技术领域
[0001] 本发明涉及多系统集成领域，特别涉及一种用于钢管焊缝自动打磨系统的数据处理及控制方法。
相关背景技术
[0002] 管线工程，用户需要将两根钢管端对端焊接，管端焊缝存在影响焊接质量。现阶段焊缝打磨主要采用前期老式砂带机人工控制打磨位置作业，由于老式砂带机无法仿形出圆弧状，且机器切削量不好把握，易发生母材过切，故后期辅助手工角磨机打磨。现阶段技术仍由人工控制焊缝打磨量，生产工序繁琐，岗位质量控制主要依靠人工微调和操作工技术水平，劳动强度大，成本高，难以保证打磨质量，而且打磨后的余高纯靠工人手工检测，人为因素误差影响大，状态稳定性较差。
[0003] 系统集成通俗是指将各个分立的设备或者系统连接在一起，由主要的控制系统统一控制，下面连接的各个分立的系统之间可以实现相互的合作，可以实现信息的共享以及任务的合作完成等，应用广泛，因此其最重要的部分就是如何做好集成的协调控制工作。集成技术的优点在于显著缩短产品的研发周期，降低产品成本，质量普遍较高；缺点就是集成系统是一个包含多方面的综合性问题，涉及面广，信息交互与执行控制难度较高。
具体实施方式
[0082] 为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
[0083] 本发明是这样实现地，如图4所示，具体实施步骤如下：
[0084] S1、确认自动打磨系统的参数，且钢管4和机器人2进入打磨工位。
[0085] S2、利用机器人2末端搭载的视觉系统自动检测并定位钢管4、焊缝和管端的位置，并测量钢管4的壁厚17。
[0086] S21、对外焊缝18进行自动检测和定位，机器人2的末端在钢管4端部附近运动，并带动轮廓仪11扫描焊缝至一定长度完成形貌的检测。
[0087] S22、通过轮廓仪11对钢管4的壁厚17进行测量。
[0088] S3、利用机器人2末端搭载的视觉系统采集钢管4和焊缝的扫描数据，并对视觉系统扫描获取的焊缝表面标准点云进行识别获取焊缝的边界，根据边界数据分离焊缝获取焊缝两侧的钢管母材部分点云数据，进而得到扫描区域焊缝的精确范围。
[0089] S4、对轮廓仪11采集的焊缝轮廓数据进行数据处理、判定及打磨路径的规划，对钢管4点云的每条轮廓进行圆拟合，拟合出中间焊缝区域应有母材表面的点云数据，并对比焊缝点云获取此部分每个点的余高量；提取平行于钢管4轴线的左、中、右三条散点阵列作为打磨目标的轨迹。
[0090] S5、机器人2在步骤S43规划的外焊缝18和内焊缝19的路径上提取的三条目标轨迹上纵向等距选取若干点，由机器人系统自动规划打磨路径并按照粗\精磨流程工作。
[0091] S6、机器人2根据规划路径打磨焊缝结束后，机器人2退回准备位，钢管4流出工位。
[0092] 具体而言，所述步骤S1的具体实施步骤如下：
[0093] S11、确定钢管4的直径、焊缝余高、最大错边量和打磨长度等相关参数值；
[0094] S12、启动托运小车5将钢管4放置在转辊7上，接着机器人2将沿着地轨1运动到打磨工位。
[0095] 进一步的，所述步骤S21的定位焊缝，其包括寻找钢管4、轮廓仪11调平、寻找焊缝、角度补偿和定位管端，定位焊缝是利用视觉系统，即传感器配合激光轮廓仪对场景进行识别，从而实现对焊缝的精确定位；寻找焊缝为系统总控利用轮廓仪11的视觉反馈，即根据监测到的数据判断从而调控转辊7和机器人2，二者配合完成焊缝的寻找，具体实施步骤如下：
