本發(fā)明屬于水輪機(jī)在位機(jī)器人自動(dòng)打磨加工領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于三維測(cè)量的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁在位機(jī)器人自動(dòng)打磨方法。

背景技術(shù)：

1、水輪機(jī)作為水力發(fā)電設(shè)備的核心部件，其在長(zhǎng)期運(yùn)行中受到水流的沖擊、磨損和腐蝕等因素的影響，可能導(dǎo)致葉片或轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁表面產(chǎn)生裂紋或損傷，進(jìn)而影響水輪機(jī)的發(fā)電效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的維護(hù)方法通常需要將水輪機(jī)停機(jī)，然后通過(guò)人工檢查和修復(fù)來(lái)解決問(wèn)題，這種方法不僅耗時(shí)耗力，而且可能會(huì)影響到發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2、為了提高水輪機(jī)維護(hù)效率和質(zhì)量，以及降低維護(hù)成本，引入了自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的定期檢測(cè)、維護(hù)和修復(fù)。這種技術(shù)背景下的自動(dòng)化打磨方法，利用機(jī)器人系統(tǒng)在水輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行操作，通過(guò)精確地定位表面的損傷和裂紋，并進(jìn)行高效的打磨修復(fù)工作，通過(guò)在水輪機(jī)內(nèi)設(shè)置自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人能夠按照預(yù)設(shè)的路徑依次移動(dòng)到每個(gè)打磨區(qū)域。這種技術(shù)背景下的自動(dòng)化打磨，需要能夠生成打磨軌跡，才能進(jìn)行自動(dòng)打磨，現(xiàn)有技術(shù)中還未公開(kāi)自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)打磨方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于三維測(cè)量的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁在位機(jī)器人自動(dòng)打磨方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)內(nèi)壁大幅面的打磨修復(fù)作業(yè)，提高水輪機(jī)維護(hù)效率。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于三維測(cè)量的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁在位機(jī)器人自動(dòng)打磨方法，包括以下步驟：

3、s1、設(shè)計(jì)多個(gè)標(biāo)識(shí)體，沿水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁的圓周方向均勻分布，根據(jù)機(jī)械臂的工作半徑，設(shè)定單個(gè)打磨區(qū)域的圓周寬度，將內(nèi)壁表面劃分為多個(gè)打磨區(qū)域，等間距布置標(biāo)識(shí)體，并計(jì)算移動(dòng)小車(chē)和機(jī)械臂在每個(gè)區(qū)域處的位置和姿態(tài)；

4、s2、控制移動(dòng)小車(chē)和機(jī)械臂依次移動(dòng)到指定位置，進(jìn)行單區(qū)域的掃描測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，提取標(biāo)識(shí)體的幾何特征，并在每個(gè)標(biāo)識(shí)體處分別建立坐標(biāo)系；

5、s3、根據(jù)內(nèi)壁單區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算生成打磨軌跡；

6、s4、重復(fù)執(zhí)行步驟s2和s3，得到所有打磨區(qū)域的打磨軌跡，然后根據(jù)區(qū)域內(nèi)標(biāo)識(shí)體坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)相鄰打磨區(qū)域的軌跡進(jìn)行拼接，機(jī)器人按照拼接后的打磨軌跡進(jìn)行打磨。

7、優(yōu)選的方案中，所述步驟s1中，包括以下步驟：

8、s11、將三個(gè)直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)球{ssmall、smedi、slarge}安裝在同一個(gè)底座上，組成一個(gè)標(biāo)識(shí)體i；

9、s12、確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁需要打磨的圓周區(qū)域，從圓周的一個(gè)固定起點(diǎn)開(kāi)始，按照等間距的方式逐個(gè)布置標(biāo)識(shí)體，劃分打磨區(qū)域{a1,a2,…,an}，同時(shí)保證每塊打磨區(qū)域，都有左右兩個(gè)標(biāo)識(shí)體{ileft、iright}；

10、s12、根據(jù)機(jī)械臂的工作半徑，設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)體間距以確保單次移動(dòng)圓周導(dǎo)軌上小車(chē)的位置時(shí)，能夠在測(cè)量中覆蓋到區(qū)域兩側(cè)的標(biāo)識(shí)體{ileft、iright}；

11、s13、三維測(cè)量?jī)x安裝在機(jī)械臂的末端，機(jī)械臂則固定在沿圓周導(dǎo)軌移動(dòng)的移動(dòng)小車(chē)平臺(tái)上，針對(duì)單塊打磨區(qū)域，設(shè)計(jì)移動(dòng)小車(chē)平臺(tái)的中心位置位于該弧形區(qū)域的中心垂直平面上；

12、s14、使用機(jī)器人虛擬仿真軟件，示教機(jī)械臂的測(cè)量姿勢(shì)，確保在移動(dòng)小車(chē)保持靜止的情況下，機(jī)械臂能夠完成對(duì)兩側(cè)標(biāo)識(shí)體的掃描測(cè)量，獲取每塊打磨區(qū)域{ai|i＝1～n}以及移動(dòng)小車(chē)和機(jī)械臂的測(cè)量位置和姿態(tài)。

