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專利名稱：一種管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金噴印技術(shù)，尤其涉及一種管體內(nèi)表面軸向或圓周方向噴印產(chǎn)品標(biāo)記的位形檢測及作業(yè)路徑方法。
背景技術(shù)：
冶金產(chǎn)品的在線噴印標(biāo)記是冶金過程中物流管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它利用介質(zhì)或外力在產(chǎn)品表面上標(biāo)記鋼種、規(guī)格等信息，用于用戶與后道工序的識(shí)別。鋼管產(chǎn)品或柱狀產(chǎn)品的外表面噴印可分為產(chǎn)品移動(dòng)、產(chǎn)品靜止兩種方式，其中產(chǎn)品移動(dòng)方式的噴印標(biāo)記一般通過固定在龍門支架的噴印頭在產(chǎn)品移動(dòng)中進(jìn)行噴印作業(yè)；產(chǎn)品靜止方式的噴印標(biāo)記則多采用懸臂梁支架，噴印臺(tái)車攜帶噴印頭進(jìn)行噴印作業(yè)。外表面噴印主要采用涂料或墨水，沿軸線方向在鋼管表面進(jìn)行噴印標(biāo)記。
大管徑鋼管的內(nèi)表面噴印相對于管外表面噴印有其特殊性1.噴印方式多樣，有管內(nèi)圓周方向多行噴印或管體軸線方向噴印；2.安全性，因結(jié)構(gòu)尺寸，需考慮避免噴印設(shè)備與管體的干涉碰撞；3.完備的管體尺寸及其位置檢測功能；4.可消除相關(guān)誤差的作業(yè)路徑規(guī)劃。
現(xiàn)有的管內(nèi)噴印標(biāo)記技術(shù)一般可分成二類一類是以機(jī)器人為執(zhí)行載體的管內(nèi)噴印裝置，依托機(jī)器人靈活、空間任務(wù)適應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)可完成管內(nèi)軸向與圓周方向的標(biāo)記任務(wù)；另一類為結(jié)合需求設(shè)計(jì)的專用設(shè)備，該類裝置適應(yīng)性差，針對性強(qiáng)，但無法適應(yīng)噴印作業(yè)任務(wù)的變更或拓展。
現(xiàn)有的管內(nèi)噴印裝置的位置形狀檢測與作業(yè)路徑確定方法有如下三種1.美國專利US5119109，提出了一種安裝在管內(nèi)或其它曲面內(nèi)的點(diǎn)陣涂料或墨水噴印頭，該噴印頭通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)，在沿著軸線移動(dòng)過程中噴印字符點(diǎn)陣。噴印機(jī)構(gòu)與鋼管的外表面接觸測距導(dǎo)引從當(dāng)前位置噴印到下一個(gè)字符。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中攜帶噴印頭完成噴印作業(yè)，可通過鋼管回轉(zhuǎn)進(jìn)行多行噴印。但它不具備管體位置形狀檢測功能，其通過手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置來適應(yīng)鋼管規(guī)格的變化，無管內(nèi)圓周方向的噴印與管外噴印的功能。
2.美國專利US4682182，利用機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，攜帶噴頭進(jìn)行鋼管管內(nèi)圓周方向的噴印作業(yè)。該專利針對固定管內(nèi)徑(或從上位機(jī)獲取規(guī)格尺寸)設(shè)定機(jī)器人末端路徑，通過光電傳感器確定噴印起始位置，進(jìn)行管內(nèi)圓周方向單行字的噴印作業(yè)。噴印頭前端設(shè)計(jì)了防撞裝置。該專利無管體位置和結(jié)構(gòu)尺寸的檢測裝置，且未充分利用機(jī)器人特點(diǎn)，進(jìn)行噴印作業(yè)及其路徑規(guī)劃，導(dǎo)致其裝置局限性較大，靈活性與適應(yīng)性差。