[0096] S211、寻找钢管4，将机器人2的机械臂由初始姿态沿一定角度靠近钢管4，待位于机器人2末端的打磨头3上的距离传感器和轮廓仪11识别到钢管4的外壁时，机器人2停止运动；
[0097] S212、轮廓仪11调平，根据轮廓仪11反馈的数据，调整机器人2的机械臂，将轮廓仪11和被测量钢管4的外表面的距离调整在合适的范围内，同时微调机器人2末端打磨头3，以机器人2第六轴为轴线转动一定角度使测量轮廓水平；
[0098] S213、根据轮廓仪11测量的数据，通过转动转辊7来获得机器人2定位焊缝的准确位置；
[0099] S214、将轮廓仪11沿焊缝移动一段距离，并记录焊缝上相对应位置的两点，根据三角函数获取机器人2末端调整需要偏转的角度；
[0100] S215、将机器人2末端向管端移动，当测量数据为无效值时，说明定位到管端并记录数据。
[0101] 进一步的，如图5所示，所述步骤S213的具体实施步骤如下：
[0102] S2131、启动转辊7，通过转辊7带动钢管4逆时针转动以调整焊缝的位置，同时轮廓仪11始终保持测量状态，轮廓仪11检测焊缝是否处在测量范围内，因为存在转辊7制动导致焊缝滑出测量范围的情况；
[0103] S2132、若轮廓仪11检测到被测量钢管4的轮廓发生变化时，说明焊缝进入测量范围，停止转辊7；
[0104] S2133、若轮廓仪11未检测到被测量钢管4的轮廓发生变化时，则控制机器人2的末端带动轮廓仪11向图6中箭头方向以合适步长步进移动，移动后调平轮廓仪11以保证测量的精度，并再次通过轮廓仪11检测被测量钢管4的轮廓是否发生变化，若未发生变化，则循环此步直到被测量钢管4的轮廓发生变化；
[0105] S2134、由于形貌测量是采集焊缝及两侧钢管4表面的特征故需调整焊缝至测量中心，根据轮廓仪11检测的焊缝轮廓数据，评估最高点横坐标与轮廓仪11横向测量范围中心的距离，判断焊缝是否在测量中心，若焊缝不在测量中心，根据上述测量和计算的结果以缩小最高点横坐标与中心距离的方向以小步长移动，移动后再次调节机器人2的末端，使得轮廓仪11上测量的轮廓水平，并继续判断焊缝是否在测量中心，如此循环，直至调整焊缝位于测量的中心，再次执行步骤S212，进行轮廓仪11定位至合适测量距离和轮廓仪11调平的精确调平过程，完成焊缝的定位；
[0106] S2135、由于钢管4存在局部凹凸不同的圆度不够等问题，为保证生产安全和系统的容错性，如果在转动期间，若轮廓仪11未检测到被测量钢管4的轮廓发生变化，且转辊7转动一定时间t时，说明此钢管4不具备焊缝检测条件，则机器人2返回初始状态并退回地轨1的原位，同时系统报出钢管4无焊缝特征的错误。
[0107] 进一步的，所述步骤S2133的具体实施步骤如下：
[0108] S21331、若向左大步进移动超过系统设定的次数n时，则认定系统误定位，则返回步骤S2131重新定位焊缝；
[0109] S21332、若第二次定位焊缝仍出现最大步进移动超过系统设定的次数n时，则认定钢管4无焊缝特征，机器人2返回初始状态并退回地轨1的原位，系统报出钢管4无焊缝特征的错误。
[0110] 这样的两个错误处理提高了系统的智能化并具有一定的柔性，保障了设备运行的安全，可以在无人干预的情况下处理一些常见的生产问题。
[0111] 由于地轨1与转辊7和钢管4在位置固定后可能存在一定的偏转角度，且加工的焊缝与钢管4轴线不完全平行，故通过轮廓仪11沿焊缝移动一段距离，记录焊缝上相对应位置的两点，根据三角函数获取机器人2末端调整需要偏转的角度，从而确保轮廓11发射打在钢管4表面的激光与焊缝垂直，且激光的发射方向垂直于焊缝。最后机器人2末端向管端移动，当测量数据为无效值时，说明定位到管端并记录数据。
