带有结构光检测的三割炬H型钢双端自动切割机

摘要

本发明公开了一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢双端自动切割系统，系统由结构光检测及切割机器人等组成。切割机器人由大臂、小臂、丝杠和割炬组成。加工平台设置两根导轨，滑动平台置于导轨上。横梁通过立柱固定在滑动平台上，托架亦固定于滑动平台。横梁上端面装有结构光检测器支架，在支架上装有结构光发生器和图像采集器，在横梁的前侧开有导轨凹槽。两个机器人大臂的一端安装在导轨凹槽内构成移动副，大臂、小臂、复合丝杠及割炬顺序连接。另一机器人大臂接于横梁上端面。其中两个切割机器人具有四个自由度；另一个具有五个自由度。三个机器人独立控制，可对腹板、翼板同时切割，在保证切割精度基础上，有效提高了H型钢的切割效率。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术，具体涉及一种钢材自动切割装置。

背景技术

基于H型钢设计的大型结构框架，被广泛应用于各种建筑领域，如陆地或海上石油钻井平台、大型超市和体育场馆、桥梁以及电视或通讯信号塔等。为方便施工，在框架搭建前往往需要在H型钢端头切出适合焊接的接头，比如在H型钢的一个腹板和两个翼板3个平面上完成：切割直线、曲线、圆弧、工艺孔、坡口等。由于H型钢在轧制过程中存在尺寸或形位公差，因此需要对被切割的H型钢进行形状和位置检测。但是目前对H型钢材兼具检测和切割的技术方法或装置尚未见到。

目前对于简单型材的切割技术较为普及，其中不乏已有用于生产的成品。大部分切割机均采用火焰切割，将割炬固定在切割机构的末端。上海建设焊割机具厂生产的H型钢切割机，是单车、单割炬切割，割炬自由度较低，一般用于切断操作。2003年欧洲公开了一种3割炬切割机的发明专利申请(H Beam StyleAuto Cutting Machine)，可以同时对H型钢的腹板、翼板进行切割。但此设备的割炬自由度较低，很难完成复杂的操作。上述提到的两种切割机均不能进行误差检测。由于H型钢在三个面以及长度方向均存在弯曲或扭曲形变，这些形变将直接影响切割质量，甚至造成割炬和型钢碰撞致使设备损坏。上海交通大学、江南造船(集团)有限责任公司提出了一种激光定距方法的专利申请(型钢机器人切割与划线系统的激光定距方法)，属于单割炬切割。这种方法需要在机器人末端安装激光检测设备，通过扫描的方式获取型钢的尺寸特征，然后根据所测数据对割炬轨迹进行修正。激光扫描的方法，需要扫描多次才可获得H型钢详细的尺寸，因此在一定程度上增加了辅助时间，更主要的是不具备三割炬切割技术。

发明内容

本发明的目的是将检测和切割容为一体，提供一种带有结构光检测的三割炬机器人H型钢双端自动切割装置。

以下结合附图对发明的技术原理进行说明。本发明是一个带有结构光检测H型钢形变、具有三个割炬(枪)对H型钢两端进行自动切割的装置。三个割炬操作均由三个切割机器人完成，其中两个切割机器人具有四个自由度(3个平动1个转动)，即沿X、Y、Z三个轴线的平动；绕各自复合丝杠轴线的转动；另一个切割机器人具有五个自由度(3个平动2个转动)，即沿X、Y、Z三个轴线的平动；绕复合丝杠轴线的转动和绕联轴器的转动。其中一号和三号切割机器人由大臂、小臂、复合丝杠和割炬组成，二号切割机器人的组成结构与一号和三号基本相同，区别是在复合丝杠和割炬之间加装了一个联轴器。结构光检测器由结构光发生器和图像采集器组成。

在结构上：加工平台平面固定设置两根导轨，导轨纵向(X轴方向)和加工平台纵向一致，滑动平台置于导轨上并可沿导轨纵向移动。横梁通过立柱固定在滑动平台上，横梁和立柱组成作为支撑三个切割机器人的托架，其前侧(X轴正方向)与加工平台纵向平行，作为被切割加工的H型钢用夹具固定于滑动平台上面，H型钢纵向与加工平台纵向平行。在横梁的前侧开有导轨凹槽，一号和三号大臂的一端安装在导轨凹槽内构成移动副，臂梁可沿导轨凹槽左右滑移。一号和三号大臂的另一端均与各自小臂的一端活动轴连接，小臂可分别绕其大臂的安装端水平转动。一号和三号小臂的另一端分别安装各自的复合丝杠，复合丝杠既可以沿Z轴方向平动和绕其轴线转动又可以是上述两种运动的合成，复合丝杠的下端固定连接各自的割炬，割炬与加工平台平行。

