本發(fā)明涉及工程機械自動化和高精度機械加工，尤其是涉及一種反應釜封頭移動測量與開孔一體化機器人及作業(yè)方法。

背景技術：

1、隨著目前對進行化學實驗和工業(yè)生產設備的容器精度要求提高，這對于反應釜封頭的加工精度也提出了更高的要求。

2、在現有生產加工過程中，由于封頭較大(最大直徑可達到3.5米)，導致人工吊裝時的擺放位置偏差較大、存在加工誤差且每次切割開孔都需要多名工人手動進行測量、定位、畫線和確定中心點，這種方法不僅耗時長、效率低，而且存在較大的誤差風險，無法滿足高精度的加工需求。特別是在面對大型封頭時，人工操作的穩(wěn)定性和一致性難以保證，成為了切割開孔過程中的瓶頸。

3、目前大型構件如航空航天、風電機葉片所使用的移動測量開孔方法為全局測量定位與局部測量定位多尺度結合方法，如公開號為cn109990701a的發(fā)明公開了一種大型復雜曲面三維形貌機器人移動測量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括結構光三維掃描設備、工業(yè)機器人、自主移動平臺、立體視覺測量設備和地面定位靶標；所述方法采用上述系統(tǒng)進行測量包括如下步驟：標定定位靶標在全局坐標系下的坐標；標定機器人手眼關系；規(guī)劃自動測量路徑；獲取各站位點云數據；獲取各站位點云位姿；多站位點云數據對齊。但是，上述多尺度、測量結合的方法固然精密，但對于普通大型構件加工顯然是不小的負擔，從測量難度和成本方面考慮，上述定位方法顯然不適用于普通大型構件的加工。

4、目前，對于化工反應釜封頭加工場景始終存在著工人勞動強度大、工作過程單一、工人開孔加工效率低，并且在一些特定廠房區(qū)域作業(yè)存在風險事故等問題。因此首要任務是為了克服在反應釜封頭工程中存在著需要人工進行標定測量、劃線定位，在不同測量位置進行調節(jié)，重復測量工作強度大等問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在需要人工測量開孔、龍門架固定開孔不能解決原位測量的缺陷而提供一種包含測量定位、切割開孔的移動作業(yè)一體化的反應釜封頭移動測量與開孔一體化機器人及作業(yè)方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現：

3、本方案提供了一種反應釜封頭移動測量與開孔一體化機器人，包括控制模塊以及控制模塊連接的移動平臺、多軸機械臂、測量模塊和開孔模塊；所述多軸機械臂的一端安裝在移動平臺上，所述測量模塊和開孔模塊集成設置在多軸機械臂的另一端；

4、所述移動平臺用于帶動機器人移動，所述多軸機械臂根據控制模塊的指令調整測量模塊和開孔模塊的位置和姿態(tài)，所述測量模塊用于對封頭進行點云掃描，所述開孔模塊用于封頭的開孔和打坡口，所述控制模塊用于接收測量模塊采集的數據，并確定封頭的開孔位置，且所述控制模塊用于控制機器人的動作、測量模塊的測量路徑以及開孔模塊的開孔姿態(tài)。

5、進一步地，所述測量模塊包括激光測距傳感器和3d結構光相機，所述3d結構光相機用于采集封頭的三維形狀，生成對應的點云信息，并將點云信息輸送至控制模塊；所述激光測距傳感器用于測量模塊和開孔模塊的定位。

6、進一步地，所述開孔模塊包括等離子切割機和移動導軌，所述移動導軌安裝在多軸機械臂的末端，所述等離子切割機可移動安裝在移動導軌上，所述移動導軌用于調節(jié)等離子切割機的位置；所述等離子切割機還連接伺服電機，所述伺服電機用于調節(jié)等離子切割機的傾角。

7、進一步地，，所述等離子切割機的一側安裝有彈簧滾輪，當等離子切割機作業(yè)時，所述彈簧滾輪與封頭表面接觸。

8、進一步地，所述移動平臺上設有慣性測量單元、視覺相機和激光雷達，用于移動平臺的環(huán)境感知與動態(tài)避障；所述移動平臺的下端設有車輪，所述車輪上設有鎖緊件，所述鎖緊件用于固定車輪的移動。

9、本方案還提供了一種反應釜封頭移動測量與開孔一體化機器人的作業(yè)方法，包括以下步驟：

10、獲取封頭的直徑和多軸機械臂的臂展，并將多軸機械臂的臂展與封頭的直徑進行比較，判斷封頭上開孔位置的測量方法和開孔方法；

11、若封頭的直徑與多軸機械臂的臂展的比值小于或等于第一閾值，通過測量模塊采用固定點位測量方法確定封頭上開孔位置，并標定關鍵特征點；

12、若封頭的直徑與多軸機械臂的臂展的比值大于第一閾值，通過測量模塊配合移動平臺采用多次轉站測量方法確定封頭上開孔位置，并標定關鍵特征點；

13、若封頭的直徑與多軸機械臂的臂展的比值小于或等于第二閾值，通過開孔模塊采用固定點位開孔方法在標定的關鍵特征點位置進行開孔和打坡口作業(yè)；

14、若封頭的直徑與多軸機械臂的臂展的比值大于第二閾值，通過開孔模塊配合移動平臺采用轉站開孔方法在標定的關鍵特征點位置進行開孔和打坡口作業(yè)。

15、進一步地，所述測量模塊包括3d結構光相機，所述3d結構光相機用于采集封頭的三維形狀，生成對應的點云信息，所述固定點位測量方法包括以下步驟：

16、通過3d結構光相機獲取封頭的結構輪廓；將封頭的結構輪廓以圓心劃分為三個扇形區(qū)域，各個扇形區(qū)域的圓心角均為120°；由封頭的結構輪廓中心開始，將多軸機械臂依次在三個扇形區(qū)域內移動；