[0112] 进一步的，如图7所示，所述步骤S22的壁厚测量方法是通过视觉系统反馈寻找到最佳测量位置，并利用轮廓仪11的测量原理获取当前测量壁厚17数据，并不断微调角度，重复获取数据，选取其中最小值即为真实壁厚17，具体实施步骤如下：
[0113] S221、将机器人2的末端运行到钢管端外的位置，如图8所示，并通过轮廓仪11采集当前轮廓的两侧边界点的索引；
[0114] S222、判断当前轮廓是否处于测量中心的位置，若未处于测量中心的位置则机器人2的末端继续下移，循环此步骤直到通过判断；
[0115] S223、如图9所示当机器人2的末端到达测量中心的第一测量位置14时，将机器人2的末端转动一角度，到达第二测量位置15；
[0116] S224、在步骤S223的基础上，将机器人2的末端向步骤S223相反的方向旋转一定步长的角度2M/m，其中，M为第一测量位置14和第二测量位置15间的夹角，共旋转m次，从第二测量位置15到达第三测量位置16；
[0117] S225、记录每次旋转后对应的壁厚17，并对比前后两次测量钢管4管壁13的厚度，保留管壁13较小的壁厚17的值，最小壁厚17的值即为钢管4的壁厚17的值。
[0118] 完成壁厚17的测量后，处理视觉系统获取的扫描数据，对视觉系统扫描获取的焊缝表面标准点云识别并获取焊缝边界，进而得到扫描区域焊缝的精确范围，所述步骤S3的具体实施步骤如下：
[0119] S31、当机器人2末端沿焊缝方向匀速移动时，利用机器人2末端上搭载的轮廓仪11扫描并获取焊缝及两侧部分钢管区域的均匀点云数据，即具有在母材上的焊缝外观表面的点的数据集合称为焊缝表面标准点云，每条轮廓平均分成200个点；
[0120] S32、获取焊缝边界采用点云积分图法线法和点云区域增长分割法相结合的方式实现焊缝区域的精确定位，如图10所示，首先使用点云积分图法线法获取焊缝边界，调用PCL标准库的算法工具生成点云表面法线，对获取的焊缝边界根据扫描区域特点进行判断，满足条件则结束；
[0121] 如图11所示，图中箭头所指的位置，即焊缝边缘处的法线与相邻法线的夹角与其他部分(钢管母材和焊缝部分)的法线与相邻法线的夹角存在明显差异，基于这一特征设计了该焊缝边缘检测算法。初始化设点云左右边界minl和maxr均为100，i为点的索引，对点云进行遍历，步长为16个点，后面接两个边界条件的判断，先判断左边界再判断右边界，当满足焊缝左边界minl条件时令minl等于当前点的索引i，右边界maxr判断同理，左右边界主要依据焊缝与母材接壤过渡时的法线特征进行判断，遍历点云结束后获取焊缝两侧边界点索引minl，maxr。此方法优点是根据大量试验的经验数据不断调整后获取的遍历步长，是提高算法速度的一个主要原因。
[0122] S33、若不满足条件，则跳转到点云区域增长分割法再次获取焊缝边界，如图12所示，利用PCL的点云库对焊缝进行分割，其原理是将点云上具有近似点法线和点与点之间不同曲率的联通区域分隔开，可提供较好的边界信息和分割结果。具体地，首先将点云分割，将点云分割成m簇，每簇都是由特征相近的点构成的小方块区域点云；第二步对这些点云编号再遍历判断，判断由两阶层组成，第一阶层判断该簇点云点数是否满足点数条件，因为扫描区域的绝大部分都是焊缝，点数多的具有相似特征点的点云大多属于焊缝的区域，分割目的就是要把点云的焊缝区域与两侧的钢管区域分隔开，再利用阈值A滤去属于焊缝区域点云后再进一步处理；第二阶层对余下钢管区域点云边界进行判断，这里左右边界也是依据焊缝与母材过渡处的特征判断，遍历结束后获取边界索引minl，maxr。此方法相比前一方法精度较高，利用多个参数联合判断，分割效果好且稳定，结果如图13所示，但缺点是节奏较慢，区域分割算法用时较长。
