层较厚时，打磨去除量不足；当坡口局部凹陷和基材较薄时，易出现过度打磨损伤基材，最终仍存在打磨一致性差以及成型精度低的问题，无法从根源上解决人工打磨与传统机器人打磨的缺陷。

4、基于此，本发明提出一种基于机器人的管道坡口自适应打磨控制方法，通过多参数实时采集、耦合控制模型和动态参数迭代调控，彻底解决现有技术打磨精度依赖人工、打磨不均、过度打磨以及适配性差的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有管道坡口打磨技术中打磨质量依赖人工技能、打磨均匀性差、易出现过度打磨或打磨不足、工况适配性弱以及焊接配套质量低的技术缺陷，提供一种基于机器人的管道坡口自适应打磨控制方法，发明依托多维度参数采集设备，实现管道坡口形貌、打磨力学参数和磨具状态参数的实时准确采集，通过构建的多变量耦合自适应打磨控制模型，动态优化机器人打磨压力、打磨转速、进给速度三大参数，无需人工干预即可适配不同坡口初始缺陷、不同管道规格和不同磨具的损耗状态，实现坡口打磨量的准确、均匀和可控，彻底杜绝打磨不均与过度打磨问题，大幅提升坡口成型精度与后续焊接质量，同时提升打磨作业自动化、智能化水平与作业效率。

2、本发明运用如下的技术方案。

3、一种基于机器人的管道坡口自适应打磨控制方法，包括：

4、步骤1：在管道坡口打磨前进行设备标定与标准参数预设；

5、步骤2：在打磨机器人对待打磨管道进行打磨时，执行多维度工况参数的实时采集；

6、步骤3：控制系统通过多变量耦合自适应打磨控制模型进行参数计算；

7、步骤4：控制系统生成打磨磨头的打磨轨迹来进行自适应打磨。

8、进一步的，步骤1具体包括：管道坡口打磨作业前完成打磨机器人、速度传感器、线激光轮廓扫描仪、六维力传感器和激光测距传感器的协同标定，即打磨机器人的可编程逻辑控制器同速度传感器、线激光轮廓扫描仪、六维力传感器和激光测距传感器连接；根据待加工管道的规格，在作为控制系统的打磨机器人的可编程逻辑控制器中预设坡口标准参数。

9、进一步的，在步骤1中，预设坡口标准参数包括标准坡口打磨余量、标准坡口角度、基准打磨压力、基准打磨转速、基准进给速度和磨具初始厚度。

10、进一步的，步骤2具体包括：将待打磨管道固定于工装夹具，打磨机器人带动打磨磨头移动至坡口作业起始位置，启动多设备同步采集多维度工况参数。

11、进一步的，在步骤2中，启动多设备同步采集多维度工况参数的方法，具体包括：通过线激光轮廓扫描仪扫描坡口全域，获取各点位的实际待打磨余量和实际坡口角度并传输至控制系统中；通过打磨机器人末端的六维力传感器实时采集打磨磨头的切向阻力并传输至控制系统中；通过激光测距传感器实时采集磨具的实时厚度并传输至控制系统中；通过速度传感器和打磨机器人的伺服编码器分别采集实时进给速度和打磨磨头的实时转速并传输至控制系统中。

12、进一步的，步骤3具体包括：

13、构建多变量耦合自适应打磨控制模型的三组耦合计算公式，以此用于求解坡口打磨修正系数、最优打磨压力、最优进给速度和最优打磨转速。

14、进一步的，在步骤3中，三组耦合计算公式包括坡口工况的综合修正系数公式，该公式为：

15、；

16、在该公式中，为第i个打磨点位的坡口工况的综合修正系数；为第i个打磨点位的实际待打磨余量；为标准预设打磨余量；为第i个打磨点位的实际坡口角度；为标准预设坡口角度；为磨具的实时厚度；为磨具初始厚度，max（）为max函数。

