棒磨机螺栓紧固装置及棒磨机螺栓紧固方法与流程

本发明属于棒磨机维护，具体涉及一种棒磨机螺栓紧固装置及棒磨机螺栓紧固方法，尤其适用于矿山、建材、冶金等行业大型棒磨机衬板螺栓的自动化检测与紧固作业。

背景技术：

1、棒磨机是矿山选矿、建材制砂等行业的核心研磨设备，其工作原理是通过筒体旋转带动内部钢棒运动，对矿石等物料进行冲击和研磨。棒磨机筒体内壁安装有多层耐磨衬板，衬板通过大量贯穿筒体的螺栓与螺母固定连接。由于棒磨机工作时振动剧烈、负荷大，衬板螺栓极易发生松动，若不及时紧固，可能导致衬板脱落、设备损坏甚至引发安全事故。

2、目前，棒磨机衬板螺栓的紧固作业主要采用人工方式完成：作业人员手持气动扳手（风炮枪）登高作业，逐一对螺栓进行拧紧。以一台常规规格的棒磨机为例，其筒体上分布有22排、每排约14粒共计300余颗螺栓，需要每日进行巡检紧固。现有人工紧固方式存在劳动强度极大、作业效率低、安全风险突出、紧固质量难以保证、缺乏数据追溯、人员成本高等显著缺陷。

3、随着工业自动化与机器人技术的发展，工业机器人已广泛应用于焊接、搬运、装配等领域，但针对大型回转设备（如棒磨机、球磨机）外壁螺栓的自动紧固装置尚未见成熟应用。其主要技术难点在于：

4、（1）作业空间覆盖难。棒磨机筒体直径达3米以上、长度达6米以上，300余颗螺栓沿筒体轴向和周向呈空间曲面分布。常规固定式或单一自由度机器人受限于工作空间，无法覆盖筒体全范围，需在有限作业空间内实现机器人末端对筒体整个外壁曲面任意螺栓位置的灵活可达。

5、（2）滚筒精确定位与锁死难。棒磨机筒体为大型旋转部件，在周向转位过程中存在转动惯量大、定位精度要求高的特点，要求滚筒转动后能够精准停留并可靠锁死。否则，在拧紧作业时，大扭矩反作用力可能导致滚筒蠕动偏转，造成套筒与螺栓无法正确对中，轻则影响紧固质量，重则损坏螺纹或设备。

6、（3）多设备协同控制难。全自动紧固作业涉及机器人（含地轨第七轴）的连续运动、视觉系统的实时采集与处理、滚筒的间歇转动及制动锁死等多个子系统，各子系统之间存在严格的时序约束，必须按照“视觉定位→紧固→轴向步进→周向转位→视觉复检”的既定逻辑顺序执行，且需保证安全避让。这对控制系统的协调调度能力提出了远高于单机自动化设备的要求。

7、（4）螺栓状态视觉检测难。棒磨机工作环境多尘、螺栓表面易反光，且螺栓数量多、排列紧密。采用3d视觉时，螺栓端面面积小、点云数据可能不完整；采用2d视觉时，则受光照和表面污损影响较大。因此，如何在复杂工况下同时实现螺栓的精确定位与松动状态判定，是视觉系统面临的重大挑战。

8、因此，亟需开发一种能够解决上述技术难题的棒磨机螺栓自动紧固专用装置。

技术实现思路

1、本发明提供一种棒磨机螺栓紧固装置及棒磨机螺栓紧固方法，旨在解决现有技术中棒磨机衬板螺栓人工紧固存在的劳动强度大、安全风险高、质量不稳定、效率低下等技术问题。

2、本发明要解决的具体技术问题包括：

3、第一，解决大型筒体外壁全曲面螺栓的自动化覆盖问题。提供一种能够在无需改变棒磨机主体结构的前提下，使单一自动化执行机构能够依次到达棒磨机筒体整个外壁曲面上的每一颗螺栓位置的覆盖方案，实现轴向全长与周向全周的无死角覆盖。

4、第二，解决滚筒间歇转动时的精确定位与可靠锁死问题。提供一种能够在棒磨机筒体每次周向转位后实现精准角度定位、并在拧紧作业全过程中保持锁死的定位锁死方案，避免因筒体蠕动偏转导致套筒与螺栓对中失败。

5、第三，解决多子系统的时序协同控制问题。提供一种能够按照“视觉定位→紧固→轴向步进→周向转位→复检”的完整作业流程，实现机器人运动、视觉检测、滚筒转动及制动锁死在时序上精确配合的联动控制方案。

6、第四，解决多尘、反光工况下螺栓的视觉定位与松动判定问题。提供一种能够在螺栓端面面积小、表面反光、多尘的复杂条件下，同时实现螺栓精确定位和松动状态判定的视觉检测方案，为选择性紧固提供可靠的决策依据。