二号切割机器人组成结构与一号和三号基本相同。但二号大臂的一端与横梁的上端面固定轴连接安装，大臂可绕轴沿横梁上端面水平转动。在其复合丝杠的下端与联轴器连接，而且联轴器的旋转轴线与二号复合丝杠的轴线垂直；联轴器的另一端与二号割炬活动轴连接。二号割炬可绕联轴器的旋转轴线转动，且二号切割机器人的复合丝杠的轴线应在二号割炬转动所形成的平面内。

一号与三号切割机器人用来切割H型钢两侧的翼板；二号切割机器人用于切割H型钢的腹板。机器人在切割机装置的设置上为：一号和三号两个切割机器人位于切割机横梁的两端，二号切割机器人位于一、三号两个切割机器人之间。三个大臂的臂梁均与加工平台平面平行。

横梁的上端面装有结构光检测器支架，在该支架上装有结构光发生器和图像采集器。结构光检测器支架可随着托架沿型钢的纵向移动，从而结构光发生器和图像采集器可对型钢的多个X轴截面进行检测。结构光发生器将结构光(一条光带)照射到型钢表面，当该光带遇到型钢后，被型钢遮挡，在该光带面上显示出H型钢外形轮廓，然后由图像采集器采集图像。图像采集器将型钢(H型钢是型钢中的一种)表面或截面形状的图像采入。结构光光源为红外光。

结构光发生器发出的结构光与型钢X轴垂直，竖直照射到型钢表面，产生的结构光带的宽度大于型钢翼板外侧面的距离。图像采集器放置在结构光发生器一侧并与结构光面保持一定角度。有关系式如下：

l1＝l

h1＝h×sinφ

其中：l为与型钢腹板纵向平面相垂直的长度；l1为由图像采集器采集到的型钢腹板平面与型钢纵向垂直方向的长度；h为与腹板垂直方向的长度；h1为由图像采集器采集到的与腹板垂直方向的长度；φ为图像采集器与结构光之间的夹角(如图2与图3)。上述关系式显示了图像采集器采集的长度与实际长度的关系。

由图像采集器采集到型钢X轴向截面的实际形状与待切割型钢理想截面形状进行比较，可计算出型钢的尺寸误差、形位偏差(包括位移偏差和扭转偏差)。由检测到的误差信息可对割炬轨迹进行修正，从而形成正确的切割轨迹。

附图说明

附图1为本发明结构原理轴侧图。

附图2为本发明结构光检测装置正视图。

附图3为本发明结构光检测装置俯视图。

附图4为本发明实施例需切割出H型钢一种端头的形式。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明的实施例。如附图所示。带有结构光检测的三割炬H型钢双端自动切割机，具有加工平台1、导轨2、滑动平台3、横梁4、立柱5、托架6、H型钢7、结构光检测器支架8、结构光发生器9、图像采集器10、导轨凹槽11、一号切割机器人12-1、一号大臂13-1、一号小臂14-1、一号丝杠15-1、一号割炬16-1、二号切割机器人12-2、二号大臂13-2、二号小臂14-2、二号丝杠15-2、联轴器17、二号割炬16-2、三号切割机器人12-3、三号大臂13-3、三号小臂14-3、三号丝杠15-3、三号割炬16-3、H型钢翼板17和H型钢腹板18等。具体结构为：加工平台1平面固定设置两根导轨2，两根导轨2平行且与加工平台1纵向(X轴方向)平行。滑动平台3置于导轨2并可沿导轨纵向移动。立柱5下端固定在滑动平台3上，横梁4固定在立柱5上端，横梁4与立柱5组成托架6，且托架6的前侧与X轴正向相同。H型钢7用夹具固定于滑动平台3上面。横梁4的上端面装有结构光检测器支架8，在结构光检测器支架上装有结构光发生器9和图像采集器10，结构光检测器支架8可随所述托架6沿H型钢7纵向(X轴)移动，结构光光源为红外光。在横梁4的前侧开有导轨凹槽11。