3.奧地利NUMTek_Interstahl公司管內(nèi)噴印產(chǎn)品，是以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人為執(zhí)行載體，具備管外直徑檢測與頭部防撞檢測，可執(zhí)行管內(nèi)圓周方向多行噴印與管外軸線方向噴印的功能。該裝置通過噴印頭上安裝的驅(qū)動(dòng)電機(jī)將噴頭在水平面上旋轉(zhuǎn)90°以實(shí)現(xiàn)圓周方向與軸線方向的噴印。該產(chǎn)品技術(shù)無鋼管端部位置檢測功能，難于保證美國石油協(xié)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定區(qū)域的噴印標(biāo)記；其鋼管外徑檢測器件安裝在靠近機(jī)器人末端執(zhí)行器一端，其檢測無法消除管內(nèi)噴印區(qū)段誤差，易導(dǎo)致噴印部件與管壁干涉；對結(jié)構(gòu)尺寸偏差較大的鋼管或運(yùn)輸步進(jìn)梁引起位置偏差，其硬件及其控制策略無法實(shí)現(xiàn)噴印標(biāo)記作業(yè)，容錯(cuò)性差。
上述的管體內(nèi)表面噴印技術(shù)存在的局限性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)1.管體端部位置檢測不完善，API對起始噴印位置離管端的距離有明確規(guī)定且大管徑鋼管端部定位誤差可達(dá)±50mm，無端部檢測對起始噴印位置的確定影響很大。
2.管體尺寸形狀檢測不完善。管體形位公差包括圓度、軸線的直線度、圓柱度。管體在輥道上存在水平面與垂直面兩個(gè)方向的位置偏差。一般涂料噴槍的有效噴印范圍在25mm～30mm之間，大管徑圓度誤差可達(dá)到±1.75％(對1000mm規(guī)格的鋼管，其直徑偏差為±17.5mm)，加上管體軸線直線度及輥道引起的累積誤差，在這種情況下，僅采用上位機(jī)發(fā)送的管體尺寸或通過管體外徑檢測的方法很難準(zhǔn)確反應(yīng)管體位置與形狀，無法確保噴印裝置安全和噴印質(zhì)量，可能導(dǎo)致噴印裝置與內(nèi)管壁碰撞，或引起噴印質(zhì)量不良及噴印作業(yè)無法完成。
3.作業(yè)路徑確定難于最大限度地消除相關(guān)累積誤差對作業(yè)和噴印質(zhì)量的影響?，F(xiàn)有噴印作業(yè)的路徑確定一方面在管體位置形狀檢測存在不足，另一方面在路徑確定上沒有考慮相關(guān)誤差對作業(yè)的影響，再加上管體管內(nèi)噴印作業(yè)為空間三維作業(yè)，其裝置的標(biāo)定困難，所以未考慮相關(guān)誤差的路徑規(guī)劃將影響噴印作業(yè)的正常進(jìn)行。對大管徑的輸油管來說，其結(jié)構(gòu)偏差與傳送裝置偏差過大時(shí)，按現(xiàn)有設(shè)定路徑將無法完成作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，該噴印作業(yè)路徑確定方法可消除相關(guān)誤差對噴印作業(yè)影響，防止噴印裝置碰撞管體內(nèi)壁，提高噴印質(zhì)量。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，其特征是在噴印區(qū)域內(nèi)選擇多個(gè)位置進(jìn)行三點(diǎn)測量，首先選擇兩個(gè)位置進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算出該位置的圓截面的圓心位置坐標(biāo)及半徑，接著根據(jù)差補(bǔ)法確定兩個(gè)位置間任一點(diǎn)圓心坐標(biāo)及半徑，再對該兩個(gè)位置間的噴印作業(yè)作出規(guī)劃；選擇另一位置再進(jìn)行三點(diǎn)測量，另一位置間的噴印作業(yè)規(guī)劃與上述相同；其具體步驟為(1)對起點(diǎn)位置B和在噴印區(qū)域內(nèi)的任一位置C進(jìn)行測量，其測量數(shù)據(jù)為B位置B1xB1yB1zB2xB2yB2zB3xB3yB3z;]]>C位置C1xC1yC1zC2xC2yC2zC3xC3yC3z]]>(2)計(jì)算出B、C測量位置圓截面的圓心位置坐標(biāo)及其半徑分別為Bcircle(Bx，By，Bz)，RBCcircle(Cx，Cy，Cz)，RC