7、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种棒磨机螺栓紧固装置，包括：

8、横梁机构，设有第一安装平台和第二安装平台，棒磨机安装于所述第一安装平台上；

9、行走地轨，沿所述棒磨机的轴向铺设于所述第二安装平台上；

10、六轴工业机器人，滑动连接于所述行走地轨上且可沿所述棒磨机的轴向往复移动；

11、自动锁螺栓机构，安装于所述六轴工业机器人的末端，用于对所述棒磨机的衬板螺栓执行拧紧作业；

12、3d视觉引导系统，包括3d工业相机和视觉处理单元，所述3d工业相机用于采集棒磨机外壁螺栓区域的三维点云数据；所述视觉处理单元用于对所述三维点云数据进行处理，以识别螺栓位置和姿态，并测量螺栓的螺母端面与棒磨机筒体外表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判定螺栓是否松动；

13、制动器，安装于所述棒磨机上，用于锁死所述棒磨机的筒体；

14、控制系统，分别与所述六轴工业机器人、行走地轨的驱动装置、3d视觉引导系统、棒磨机的转动系统及制动器通信连接，并用于执行以下联动控制：

15、控制所述六轴工业机器人沿所述行走地轨步进移动，依次覆盖所述棒磨机全长范围的各轴向区段，并在各轴向区段内通过所述3d视觉引导系统识别螺栓并控制所述自动锁螺栓机构对判定为松动的螺栓进行紧固作业；

16、在完成当前轴向区段的紧固作业后，控制所述六轴工业机器人移动至下一轴向区段；

17、在完成当前周向位置的全部轴向区段作业后，控制所述棒磨机的筒体转动至下一周向位置，并由所述制动器锁死所述筒体；

18、重复执行上述轴向区段步进与周向转位，直至完成所述棒磨机全周向螺栓的紧固作业。

19、本发明提供的棒磨机螺栓紧固装置，通过行走地轨与六轴工业机器人的配合实现轴向全长覆盖，通过筒体周向转位与制动器锁死实现周向全周覆盖与精确定位，轴向步进与周向转位重复执行直至全周向完成，构成“地轨轴向步进+筒体周向转位”的二维遍历覆盖策略，解决了大型筒体外壁全曲面螺栓的自动化覆盖问题；通过制动器在筒体转动到位后抱闸锁死，确保大扭矩拧紧时筒体可靠定位，解决了滚筒精确定位与锁死问题；通过控制系统统一协调机器人运动、地轨行走、视觉检测、筒体转动及制动锁死各子系统，实现了多设备的精确时序协同，解决了多子系统联动控制问题；通过3d视觉系统对螺栓进行识别定位及螺母端面与筒体外表面之间垂直距离的测量，实现了多尘、反光工况下螺栓的准确识别与松动状态自动判定。

20、本发明实现了棒磨机衬板螺栓紧固的全自动化作业，有效解决了人工紧固劳动强度大、安全风险高、扭矩不均、效率低下等问题，显著提升了作业效率与紧固质量。

21、进一步地，所述视觉处理单元对所述三维点云数据进行处理，包括：

22、通过表面法向量分析与边缘检测将螺栓区域与筒体背景进行分割，提取螺栓的独立点云集；

23、对所述独立点云集进行点云拟合，识别螺栓轮廓并确定螺栓中心点坐标，以所述螺栓中心点坐标作为螺栓位置；

24、基于所述独立点云集进行3d模板匹配，计算所述螺栓的空间姿态角，以所述空间姿态角作为螺栓姿态。

25、通过上述三维点云处理流程，螺栓识别与定位过程被具体化为“分割→拟合定位→模板匹配定姿”的完整视觉处理链条：

26、通过表面法向量分析与边缘检测将螺栓区域与筒体背景进行分割，利用螺栓端面与筒体表面在法向量方向上的几何特征差异进行区域分割，不依赖螺栓表面的颜色、纹理等2d图像信息，从根本上避免了多尘、反光等复杂工况对螺栓识别的不利影响，实现了螺栓独立点云集的精准提取；通过对分割后的独立点云集进行点云拟合，识别螺栓轮廓并确定螺栓中心点坐标，实现了螺栓三维空间位置的精确获取；基于独立点云集进行3d模板匹配，计算螺栓的空间姿态角，中心点坐标与姿态角共同构成螺栓的完整位姿，为套筒以正确姿态与螺栓对准提供了准确的位姿信息。

27、综上，该三维点云处理流程解决了多尘、反光等复杂工况下螺栓视觉检测难的技术问题，实现了螺栓的精准识别、定位与姿态计算，为后续紧固作业的套筒对准提供了可靠的视觉引导。