一号、三号切割机器人12-1、12-3由各自对应的一号和三号大臂13-1、13-3、一号和三号小臂14-1、14-3、一号和三号复合丝杠15-1、15-3和一号和三号割炬16-1、16-3组成。一号和三号大臂13-1、13-3的一端安装在导轨凹槽11内构成移动副，臂梁可沿导轨凹槽左右滑移。一号和三号大臂13-1、13-3的另一端均与一号和三号小臂14-1、14-3的一端活动轴连接，一号和三号小臂14-1、14-3可分别绕其一号和三号大臂13-1、13-3的安装端水平转动；一号和三号小臂14-1、14-3的另一端分别安装一号和三号复合丝杠15-1、15-3，一号和三号复合丝杠15-1、15-3的轴线与Z轴平行。复合丝杠既可以沿Z轴方向平动和绕其轴线转动，又可以是平动和绕轴两种运动的合成，两个复合丝杠15-1、15-3的下端分别与一号和三号割炬16-1、16-3的活动轴连接，割炬与加工平台平行。

二号切割机器人12-2由二号大臂13-2、二号小臂14-2、二号丝杠15-2、联轴器17和二号割炬16-2组成。二号大臂13-2的一端与横梁4的上端面固定轴连接安装，二号大臂可绕轴沿横梁4上端面水平转动；二号大臂13-2的另一端与二号小臂14-2的一端活动轴连接，二号小臂14-2可绕其二号大臂13-2的安装端水平转动；二号小臂14-2另一端安装二号复合丝杠15-2。二号复合丝杠15-2的轴线与Z轴平行，二号复合丝杠的下端与联轴器17一端固定连接，联轴器轴线与二号复合丝杠垂直。联轴器17的另一端与二号割炬16-2活动轴连接，二号割炬16-2可绕联轴器17的轴线转动，且二号复合丝杠15-2的轴线在二号割炬16-2转动所形成的平面内。

一号和三号割炬16-1、16-3具有四个自由度：其中3个平动1个转动，即沿X、Y、Z轴的平动和绕一号和三号复合丝杠15-1、15-3轴线的转动；二号割炬16-2具有五个自由度：其中3个平动和2个转动，即沿X、Y、Z轴的平动；绕着二号复合丝杠15-2轴线的转动和绕着联轴器17的转动。三个大臂13-1～13-3的臂梁均与加工平台1平面平行。一号切割机器人12-1用来切割H型钢翼板17其中的一边；三号切割机器人12-3用于切割翼板17的另一边；二号切割机器人12-2用于切割H型钢腹板18。在机器人的安装位置上，二号切割机器人12-2位于一号和三号两个切割机器人12-1、12-3之间。丝杠的运动形式为：只转动不上下移动、只上下移动不转动、移动加转动。

由于托架6固定在滑动平台3上，所以能够沿着H型钢X轴纵向移动。当切割完H型钢的一端后，不用移动H型钢，只需要移动托架，便可到达H型钢的另一端对其进行切割。同时托架可以停留在H型钢X轴纵向的任意位置对其进行切割作业，这种设计可有效提高了生产率。

结构光检测器支架8固定在托架6的后侧，结构光发生器9与水平面垂直，即结构光垂直的投射到H型钢表面，图像采集器10与结构光束保持45°，如图2及图3所示，即图中的Φ等于45°。有如下关系：

l1＝l

h1＝h×sin45°

为了对本发明原理进行更详细的说明，以下对一种普遍的H型钢接头形式进行切割工艺的实施例(双端切割)。

图4所示为需将H型钢一端所切割出的形式，翼板上开有坡口，腹板上需切出工艺孔、圆角和开坡口，另一端形式亦如此。

H型钢7置于加工平台1，根据钢材型号生成数控程序，此时结构光检测装置开始工作，对H型钢X轴的多个截面进行检测并得出误差对轨迹进行修正。此后托架6到达H型钢一端，一、三号割炬同时动作，切除端头腹板18上部的翼板17，此时二号割炬停在远离端头的位置。一号割炬切割完成后，离开端头，三号割炬继续动作切除腹板18下部的同侧翼板17，完成后离开端头停止工作。一、三号割炬退出后，二号割炬开始动作，对H型钢腹板18进行切割，起始位置为靠近一号割炬所切翼板的过焊孔起点A，当运行到第一个圆角终点B时(如图4)，一号割炬又开始动作，切除腹板18下侧的翼板17，毕后一、二号割炬退到远离端头的位置，切割工作即完成。托架6移动到H型钢的另一端进行切割(过程略)，切割作业完成。

本发明的特点及有益效果是，结构光检测装置的存在提高了切割的精度，提高了切割系统对不同型钢的适应性，两个四自由度机器人用于切割翼板，五自由度机器人用于切割腹板。每个切割机器人的多自由度保证了在工作区域切出需要的形状。三个机器人独立控制，可对腹板、翼板同时切割，在保证切割精度基础上，有效提高了H型钢的切割效率。