(3)作業(yè)過程中管體軸線由Bcircle、Ccircle兩點(diǎn)決定，B、C測量位置之間圓截面的半徑Ri有以下公式用差補(bǔ)算法確定Ri=RB+RB-RClli---(5)]]>其中l(wèi)為B、C二測量位置軸線方向的距離，li為離B測量位置軸線方向的距離；(4)據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行B至C位置噴印作業(yè)的路徑規(guī)劃；(5)在位置C外再增加其它位置進(jìn)行三點(diǎn)測量，確定下一段的噴印作業(yè)路徑規(guī)劃，其步驟與(1)至(4)相同。
一個(gè)較佳的實(shí)施例是在噴印區(qū)域的二端進(jìn)行二組三點(diǎn)測量，確定噴印作業(yè)路徑規(guī)劃。
上述的管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，所述在噴印頭裝置端部裝有傳感器以測量管體端部位置值，確定在管體內(nèi)的噴印區(qū)起始點(diǎn)位置。
本發(fā)明是通過在管體內(nèi)部噴印區(qū)域進(jìn)行多位置多點(diǎn)測量，確定鋼管實(shí)際尺寸和位置，并確定噴印作業(yè)路徑，執(zhí)行管體內(nèi)表面圓周方向與軸線方向多行字符噴印標(biāo)記作業(yè)，消除相關(guān)誤差對噴印作業(yè)影響，防止噴印裝置碰撞管體，確保噴印質(zhì)量?？朔爽F(xiàn)有管內(nèi)噴印采用上位機(jī)發(fā)送的管體尺寸或通過對管體外部三點(diǎn)的測量來確定管體軸線位置及尺寸，容易與管體內(nèi)壁碰撞的缺陷。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為管體位置形狀檢測示意圖；圖2為管體在輥道的位置偏差示意圖(三視圖)；圖3為管體尺寸偏差及管體L長度上偏差示意圖；圖4為噴印作業(yè)路徑對比示意圖。
圖中1圓上限，2公稱圓，3圓下限；4本發(fā)明的噴印作業(yè)軌跡，5第一測量位置，6第二測量位置，7修正后軸線，8現(xiàn)有的噴印作業(yè)軌跡，9上位機(jī)及單截面多測量點(diǎn)確定軸線。
具體實(shí)施方式
一種管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，包含有(1)確定管體端部位置；(2)管體內(nèi)外徑檢測；(3)管體尺寸偏差與輥道偏差；(4)確定噴印作業(yè)路徑。下面結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
(1)確定管體端部位置，參見圖1。管體端部位置檢測作用是為了確定起始噴印的準(zhǔn)確位置，如API標(biāo)準(zhǔn)要求離管端Dp＝152.4mm(6英寸)開始噴印產(chǎn)品標(biāo)記。管體軸線位置及尺寸的測量是為了確定鋼管相對噴印裝置的實(shí)際位置，用于確定噴印裝置作業(yè)路徑。
本發(fā)明是在噴印頭裝置端部裝有傳感器以測量管體端部位置值，確定在管體內(nèi)的噴印區(qū)起始點(diǎn)位置。在噴印頭裝置端部的傳感器一是檢測，二是防碰撞，傳感器通過壓靠管端部獲得觸發(fā)信號(hào)，從而確定管體端部位置值，確保噴印起始位置在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。當(dāng)噴印裝置進(jìn)入管體內(nèi)部時(shí)，在噴印頭裝置上的另一傳感器測量的上升沿信號(hào)可作為管體端部位置檢測值的校核，以保證端部位置測量值的準(zhǔn)確性。圖1中B位置的B1、B2、B3點(diǎn)即為噴印區(qū)域起始位置。
(2)管體內(nèi)外徑檢測，參見圖1，本發(fā)明是采用“就近、多位置多點(diǎn)”的方法，即測量位置選擇在噴印區(qū)域，分別在噴印區(qū)域二端或根據(jù)實(shí)際情況選擇多個(gè)位置進(jìn)行三點(diǎn)測量，多個(gè)位置的測量可提高測量精度。本實(shí)施例中，如圖1所示，選擇在噴印區(qū)域兩端作為二組測量點(diǎn)(B1，B2，B3)，(C1，C2，C3)，根據(jù)該二組數(shù)據(jù)可計(jì)算出該圓截面的圓心位置及其直徑。并根據(jù)該二組數(shù)據(jù)可以確定噴印區(qū)域管體內(nèi)表面實(shí)際軸線，以及實(shí)際管徑及其變化?？勺畲笙薅鹊叵荏w尺寸以及輥道帶來的累積誤差，確保噴印作業(yè)完成。