28、进一步地，所述视觉处理单元获取所述垂直距离，具体包括：

29、通过表面法向量分析与边缘检测将所述三维点云数据分割为螺母端面区域和筒体表面区域；

30、分别对所述螺母端面区域和所述筒体表面区域进行平面拟合，获得螺母端面拟合平面和筒体表面拟合平面；

31、计算所述螺母端面拟合平面与所述筒体表面拟合平面之间的垂直距离，作为所述螺母端面与所述棒磨机筒体外表面之间的垂直距离。

32、通过上述垂直距离获取流程，实现了对螺母端面与棒磨机筒体外表面之间空间距离的精确测量：

33、通过表面法向量分析与边缘检测将三维点云数据分割为螺母端面区域和筒体表面区域，利用螺母端面（平面）与筒体表面（圆柱面）在法向量方向上的几何特征差异进行区域分割，实现了两个目标区域的精确提取；分别对分割出的螺母端面区域和筒体表面区域进行平面拟合，获得螺母端面拟合平面和筒体表面拟合平面，通过平面拟合将离散点云数据转化为具有明确几何意义的空间平面，为距离计算提供了精确的几何基准；计算螺母端面拟合平面与筒体表面拟合平面之间的垂直距离，作为螺母端面与棒磨机筒体外表面之间的垂直距离，实现了空间距离的量化测量，为螺栓松动状态的自动判定提供了精确的数据基础。

34、综上，该垂直距离获取流程解决了多尘、反光工况下如何精确测量螺母端面与筒体外表面之间空间距离的技术问题，实现了基于三维点云数据的非接触式精确测量，为后续螺栓松动状态的自动判定提供了可靠的数据支撑。

35、进一步地，所述视觉处理单元判定螺栓松动的具体逻辑为：当所述垂直距离大于预设阈值时判定螺栓松动，需要进行紧固作业；当所述垂直距离小于或等于所述预设阈值时判定螺栓处于紧固状态，不需要进行紧固作业。

36、通过“大于预设阈值时判定松动、小于或等于预设阈值时判定紧固”的量化判定方式，利用紧固状态下螺母紧贴筒体外表面（垂直距离小）与松动状态下螺母沿轴向向外移动（垂直距离大）的物理规律，实现了螺栓松动状态的客观化、量化自动判定，有效避免了人工判断的主观性和不确定性，提高了松动检测的准确性和一致性。

37、进一步地，所述棒磨机的筒体周向分为多个工作区域，所述控制系统控制所述棒磨机的筒体分多次转动，每次转动后由所述制动器锁死所述筒体，并重复执行轴向区段步进与紧固作业，直至完成全部螺栓的紧固。

38、在实现“轴向步进+周向转位”二维覆盖策略的基础上，本发明进一步对筒体周向转位方式进行了具体限定：

39、通过将棒磨机筒体周向划分为多个工作区域，并在每个工作区域内重复执行轴向区段步进与紧固作业，实现了筒体全周向螺栓的分批次逐区域覆盖；通过每次转动后由制动器锁死筒体，保证了每一批次作业过程中筒体的稳定锁死；通过“分多次转动→每次锁死→重复执行轴向区段步进与紧固→直至完成全部螺栓”的间歇式作业循环，实现了全周向螺栓的完整覆盖。

40、进一步地，所述棒磨机的进料侧支架的中间立柱向两侧移位，在所述进料侧支架的中间位置形成供所述六轴工业机器人轴向通过的通道。

41、本发明对进料侧支架的结构进行改造：进料侧支架的中间立柱切除并重新布置于筒体两侧后，进料侧支架中间被立柱占用的空间被释放，形成避让通道，六轴工业机器人沿行走地轨轴向移动时能够从该避让通道无遮挡地通过，消除了中间立柱对机器人轴向行走路径的阻挡。

42、进一步地，所述自动锁螺栓机构包括拧紧枪和扭矩检测模块，所述扭矩检测模块与所述控制系统通信连接，用于实时采集拧紧扭矩数据并反馈至所述控制系统；所述控制系统用于在所述拧紧扭矩数据达到预设扭矩时控制所述拧紧枪停止拧紧。

43、在实现自动锁螺栓机构对螺栓执行拧紧作业的基础上，本发明进一步对自动锁螺栓机构的具体组成和控制方式进行了限定：

44、扭矩检测模块与控制系统通信连接，在拧紧过程中实时采集拧紧扭矩数据并反馈至控制系统，控制系统根据反馈的扭矩数据判断是否达到预设扭矩值，并在达到预设值时控制拧紧枪停止拧紧，形成“实时采集→反馈→判断→停止”的闭环扭矩控制。通过该闭环控制，每颗螺栓均在达到相同预设扭矩值时自动停止拧紧，避免了人工操作因人而异导致的扭矩大小不均问题，保证了各螺栓紧固力的一致性。

