李艷軍 ，王 陳，郭 俊，鄧啟超,許高齊

(1. 蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽 蕪湖 241007；2. 安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241007)

關(guān)鍵字： 鑄管承口；圓度；非接觸式測量；機(jī)器人

在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，離心鑄造球墨鑄鐵管(以下簡稱鑄管)以其壁薄、重量輕(平均為灰鑄鐵管的2/3)、強(qiáng)度高(≥420 MPa，灰鑄鐵為150 MPa)、伸長率大(當(dāng)直徑≤1000 mm時(shí)δ≥10%；當(dāng)直徑>1000 mm時(shí)δ≥7%)、防腐、易運(yùn)輸、耐壓、承載和抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于輸油、輸氣、城市輸水、排污、大型引水工程、電線或電纜套管等工程中[1-2]。而離心鑄管在施工過程中采用的是承插聯(lián)結(jié)，在聯(lián)結(jié)過程中將密封圈放入承口內(nèi)，將另一鑄管的小端直接插入承口中[3]，利用橡膠的彈性變形來實(shí)現(xiàn)承插口的密封，鑄管承口尺寸是重要的安裝參數(shù)，密封效果的好壞主要取決于承插口四個(gè)密封臺階面的尺寸精度和圓度形狀誤差，因此對承插口四個(gè)密封臺階面(D2、D3、D5、D6)的尺寸精度和圓度形狀誤差的檢測，是離心鑄管質(zhì)量檢查的重要一環(huán)[4-5]。當(dāng)前承口尺寸檢測普遍采用人工檢測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低下，且有一定概率的漏檢錯(cuò)檢。本文針對鑄管承口尺寸測量的研究現(xiàn)狀，提出了用上位機(jī)控制工業(yè)機(jī)器人，對工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行自動調(diào)整，使用激光測距傳感器測量承口尺寸，利用上位機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算承口圓度尺寸，實(shí)現(xiàn)鑄管承口尺寸的高精度、自動化測量，為生產(chǎn)商檢測鑄管承口的圓度是否合格及鑄管承口自動打磨工藝優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 鑄管承口非接觸式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑄管承口非接觸式測量系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、激光測距傳感器和上位機(jī)控制系統(tǒng)組成，用上位機(jī)控制工業(yè)機(jī)器人，采用先進(jìn)的檢測設(shè)備和檢測方法，對鑄管承插口多個(gè)臺階圓柱面的尺寸和圓度形狀誤差進(jìn)行自動檢測并判斷產(chǎn)品是否合格。鑄管承口的模型圖及截面圖如圖1所示。

圖1 鑄管承口的模型圖及截面圖

鑄管承口非接觸式測量裝置的檢測過程主要包括自動判斷鑄管規(guī)格、自動調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)、采集及處理測量數(shù)據(jù)及承口圓度計(jì)算算法。鑄管承口非接觸式測量裝置的模型圖如圖2所示，鑄管承口非接觸式測量裝置的測量流程圖如圖3所示。

圖2 鑄管承口非接觸式測量裝置的模型圖

檢測流程圖如下圖3所示

圖3 鑄管承口自動檢測裝置檢測流程圖

2 鑄管承口非接觸式測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 判斷鑄管規(guī)格

為了保證鑄管承口自動檢測裝置能夠適用于DN800mm、DN900mm、DN1000mm、DN1100mm、DN1200mm 5種規(guī)格的鑄管，在檢測開始前需要確定鑄管的規(guī)格。自動判斷鑄管規(guī)格的方法是在不影響鑄管進(jìn)出檢測工位的前提下，在鑄管承口上方安裝一組測距傳感器，檢測每根鑄管外表面到傳感器的距離L1、L2、L3、L4、L5，分別對應(yīng)相應(yīng)的鑄管規(guī)格，進(jìn)而確定鑄管軸線的位置并機(jī)器人末端夾具中心線調(diào)整到該類型鑄管軸線相重合的位置以便下一步的姿態(tài)自動調(diào)整，進(jìn)而自動選擇控制系統(tǒng)中相應(yīng)的檢測子程序進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)處理。判斷鑄管規(guī)格的原理圖如圖4所示。