(3)管體尺寸偏差與輥道偏差，管體在輥道上存在水平面與垂直面兩個(gè)方向的位置偏差?，F(xiàn)有管內(nèi)噴印采用上位機(jī)發(fā)送的管體尺寸或通過對管體外部A1、A2、A3三點(diǎn)的測量來確定管體軸線位置及尺寸，參見圖1，很難保證噴嘴和被噴表面之間的距離始終在有效噴印范圍內(nèi)，而且容易與內(nèi)管壁碰撞，無法確保噴印裝置安全。
本發(fā)明采用在噴印區(qū)域多位置多點(diǎn)測量方法，考慮到了管體在輥道上存在水平面與垂直面兩個(gè)方向的位置偏差，從而對噴印作業(yè)路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，保證了管體的噴印作業(yè)，防止與管體內(nèi)壁相碰撞。
參見圖2，首先分析在長為L的管體圓截面上相對應(yīng)點(diǎn)的最大累積誤差。管體在水平面上輥道軸線與管體軸線的角度偏差為±β，在垂直面上輥道軸線與管體軸線的角度偏差為±α。長為L的管體二端的A、B圓截面如圖3所示，管體圓度誤差為±e，管體A、B圓截面上對應(yīng)點(diǎn)P′、P″的累積誤差按如下方式確定在管長L上輥道引起的圓截面圓心的水平與垂直偏差m、n(如圖3所示)分別為m＝±Ltanα (1)n＝±Ltanβ (2)二圓截面圓心偏差dcircle為dcircle=m2+n2=L(tanα)2+(tanβ)2---(3)]]>這樣L長管體兩圓截面對應(yīng)圓周上同一點(diǎn)P的最大誤差derror為derror＝dcircle+2e+δ (4)其中δ為L長管體軸線的直線度誤差，e為管體圓度誤差。
從公式(4)中可以看出，現(xiàn)有管內(nèi)外噴印根據(jù)上位機(jī)及單個(gè)圓截面多點(diǎn)測量方法的不足之處，以及單個(gè)圓截面多點(diǎn)測量數(shù)據(jù)規(guī)劃作業(yè)路徑的缺陷，即用在圓截面A上測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，在B圓截面上存在的累積誤差可達(dá)derror，這樣可能導(dǎo)致噴頭與管壁碰撞；噴槍與管壁的距離過近時(shí)，噴點(diǎn)過小，且涂料或墨水易反濺到噴嘴上，導(dǎo)致噴嘴堵塞；噴槍與管壁的距離過遠(yuǎn)時(shí)，噴點(diǎn)過大，且發(fā)散，噴印效果很差。
(4)確定噴印作業(yè)路徑，本發(fā)明針對管體本身及其輥道的累積誤差，以噴印區(qū)域二端的二組三點(diǎn)測量為例，參見圖1，確定噴印作業(yè)路徑采取的步驟為1)對起點(diǎn)位置B和在噴印區(qū)域另一端位置C進(jìn)行測量，其測量數(shù)據(jù)為
B位置B1xB1yB1zB2xB2yB2zB3xB3yB3z;]]>C位置C1xC1yC1zC2xC2yC2zC3xC3yC3z]]>2)計(jì)算出B、C測量位置圓截面的圓心位置坐標(biāo)及其半徑分別為Bcircle(Bx，By，Bz)，RBCcircle(Cx，Cy，Cz)，RC3)作業(yè)過程中管體軸線由Bcircle、Ccircle兩點(diǎn)決定，B、C測量位置之間圓截面的半徑Ri有以下公式用差補(bǔ)算法確定Ri=RB+RB-RClli---(5)]]>其中l(wèi)為B、C二測量位置軸線方向的距離，li為離B測量位置軸線方向的距離；4)據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行B至C位置噴印作業(yè)的路徑規(guī)劃。
對撓度大或直線度不良的管體，可以按照以上步驟1)至4)，在噴印區(qū)域選擇多于二組的測量位置，提高測量精度，確保噴印作業(yè)的順利進(jìn)行。
參見圖4，本發(fā)明采用多位置多點(diǎn)測量方法得到修正后軸線7和截面半徑的噴印作業(yè)路徑軌跡4與現(xiàn)有單截面三點(diǎn)測量方法確定軸線9和截面半徑的噴印作業(yè)路徑軌跡8對比示意圖。本發(fā)明的修正后軸線7與現(xiàn)有上位機(jī)及單截面多測量點(diǎn)確定軸線9之間有偏差，其夾角為θ。因此本發(fā)明的測量、作業(yè)路徑確定方法可以有效地消除管體及其輥道帶來的累積誤差，提高作業(yè)精度，確保設(shè)備安全。
本發(fā)明可適用于管體外表面的噴印作業(yè)，以及帶卷內(nèi)外表面噴印作業(yè)。