[0123] 根据获取的焊缝边界minl和maxr，将标准点云分割，获取到两侧钢管母材表面的点云数据。由于分割后每条轮廓都由两段连线后类似弧线的点串构成，利用这两串点数据，使用最小二乘法进行圆拟合来代替打磨基准，获取圆的圆心坐标和半径数据，可将拟合圆近似认为是该轮廓的钢管圆，也是机器人打磨的去材基准，根据此圆并对比轮廓中间焊缝区域，高度对应做差获取焊缝的余高。应有母材表面点云数据和焊缝部分点云各点对应横纵坐标相同，对竖坐标做差获取每个点的余高值，即焊缝的余高量。将此法对整个区域的所有轮廓类推可获取整体焊缝余高数据。
[0124] 两种方法各有特色，点云积分图法线法精度一般但速度较快，点云区域增长分割法虽速度慢一些但精度较高，本着工业生产效率第一的原则，在保证质量的前提下尽可能加快数据处理节奏。
[0125] 进一步的，所述步骤S4的具体实施步骤如下：
[0126] S41、根据步骤S3还原的形貌和相关参数判断钢管4的焊缝是否符合打磨条件，若符合打磨条件，则进行步骤S43；
[0127] S42、若不符合打磨条件则进入残次品判断，如为残次品，则需对钢管4进行切头并重新进入工位，若为非残次品，则直接流出工位；
[0128] S43、规划外焊缝18和内焊缝19的打磨轨迹，图3为打磨头3的结构图，打磨时由氧化铝陶瓷制作的砂带8套于打磨头3的橡胶接触轮10与焊缝直接接触；
[0129] S44、依据焊缝成型方式及刀具去材特点，根据步骤S43，已知焊缝区域每点的去材余高数据再结合打磨时打磨圆上的三个切点的位置，分别提取的外焊缝18和内焊缝19的三条打磨轨迹，使用线性九点平滑法处理并获取三条平滑打磨轨迹，如图18所示。所述刀具去材特点于内外焊缝有所差异。
[0130] 步骤S41和S42中判断的目的是对钢管4打磨情况进一步把控，若钢管4形貌不合格但侥幸通过了焊缝定位的错误判断，还原形貌数据可暴露其缺陷；再通过第二层残次品判断，这里针对焊缝余高、错边情况进一步判断，若余高低于打磨要求且错边在允许范围内，说明此钢管4焊缝已打磨过，反之则认为是残次品需流出处理。这里进一步体现打磨系统的良好容错性和柔性，较高的自动化程度保障设备和人员的安全。
[0131] 进一步的，所述步骤S43的具体实施步骤如下：
[0132] S431、如图14和图16所示，规划外焊缝18的打磨轨迹31：
[0133] S4311、设置基准，根据刀具及外焊缝18的打磨方式，如图16所示，由于外焊缝18打磨沿焊缝走向水平进给，故从截面方向，接触轮10与焊缝接触为一直线，由于打磨要求在不伤及母材情况下尽可能多的去材，故以接触轮10的圆柱体侧面母线与拟合的钢管4外圆相切的位置(外焊缝打磨切点20)作为打磨基准，针对外焊缝18的外形特点，以此基准分别选取外焊缝中轴线打磨刀具接触位置21、外焊缝左轴线打磨刀具接触位置22和外焊缝右轴线打磨刀具接触位置23三个点，每条扫描轮廓都有这样的三个基准点，所有基准点的集合将形成外焊缝18规划打磨的的中轴线轨迹28、左轴线轨迹29和右轴线轨迹30等三条轨迹；为保证焊缝母材的圆滑过渡，左右两处的切线切点尽可能多的向边界靠近。