17、进一步的，在步骤3中，三组耦合计算公式还包括自适应最优打磨压力公式，该公式为：

18、；

19、在该公式中，为打磨磨头的实时最优打磨压力；为基准打磨压力；为第i个打磨点位的坡口工况的综合修正系数；为打磨磨头的切向阻力；为标准工况预设的切向阻力。

20、进一步的，在步骤3中，三组耦合计算公式还包括自适应动态打磨参数耦合公式，该公式为：

21、；

22、在该公式中，为打磨磨头的最优打磨进给速度；为基准进给速度；β为进给速度调节指数；为打磨磨头的最优磨头转速；为基准打磨转速；γ为转速调节指数。

23、进一步的，步骤4具体包括：

24、在管道坡口打磨前，控制系统基于线激光轮廓扫描仪采集并传来的管道坡口的点云数据，对点云数据应用三次b样条曲线拟合算法生成打磨磨头的打磨轨迹，然后结合计算得到的打磨轨迹的各个打磨点位的实时最优打磨压力、最优进给速度和最优打磨转速，实时将打磨机器人的打磨磨头在该打磨点位的打磨压力、进给速度和打磨转速分别调整该为打磨点位的实时最优打磨压力、最优进给速度和最优打磨转速。

25、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

26、本发明彻底克服现有的管道坡口打磨技术的固有缺陷，相较于人工打磨与传统机器人的固定参数打磨技术，具备多维度显著技术优势，具体技术效果如下：

27、彻底摆脱人工依赖，打磨质量高度稳定可控，本发明全程采用机器人自动化自适应打磨，无需人工手持打磨、无需人工校准参数以及无需人工甄别坡口缺陷，完全规避人工技能差异、作业疲劳和操作失误带来的质量波动问题，打磨质量由设备的精确算法与传感器采集数据决定，实现坡口打磨标准化和同质化生产，彻底解决传统工艺质量一致性差的难题；杜绝打磨不均与过度打磨缺陷，坡口成型精度大幅提升，通过多变量耦合自适应模型，针对坡口360°全域各点位的凹凸偏差、角度偏差实现差异化精确打磨，凸起区域精确去除多余材料，凹陷区域精确保护基材，磨具磨损后自动参数补偿；显著优化后续焊接质量，降低管道运行风险，精确均匀的坡口成型结构，可保证焊接过程中焊缝熔合均匀和焊材填充饱满，彻底杜绝因坡口打磨缺陷导致的未熔合、气孔、夹渣以及裂纹等焊接质量问题，焊接接头的拉伸强度、冲击韧性和密封性均显著提升，管道焊接的返修率降低，有效延长油气、化工和市政管道的使用寿命，降低管道泄漏和爆裂等安全隐患，适配高压和长距离管道的严苛施工标准；工况适配性极强，适用范围广泛，本发明可适配多种材质管道，可应对管道切割形变、端面凹凸、氧化层厚薄不均、和磨具渐进性磨损等各类非结构化复杂工况，无需针对不同管道和不同工况重新编程示教，设备通用性和柔性化程度远超传统的打磨设备；作业效率与安全性大幅提升，降低生产成本，本发明实现免人工干预自动化作业，单根管道坡口打磨效率较人工打磨有所提升，较传统机器人固定轨迹打磨也有所提升，大幅降低人工劳动强度与人力成本，同时全程无人工作业，彻底规避打磨粉尘、噪音和机械伤害等作业安全风险，改善施工现场作业环境，适配现代化工业流水线标准化生产需求；本发明采用高频实时修正机制，全程动态监测打磨工况与设备状态，持续优化打磨参数，可有效抵消磨具渐进性磨损、管道工况微小差异和设备运行轻微误差等累积干扰，保证设备长期连续作业的打磨精度与一致性，无作业衰减问题，适配批量和常态化工业生产。

28、综上，本发明通过自适应耦合控制方法，以严谨的物理逻辑和精确的算法调控，彻底解决了现有的管道坡口打磨质量依赖人工、打磨不均、过度打磨和焊接配套质量差的技术瓶颈，兼具高精度、高稳定性、高效率以及高适配性。