以上借助較佳實(shí)施例描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是應(yīng)該理解的是，這里具體的描述不應(yīng)理解為對本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的限定，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員在閱讀本說明書后對上述實(shí)施例作出的各種修改，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，其特征是在噴印區(qū)域內(nèi)選擇多個(gè)位置進(jìn)行三點(diǎn)測量，首先選擇兩個(gè)位置進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算出該位置的圓截面的圓心位置坐標(biāo)及半徑，接著根據(jù)差補(bǔ)法確定兩個(gè)位置間任一點(diǎn)圓心坐標(biāo)及半徑，再對該兩個(gè)位置間的噴印作業(yè)作出規(guī)劃；選擇另一位置再進(jìn)行三點(diǎn)測量，另一位置間的噴印作業(yè)規(guī)劃與上述相同；其具體步驟為(1)對起點(diǎn)位置B和在噴印區(qū)域內(nèi)的任一位置C進(jìn)行測量，其測量數(shù)據(jù)為B位置B1xB1yB1zB2xB2yB2zB3xB3yB3z;]]>C位置C1xC1yC1zC2xC2yC2zC3xC3yC3z]]>(2)計(jì)算出B、C測量位置圓截面的圓心位置坐標(biāo)及其半徑分別為Bcircle(Bx，By，Bz)，RBCcircle(Cx，Cy，Cz)，RC(3)作業(yè)過程中管體軸線由Bcircle、Ccircle兩點(diǎn)決定，B、C測量位置之間圓截面的半徑Ri有以下公式用差補(bǔ)算法確定Ri=RB+RB-RClli---(5)]]>其中l(wèi)為B、C二測量位置軸線方向的距離，li為離B測量位置軸線方向的距離；(4)據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行B至C位置噴印作業(yè)的路徑規(guī)劃；(5)在位置C外再增加其它位置進(jìn)行三點(diǎn)測量，確定下一段的噴印作業(yè)路徑規(guī)劃，其步驟與(1)至(4)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，其特征是在噴印區(qū)域的二端進(jìn)行二組三點(diǎn)測量，確定噴印作業(yè)路徑規(guī)劃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，其特征是在噴印頭裝置端部裝有傳感器以測量管體端部位置值，確定在管體內(nèi)的噴印區(qū)起始點(diǎn)位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及冶金噴印技術(shù)，尤其涉及一種管體內(nèi)表面軸向或圓周方向噴印產(chǎn)品標(biāo)記的位形檢測及作業(yè)路徑方法。一種管體內(nèi)表面噴印作業(yè)路徑確定方法，其特征是在噴印區(qū)域內(nèi)選擇多個(gè)位置進(jìn)行三點(diǎn)測量，首先選擇兩個(gè)位置進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算出該位置的圓截面的圓心位置坐標(biāo)及半徑，接著根據(jù)差補(bǔ)法確定兩個(gè)位置間任一點(diǎn)圓心坐標(biāo)及半徑，再對該兩個(gè)位置間的噴印作業(yè)作出規(guī)劃；選擇另一位置再進(jìn)行三點(diǎn)測量，另一位置間的噴印作業(yè)規(guī)劃與上述相同。本發(fā)明的噴印作業(yè)路徑確定方法可以有效地消除管體及其輥道帶來的累積誤差，提高作業(yè)精度，確保設(shè)備安全。
文檔編號(hào)G01B21/04GK101045399SQ20061002518
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者吳瑞珉, 潘勝波, 金成國, 呂常青 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司