[0134] S4312、将打磨头3沿钢管4外圆上的外焊缝18所处位置的法线方向纵向进给，再以接触轮10端面与焊缝走向近似平行的方式进给，图14中箭头指向为水平进给的方向；
[0135] S432、如图15所示，由于内焊缝19在钢管4内的空间限制，内焊缝19不能以相同的方式打磨，内焊缝打磨以连续性和间歇性进给结合的方式进行，规划内焊缝19的打磨轨迹31：
[0136] S4321、设置基准，如图17所示，由于内焊缝19打磨空间限制，故只要保证打磨头3的接触轮10与拟合的钢管4内圆相内切即可，因此以接触轮10的外轮廓圆与拟合的钢管4内圆相切的位置(内焊缝打磨切点24)作为打磨基准，针对内焊缝19的外形特点，以此基准分别选取内焊缝左轴线刀具接触位置25、内焊缝中轴线刀具接触位置26和内焊缝右轴线刀具接触位置27三个点，每条扫描轮廓都有这样的三个基准点，所有基准点的集合将形成内焊缝19规划打磨的中轴线轨迹28、左轴线轨迹29和右轴线轨迹30等三条轨迹；
[0137] S4322、打磨头3的接触轮10先以沿钢管4内圆上的内焊缝19所处位置的法线方向纵向进给，再以接触轮10端面与焊缝长度方向垂直的方向，在焊缝上沿钢管4的周向从右到左连续进给，图15中横向箭头指向为连续性进给方向；到右侧接触轮10沿焊缝向前运行一段距离，此过程称为间歇性进给；再从左向右以相同的方式进给。且根据接触轮10的宽度设置向前进后的焊缝打磨面与前次打磨面上有一定量的重叠，这是为了减小间歇性进给产生的台阶。
[0138] 连续性进给指的是磨削进给方向与焊缝长度方向垂直，沿磨削进给方向完成一次砂带宽度的磨削；间歇性进给是指在连续性进给的基础上再沿着焊缝长度方向继续进给一定量的磨削，粗磨时这个量会大一些，而精磨时为提高精度，这个量会小一些。
[0139] 进一步的，所述步骤S5的具体实施步骤如下：
[0140] S51、图19为提取后的打磨轨迹以三条点串的形式显示的焊缝区域，机器人2在步骤S431规划的三条外焊缝轨迹上等距离选取若干点，通过设置在接触轮10底部中心的TCP点为参考点，以线性点动的模式经过选定的点，并以外打磨方式执行粗\精打磨工作；
[0141] S52、完成一次焊缝打磨后，系统会执行步骤S4再次扫描焊缝，并对余高值和目标余高值进行比较，并根据比较结果进行相应的打磨量补偿，执行第二次打磨；
[0142] S53、机器人根据步骤S432规划的三条内焊缝19轨迹，重复步骤S51至S52，完成内焊缝19的打磨，在内焊缝19打磨判断合格后，机器人2以初始姿态回到打磨工位，由地轨1拖动退回原位，再由托运小车5拖动钢管4流出工位，完成一次整体的打磨工作。
[0143] 机器人2带动打磨头3在外焊缝18上来回运行完成磨削工作，如图20所示，具体而言，步骤S51的具体实施步骤如下：
[0144] S511、由于粗\精磨主要是根据打磨过程中的焊缝的余高值来判定，因此系统获取数据处理得到焊缝的余高值和完成打磨焊缝的目标高度值，开始先对焊缝粗磨，每次的进给量以目标焊缝打磨高度为基础叠加余高值再逐次减去每次沿规划路径打磨的一个完整长度的刀具磨削量，将获得的值作为外焊缝18的最新余高量，完成高度进给，打磨头3可沿规划的轨迹运动打磨焊缝；