圖4 判斷鑄管規(guī)格的原理圖

2.2 機(jī)器人姿態(tài)的自動調(diào)整

鑄管承口端面是鑄造面，且鑄管外形較大，來料工位的定位精度不高，導(dǎo)致尺寸檢測時(shí)，很難找到統(tǒng)一的測量基準(zhǔn)，無法保證檢測傳感器沿鑄管端面的法向量進(jìn)入。由于無法有效獲得統(tǒng)一外部測量基準(zhǔn)，為了保證機(jī)器人末端能夠沿著鑄管承插口軸線方向進(jìn)入承口進(jìn)行測量，需要能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的自動調(diào)整。機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整過程如下：

(1)機(jī)器人工具在管子外，機(jī)器人沿工具坐標(biāo)系z軸向管子運(yùn)動，其中一個(gè)傳感器(設(shè)為a)發(fā)射的激光剛好被管子擋住，機(jī)器人停止。激光和管子交點(diǎn)為a_point，上位機(jī)記錄a號傳感器測量得到的距離a_dis并發(fā)送給機(jī)器人。

(2)機(jī)器人以a_point為原點(diǎn)(保持a_point不動)，讓其他兩個(gè)傳感器向管子運(yùn)動，直到第二個(gè)傳感器(設(shè)為b)發(fā)射的激光剛好被管子擋住，機(jī)器人停止。激光和管子交點(diǎn)為b_point，上位機(jī)記錄b號傳感器測量得到的距離b_dis并發(fā)送給機(jī)器人。

(3)機(jī)器人保持a_point、b_point不動，讓c傳感器向管子運(yùn)動，直到c傳感器發(fā)射的激光剛好被管子擋住。

機(jī)器人姿態(tài)的自動調(diào)整原理圖如圖5所示：

圖5 機(jī)器人自動調(diào)整姿態(tài)原理圖

2.3 測量數(shù)據(jù)的采集

機(jī)器人末端安裝3組激光測距傳感器，每組傳感器之間的夾角均為120°，3組傳感器距離機(jī)器人末端回轉(zhuǎn)中心距離相等。利用上位機(jī)控制機(jī)器人動作，機(jī)器人末端沿鑄管端面圓心的法向量方向進(jìn)入管道進(jìn)行測量，在進(jìn)入鑄管待測區(qū)域時(shí)，3組傳感器發(fā)射激光至鑄管的內(nèi)表面后，反射至傳感器上的接收裝置，從而測出傳感器末端至管道內(nèi)壁的相對距離，再將傳感器末端至夾具中心點(diǎn)的距離與之相加即可得到夾具中心點(diǎn)至管道內(nèi)壁的實(shí)際距離，沿著鑄管端面圓心法線方向進(jìn)行勻速移動的同時(shí)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的采集，移動的距離即為承口的軸向深度。然后在保證3組傳感器姿態(tài)和夾具中心點(diǎn)位置不變的前提下，分別將機(jī)器人第六軸旋轉(zhuǎn)30°、60°和90°的情況下重復(fù)上述測量過程。由于3組傳感器的安裝夾角為120°，這樣就可以得到承口圓柱臺階面上每隔30°的一組測量值，共計(jì)12組測量數(shù)值，上傳至工控機(jī)中的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。傳感器模型圖及采集到的數(shù)據(jù)的擬和曲線圖如圖6所示。