17、通過3d結構光相機對每個扇形區(qū)域進行掃描，并對各個扇形區(qū)域內的掃描數據實時拼接；根據三個扇形區(qū)域的掃描數據，生成封頭的完整點云模型；

18、將封頭的完整點云模型數據傳輸至控制模塊，結合開孔的預設位置和尺寸，確定封頭待加工區(qū)域的具體坐標，并標定關鍵特征點。

19、進一步地，所述多次轉站測量方法包括以下步驟：

20、通過測量模塊獲取封頭的結構輪廓；將封頭的結構輪廓以圓心劃分為三個扇形區(qū)域，各個扇形區(qū)域的圓心角均為120°；在封頭三個扇形區(qū)域外設置對應的三個標定板，將外置的標定板進行內外參標定，獲取對應的標定參數；

21、通過移動平臺帶動測量模塊移動，配合測量模塊掃描三個標定板，確定測量模塊與封頭的相對位置，對第一個扇形區(qū)域進行點云掃描；通過移動平臺帶動測量模塊移動，重復第一個扇形區(qū)域內的掃描動作，獲取第二個和第三個扇形區(qū)域的點云掃描；

22、將三個扇形區(qū)域的點云掃描數據融合，得到封頭完整的點云模型，結合開孔的預設位置和尺寸，確定封頭待加工區(qū)域的具體坐標，并標定關鍵特征點。

23、進一步地，所述開孔模塊包括等離子切割機，所述固定點位開孔方法包括以下步驟：

24、獲取測量模塊的測量結果和封頭的設計圖紙，計算封頭上每個開孔的坐標、深度和坡口角度；

25、根據開孔信息，通過控制模塊規(guī)劃多軸機械臂的移動路徑，通過多軸機械臂帶動離子切割機移動；

26、將移動平臺移動到預設位置后固定，通過離子切割機結合開孔信息，在指定封頭的指定位置進行開孔和坡口加工。

27、進一步地，所述開孔模塊包括等離子切割機、伺服電機和移動導軌，所述移動導軌用于調節(jié)等離子切割機的位置，所述伺服電機用于調節(jié)等離子切割機的傾角；所述轉站開孔方法包括以下步驟：

28、根據控制模塊確定的開孔的位置和尺寸，啟動等離子切割機進行封頭開孔；通過移動導軌調節(jié)等離子切割機的開孔直徑；

29、根據開孔坡口傾角，通過伺服電機調節(jié)等離子切割機的傾斜角度，配合測量模塊實時監(jiān)測等離子切割機與封頭的相對位置，若檢測到表面不平整，通過伺服電機進一步調節(jié)等離子切割機的傾斜角度；

30、完成當前區(qū)域的開孔作業(yè)后，通過移動平臺將機器人轉移到下一個區(qū)域，重復上一區(qū)域的開孔動作，直至完成封頭上的全部開孔。

31、與現有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

32、(1)本方案中測量模塊對封頭工件進行掃描，得到封頭工件對應的空間點云模型，結合設計的開孔信息，確定開孔的位置、尺寸以及坡口傾角，開孔模塊根據確定的開孔和坡口信息，在封頭上進行開孔和打坡口作業(yè)。通過控制模塊，移動平臺和多軸機械臂對測量模塊和開孔模塊的空間姿態(tài)和位置進行調節(jié)。

33、相比于現有的通過人工操作定位配合固定龍門架進行封頭開孔，通過移動測量與開孔集成的機器人作業(yè)，能夠實現反應釜封頭的原位置加工，不需要移動封頭位置，提高反應釜封頭開孔工作效率、提升車間自動化及數字化水平，在封頭上的開孔定位準確度更高。

34、(2)本方案中開孔模塊與測量模塊在多軸機械臂末端的移動導軌上集成安裝，所述等離子切割頭配置在移動導軌上，可以使等離子切割頭在特定范圍內沿著導軌的固定方向移動。使得整個系統(tǒng)可以實現測量、加工的連續(xù)化操作，減少了傳統(tǒng)設備中測量與開孔設備分離導致的操作誤差。

35、(3)本方案在等離子切割頭的側面位置特別設計并安裝彈簧滾輪，彈簧滾輪能夠在等離子切割過程中與反應釜封頭表面保持接觸，在加工過程中防止切割頭因不規(guī)則表面或誤差而與反應釜封頭發(fā)生直接碰撞，不僅提高切割過程的安全性，也避免因碰撞而導致的加工質量下降或設備損壞。

36、(4)本方案中根據封頭直徑與多軸機械臂的臂展之間的尺寸關系，確定的固定移動的測量方法以及通過移動平臺移動，多角度測量封頭構建點云模型的測量方法，且配合有對應的封頭開孔和打坡口，適應各種尺寸的封頭加工，靈活性高且適用范圍廣。