[0145] S512、粗磨时每完成一次规定打磨焊缝长度的工作，会进行剩余余高的判断，当余高值小于设定的粗磨时每次的刀具磨削量，则进入精磨，打磨刀具一次性进给到目标焊缝高度，再沿规划的轨迹运行一次完成精磨，完成打磨后，停止刀具电机，转换姿态再次扫描焊缝，根据余高判断打磨效果，满足要求则结束外焊缝打磨；当余高值大于设定的粗磨时每次的刀具磨削量，则继续进行粗磨。
[0146] 进一步的，所述步骤S52的具体实施步骤如下：
[0147] S521、二次打磨仅对焊缝进行一次精打磨，完成外焊缝18打磨工作；
[0148] 在设备多次运行后，砂带8会带有一定量的磨损，对比二次扫描的余高与之前设定打磨后的余高，获取二者差值，这部分为砂带8多次打磨带来磨料磨损造成的误差，将这部分加入到目标高度值里作为二次打磨补偿值，再进行一次精磨，完成外焊缝打磨工作。
[0149] S522、完成二次打磨需再进行一次扫描判断，若合格，则进入内焊缝19打磨工序；若不合格，则钢管4进行切头处理并重新进入工位。
[0150] 外焊缝18和内焊缝19的粗磨与精磨由于打磨方式不同略有差异。外焊缝18粗磨以中轴线轨迹为打磨路径，快速大进给打磨；精磨则以慢速小进给沿三条轨迹(中、左、右的顺序)完成外打磨；内焊缝19粗磨则以大进给小重叠量快速打磨，而精磨为小进给大重叠量慢速打磨，以修掉粗磨时产生的台阶。
[0151] 对焊缝表面点云数据的处理到提取打磨轨迹的过程均在上位机PC端操作，并把处理好的点发送给下位机机器人执行相应打磨工作。
[0152] 焊缝打磨分为粗磨和精磨，根据数据处理获取的焊缝余高值和规划的打磨轨迹，按照一定的进给量规律打磨；每次进给后的剩余余高量高于设定的阈值，则为粗磨，反之则一次性进给到打磨目标余高进行精磨。粗磨会多次循环进给，精磨一步进给到位只打磨一次。焊缝初次打磨后经扫描仍有部分余高，则根据扫描结果对打磨目标量补偿，再次打磨，且二次打磨直接为精磨，完成对焊缝的补偿量打磨。
[0153] 如图16所示，外焊缝18在进行粗磨时，打磨头3的接触轮10只经过中轴线，即仅打磨焊缝的中间部分，从端部走到打磨终点后，再纵向进给一定距离，沿焊缝返回端部，这样反复多次来回打磨，此为粗磨；当进给到距离拟合基准在一定范围内后，打磨头3的接触轮10直接进给到与拟合圆相切的位置即图16中的外焊缝中轴线打磨刀具接触位置21处，沿中轴线打磨到一端，之后向左偏转一定角度到外焊缝左轴线打磨刀具接触位置22位置在进给到另一端，最后再向右偏转到外焊缝右轴线打磨刀具接触位置23位置，进给回到精磨开始的一端，完成精磨。粗磨以省时和去材为主要目的，纵向进给量大，打磨速度快；精磨以达到打磨后的高精度为目的，纵向进给会一步到位，水平方向放慢进给速度，完成整个外焊缝18打磨的收尾工作。
[0154] 如图17所示，内焊缝19在进行粗磨时，打磨头3的接触轮10先间歇性进给，再按照选取的点从左到右依次经过三条轨迹上的三个点(连续性进给)，注意这三个点的连线是垂直于焊缝走向的，且每次进给为保证焊缝打磨后轴向的平滑，设置的前进量为打磨前后打磨面有一定的重合。内焊缝粗磨也是以去材和省时为目的，纵向大进给连续打磨，设置低重叠量以较大的间歇进给量加快粗磨节奏；内焊缝精磨与外焊缝类似，也是纵向一步进给到位，连续进给经过内焊缝左轴线刀具接触位置25、内焊缝中轴线刀具接触位置26和内焊缝右轴线刀具接触位置27的三个位置，并放慢连续打磨速度，减小间歇进给量，使得焊缝打磨面前后重叠量增加，保证打磨后焊缝区域轴向平滑过渡。