圖6 傳感器模型圖及數(shù)據(jù)擬合曲線圖

2.4 測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

激光傳感器采集到承口數(shù)據(jù)后，為了排除鑄管承口內(nèi)表面附著物及鑄造缺陷造成的噪聲數(shù)據(jù)干擾，需要對承口測得的數(shù)據(jù)值進(jìn)行濾波去噪處理。采用“限幅平均濾波法”，對每次采樣的新數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅處理，過濾掉突變比較大的數(shù)值，再送入隊(duì)列遞推平均濾波處理。然后將承口的每個(gè)臺階面測得的數(shù)據(jù)取平均值生成擬合曲線，即為該傳感器在該臺階處測得的數(shù)據(jù)曲線。然后取臺階面上合適位置截面處的傳感器測得的數(shù)據(jù)值，導(dǎo)入到圓度求解算法中，計(jì)算求解鑄管承口在該截面處的尺寸值及圓度值。機(jī)器人帶動傳感器運(yùn)動時(shí)，啟動傳感器異步采集，采集數(shù)據(jù)緩沖到DSP板卡的緩存中，運(yùn)動結(jié)束后，通過PCI-E結(jié)構(gòu)讀取緩存中的數(shù)據(jù)，最高采集速度可以達(dá)到250 kS/s。這樣在最難以測量的寬度僅為5 mm的D3面上也可以采集多達(dá)120個(gè)有效數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)濾波去噪原理圖如圖7所示，篩選及濾波處理后的數(shù)據(jù)曲線圖如圖8所述。

圖7 數(shù)據(jù)濾波去噪原理圖

圖8 篩選及濾波處理后的數(shù)據(jù)曲線圖

3 鑄管承口圓度求解算法

由于檢測過程中傳感器中心在端面圓心法線上，且夾具上的3組傳感器按間隔120°等距安裝，經(jīng)過濾波去噪處理后，取承口各臺階面上適當(dāng)位置處的傳感器測得的數(shù)據(jù)值如圖9a1、a2、a3…a12，導(dǎo)入到圓度求解算法中，計(jì)算求解鑄管承口在該截面處的尺寸值及圓度值。采用“不共線三點(diǎn)定圓”法，取12個(gè)數(shù)值中的3個(gè)不相鄰的3個(gè)數(shù)值作為一個(gè)數(shù)據(jù)組，來求取這3個(gè)數(shù)值對應(yīng)的外接圓直徑d1(為了提高檢測精度，選取3個(gè)數(shù)值時(shí)，不取相鄰的3個(gè)數(shù)值)。依次類推，求得不同數(shù)據(jù)組對應(yīng)的外接圓直徑d2、d3、d4…dn，比較外接圓直徑d1、d2…dn的最大值和最小值，即為承口在該臺階面上內(nèi)徑的最大值和最小值，兩者對應(yīng)的半徑之差即為承口在該臺階處的圓度形狀誤差。求解后將結(jié)果輸出至顯示裝置，并圖形顯示該臺階面上內(nèi)徑最大值和最小值在承口上的實(shí)際位置[8]。鑄管圓度求解算法的原理圖如圖9所述，上位機(jī)軟件界面圖如圖10所述。

圖9 鑄管圓度求解算法的原理圖

圖10 上位機(jī)軟件界面圖

4 鑄管承口非接觸式測量系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測

將鑄管承口非接觸式測量裝置安裝至鑄管承口生產(chǎn)現(xiàn)場，搭建鑄管承口非接觸式測量平臺如圖11所示，對光電傳感器安裝板進(jìn)行尺寸標(biāo)定，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)如圖12所述，對現(xiàn)場鑄管規(guī)格進(jìn)行自動識別，上位機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)器人對鑄管承插口進(jìn)行非接觸式測量，并采集數(shù)據(jù)計(jì)算，將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，基本符合要求。測量結(jié)果如圖13所示。

圖11 搭建鑄管承口非接觸式測量平臺

圖12 鑄管承口非接觸式測量平臺相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置

圖13 鑄管承口非接觸式測量計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

本文搭建的智能非接觸式測量平臺，對鑄管承口實(shí)現(xiàn)高精度自動化檢測。利用上位機(jī)控制機(jī)器人自動調(diào)整姿態(tài)，使得檢測平臺不受鑄管承口形狀偏差的影響，提高了檢測系統(tǒng)的適用性，能夠廣泛應(yīng)用于各種形狀的管道內(nèi)徑和圓度形狀誤差的高精度檢測。系統(tǒng)采用先進(jìn)的測量裝置，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并利用工控機(jī)開發(fā)圓度計(jì)算算法，極大地提高了鑄管承口的測量精度，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，提升了鑄管生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測效率。