45、进一步地，所述制动器安装于所述棒磨机的传动端，用于在所述筒体转动至预设的周向位置后抱闸锁死所述筒体。

46、制动器安装于棒磨机的传动端，直接作用于筒体的传动部件，在筒体转动至预设的周向位置后抱闸锁死，将筒体固定于该周向位置。锁死后，筒体在拧紧作业过程中保持静止状态，无法发生转动。

47、进一步地，所述棒磨机螺栓紧固装置还包括安全围栏与安全门锁，所述安全围栏围设于作业区域外围，所述安全门锁设置于所述安全围栏的出入口；其中，所述作业区域是指六轴工业机器人的全部运动范围与棒磨机所在范围共同构成的空间区域；

48、所述安全门锁与所述控制系统联锁，当所述安全门锁被触发时所述控制系统停止所述六轴工业机器人和所述行走地轨的运动。

49、安全围栏围设于作业区域外围，在作业区域与外部人员通道之间形成物理隔离，防止无关人员进入作业区域。安全门锁设置于安全围栏的出入口并与控制系统联锁，当安全门锁被触发时，控制系统立即停止六轴工业机器人和行走地轨的运动，消除作业区域内运动部件对人员的碰撞挤压风险。

50、基于同一构思，本发明还提供一种棒磨机螺栓紧固方法，应用于如上所述的棒磨机螺栓紧固装置，所述紧固方法包括以下步骤：

51、s1、系统初始化：控制系统启动，并完成六轴工业机器人、行走地轨、3d视觉引导系统及制动器的自检与复位；

52、s2、视觉识别与定位：所述控制系统控制所述六轴工业机器人带动所述3d工业相机移动至待检测区域，所述3d工业相机采集棒磨机外壁螺栓区域的三维点云数据，所述视觉处理单元对所述三维点云数据进行处理，识别螺栓的位置和姿态，并测量螺栓的螺母端面与棒磨机筒体外表面之间的垂直距离，根据所述垂直距离判定螺栓是否松动；

53、s3、坐标下发：将判定为松动的螺栓位置发送至所述控制系统；

54、s4、螺栓紧固：所述控制系统根据所述螺栓位置控制所述六轴工业机器人带动所述自动锁螺栓机构移动至对应位置进行紧固作业，达到预设扭矩后停止；

55、s5、轴向进给：完成当前轴向区段的螺栓紧固后，所述控制系统控制所述六轴工业机器人沿所述行走地轨移动至下一轴向区段，重复执行s2至s4，直至完成当前周向位置的全部轴向区段作业；

56、s6、周向转位：完成当前周向位置的全部轴向区段作业后，所述控制系统控制所述棒磨机的筒体转动至下一周向位置，并由所述制动器锁死所述筒体，重复执行s2至s5，直至完成所述棒磨机全周向螺栓的紧固作业。

57、本发明通过s1至s6的步骤流程，在装置各部件协同配合的基础上，限定了从系统启动到全周向螺栓紧固完成的完整时序逻辑：

58、s1中通过自检与复位，使六轴工业机器人、行走地轨、3d视觉引导系统及制动器在作业开始前处于正常待机状态，为后续步骤的执行提供初始条件。

59、s2中通过对三维点云数据的采集与处理，识别螺栓的位置和姿态并测量螺母端面与筒体外表面之间的垂直距离，根据垂直距离判定螺栓是否松动，为s3提供松动的螺栓位置信息。

60、s3中将判定为松动的螺栓位置发送至控制系统，完成从视觉识别结果到执行机构的信息传递，为s4的紧固作业提供目标位置。

61、s4中控制系统根据接收的螺栓位置信息控制六轴工业机器人带动自动锁螺栓机构移动至对应位置进行紧固作业，并在达到预设扭矩后自动停止。s4是s5中重复执行的基本作业单元，每完成一次单颗螺栓的紧固，即进入下一颗螺栓的执行循环。

62、s5中在同一周向位置内，通过“完成当前轴向区段后移动至下一轴向区段→重复执行s2至s4”的循环，逐段覆盖当前周向位置的全部轴向区段。s5的终止条件是当前周向位置全部轴向区段作业完成，该判断结果决定是否进入s6。

63、s6中，在s5的循环终止条件满足后，控制系统控制棒磨机的筒体转动至下一周向位置，并由制动器锁死，随后返回s2重新执行。

64、s2至s5构成内层作业循环，s6构成外层转位循环，内外两层循环嵌套配合：内层循环完成当前周向位置的全部轴向覆盖，外层循环完成全周向的位置切换，直至全周向螺栓全部紧固完成，形成完整的“视觉识别→坐标下发→紧固→轴向进给→周向转位”闭环作业循环。