[0155] 自动打磨系统的硬件部分，如图2所示，其包括地轨1、机器人2、打磨头3、托运小车5、转辊7、轨道6、视觉系统和辅助设备，辅助设备起到改变工位和运输的作用，机器人2，其包括机器人本体、机器人控制柜和编码器，打磨头3，如图3所示，其包括砂带8、接触轮10、打磨刀具、打磨刀架和伺服电机9，视觉系统，其包括轮廓仪11、激光模型12、轮廓仪控制器和漫反射光电式传感器，打磨头3和视觉系统均位于机器人2第六轴的末端，机器人2的基座和地轨1固定连接，可随同地轨1做直线往复运动，辊托系统用于钢管4的流通运输，转辊7用于转动钢管4以改变焊缝所处方位。
[0156] 自动打磨系统的软件部分，如图1所示，PC上位机和PLC控制器负责整个系统的控制，连接机器人2本体的机器人控制柜通过Ethernet网口直接连接PC上位机通讯，通过上位机向控制柜发送指令控制机器人2本体运动；搭载于机器人2末端的二维激光轮廓仪11也是以Ethernet网口通讯将其控制器和PC上位机连接，实现轮廓仪的数据采集、存储和传输；安装于机器人2末端法兰上的打磨头3，其上伺服电机9与PLC控制器相连，实现了刀具打磨的控制；地轨1与PLC控制器相连，通过控制地轨1的伺服电机9，根据控制信号实现机器人2在地轨1上的直线运动；钢管转辊电机连接方式同理，通过控制转辊7实现钢管4转动以控制焊缝方位；托运小车5也和PLC相连由控制信号控制动作。上述PLC控制器最终与PC上位机通过Profibus‑DP实现通讯指令的传递，用户通过上位机的人机交互界面的参数输入和输出实现对作业设备的操控和状态监视。
[0157] 本发明具有较高的柔性和容错性，能够针对复杂的工况迅速反馈，当钢管出现圆度不够和错边等缺陷或者因失误流入成品时，可以通过视觉系统及主控的数据处理的各判断条件完成错误处理和设备报警。保障人身和生产安全。
[0158] 以下结合实施例对本发明一种用于钢管焊缝自动打磨系统的数据处理及控制方法做进一步描述：
[0159] S1、确认自动打磨系统的参数，且钢管4和机器人2进入打磨工位。
[0160] S11、打磨钢管4的各个参数设置范围为：钢管直径：508mm‑1422mm，焊缝余高：0.2mm‑0.5mm(打磨前4mm左右)，最大错变量：1.5mm，打磨长度：0mm‑350mm。
[0161] S12、启动托运小车5将钢管4放置在转辊7上，接着机器人2将沿着地轨1运动到打磨工位。
[0162] S2、利用机器人2末端搭载的视觉系统自动检测并定位钢管4、焊缝和管端的位置，并测量钢管4的壁厚17。
[0163] S21、对外焊缝18进行自动检测和定位，机器人2的末端在钢管4端部附近运动，并带动轮廓仪11扫描焊缝至一定长度完成形貌的检测。
[0164] S22、通过轮廓仪11对钢管4的壁厚17进行测量。
[0165] S3、利用机器人2末端搭载的视觉系统采集钢管4和焊缝的扫描数据，并对视觉系统扫描获取的焊缝表面标准点云进行识别获取焊缝的边界，根据边界数据分离焊缝获取焊缝两侧的钢管母材部分点云数据，进而得到扫描区域焊缝的精确范围。
[0166] S31、当机器人2末端沿焊缝方向匀速移动时，利用机器人2末端上搭载的轮廓仪11扫描并获取焊缝及两侧部分钢管区域的均匀点云数据，即具有在母材上的焊缝外观表面的点的数据集合称为焊缝表面标准点云，每条轮廓平均分成200个点。
[0167] S32、获取焊缝边界采用点云积分图法线法和点云区域增长分割法相结合的方式实现焊缝区域的精确定位，如图10所示，首先使用点云积分图法线法获取焊缝边界，调用PCL标准库的算法工具生成点云表面法线，对获取的焊缝边界根据扫描区域特点进行判断，满足条件则结束。
[0168] S33、若不满足条件，则跳转到点云区域增长分割法再次获取焊缝边界，如图12所示，利用PCL的点云库对焊缝进行分割，将点云上具有近似点法线和点与点之间不同曲率的联通区域分隔开。
[0169] S4、对轮廓仪11采集的焊缝轮廓数据进行数据处理、判定及打磨路径的规划，对钢管4点云的每条轮廓进行圆拟合，拟合出中间焊缝区域应有母材表面的点云数据，并对比焊缝点云获取此部分每个点的余高量；提取平行于钢管4轴线的左、中、右三条散点阵列作为打磨目标的轨迹。
[0170] S41、根据步骤S3还原的形貌和相关参数判断钢管4的焊缝是否符合打磨条件，若符合打磨条件，则进行步骤S43。
[0171] S42、若不符合打磨条件则进入残次品判断，如为残次品，则需对钢管4进行切头并重新进入工位，若为非残次品，则直接流出工位。
[0172] S43、规划外焊缝18和内焊缝19的打磨轨迹，图3为打磨头3的结构图，打磨时由氧化铝陶瓷制作的砂带8套于打磨头3的橡胶接触轮10与焊缝直接接触。
[0173] S44、依据焊缝成型方式及刀具去材特点，根据步骤S43，已知焊缝区域每点的去材余高数据再结合打磨时打磨圆上的三个切点的位置，分别提取的外焊缝18和内焊缝19的三条打磨轨迹，使用线性九点平滑法处理并获取三条平滑打磨轨迹，如图18所示。
[0174] S5、机器人2在步骤S43规划的外焊缝18和内焊缝19的路径上提取的三条目标轨迹上纵向等距选取若干点，由机器人系统自动规划打磨路径并按照粗\精磨流程工作。
[0175] S51、图19为提取后的打磨轨迹以三条点串的形式显示的焊缝区域，机器人2在步骤S431规划的三条外焊缝轨迹上等距离选取若干点，通过设置在接触轮10底部中心的TCP点为参考点，以线性点动的模式经过选定的点，并以外打磨方式执行粗\精打磨工作。
[0176] S52、完成一次焊缝打磨后，系统会执行步骤S4再次扫描焊缝，并对余高值和目标余高值进行比较，并根据比较结果和表1进行相应的打磨量补偿，执行用于补偿砂带磨损的第二次打磨。
[0177] 表1砂带磨损与打磨根数的数据统计表
[0178]
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[0180] 从表1中可见，砂带8在初期的钢管4打磨磨损较快，后期基本稳定在1.6mm左右。
[0181] S53、机器人根据步骤S432规划的三条内焊缝19轨迹，重复步骤S51至S52，完成内焊缝19的打磨，在内焊缝19打磨判断合格后，机器人2以初始姿态回到打磨工位，由地轨1拖动退回原位，再由托运小车5拖动钢管4流出工位，完成一次整体的打磨工作。
[0182] S6、机器人2根据规划路径打磨焊缝结束后，机器人2退回准备位，钢管4流出工位。
[0183] 本发明对焊缝前期点云数据的处理均由上位工控机负责，这样可确保最快的处理速度，把提取后的点发送给仅负责执行动作的下位机机器人即可完成整个系统任务。
[0184] 部分规格钢管焊缝打磨效果的数据记录如表2所示。
[0185] 表2不同规格钢管焊缝打磨效果的数据记录表
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[0187]
[0188] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