13、優(yōu)選的方案中，所述步驟s2中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，提取標(biāo)識(shí)體的幾何特征，并在每個(gè)標(biāo)識(shí)體處分別建立坐標(biāo)系，包含以下步驟：

14、s21、對(duì)安裝在機(jī)械臂末端的三維測(cè)量?jī)x進(jìn)行手眼標(biāo)定，利用手眼矩陣和坐標(biāo)變換，在每次測(cè)量后獲取位于機(jī)器人基坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)掃描測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲干擾點(diǎn)去除和點(diǎn)云濾波，獲得精簡(jiǎn)后的單區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

15、s22、在標(biāo)識(shí)體的cad模型中，以標(biāo)準(zhǔn)球slarge的球心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以為坐標(biāo)系x軸方向，以為坐標(biāo)系y軸方向，構(gòu)建標(biāo)識(shí)體的理論坐標(biāo)系；

16、s23、使用標(biāo)識(shí)體的理論cad模型作為參考模型，通過(guò)模板匹配算法提取測(cè)量數(shù)據(jù)中所有標(biāo)識(shí)體的特征點(diǎn)云，并計(jì)算實(shí)際標(biāo)識(shí)體在機(jī)器基坐標(biāo)系下的變換矩陣；

17、s24、對(duì)于起始打磨圓周區(qū)域a1，測(cè)量數(shù)據(jù)中只包含一個(gè)右側(cè)標(biāo)識(shí)體特征及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系對(duì)于其他區(qū)域{ai|i＝2～n}，測(cè)量數(shù)據(jù)包含左右兩側(cè)標(biāo)識(shí)體特征及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系為

18、優(yōu)選的方案中，所述步驟s3中，包含以下步驟：

19、s31、對(duì)于每塊打磨區(qū)域{ai|i＝1～n}，均以區(qū)域內(nèi)右側(cè)標(biāo)識(shí)體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系計(jì)算單區(qū)域內(nèi)的打磨軌跡；

20、s32、根據(jù)單區(qū)域內(nèi)右側(cè)標(biāo)識(shí)體基準(zhǔn)坐標(biāo)系及區(qū)域長(zhǎng)寬信息，截取區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并設(shè)定基準(zhǔn)坐標(biāo)系的y軸為工具進(jìn)給方向；

21、s33、以點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建曲面點(diǎn)云kd-tree索引，確定取點(diǎn)范圍，遍歷點(diǎn)云找到初始點(diǎn)，搜索得臨近點(diǎn)，多點(diǎn)取質(zhì)心得控制點(diǎn)，基于控制點(diǎn)重新求解點(diǎn)云法線；

22、s34、由打磨工藝參數(shù)確定工具傾角以及磨盤(pán)半徑，基于刀尖點(diǎn)位置及法線求解刀軸矢量，以刀軸矢量為z軸，軌跡點(diǎn)進(jìn)給方向?yàn)閤軸，生成刀尖點(diǎn)處的打磨姿態(tài)，并計(jì)算得到單區(qū)域內(nèi)多段打磨軌跡，軌跡點(diǎn)用矩陣形式表達(dá)為：

23、

24、其中，i表示第i塊區(qū)域的打磨軌跡，j表示該區(qū)域內(nèi)軌跡段的數(shù)目，k代表單條打磨軌跡包含的軌跡點(diǎn)數(shù)目。

25、優(yōu)選的方案中，步驟s4中根據(jù)區(qū)域內(nèi)標(biāo)識(shí)體坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)相鄰打磨區(qū)域的軌跡進(jìn)行拼接，包含以下步驟：

26、s41、對(duì)每塊區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟s2，獲取左右兩個(gè)標(biāo)識(shí)體的坐標(biāo)系并計(jì)算變化矩陣

27、s42、在起始打磨區(qū)域a1，以坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)，按照步驟s3，生成該區(qū)域內(nèi)的打磨軌跡點(diǎn)，使用矩陣形式表現(xiàn)如下：

28、

29、其中，i表示第i塊區(qū)域的打磨軌跡，j1表示打磨區(qū)域a1內(nèi)軌跡段的數(shù)目，k代表單條打磨軌跡包含的軌跡點(diǎn)數(shù)目；

30、s43、對(duì)于鄰接打磨區(qū)域{ai|i＝2～n-1}，該區(qū)域內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)包含左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)標(biāo)識(shí)體坐標(biāo)系其中，左側(cè)標(biāo)識(shí)體與上個(gè)區(qū)域的右側(cè)標(biāo)識(shí)體為同一個(gè)標(biāo)識(shí)體，因此，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣將i-1區(qū)域的每段軌跡終點(diǎn)轉(zhuǎn)換到i區(qū)域內(nèi)，即：

31、

32、以第i-1區(qū)域每段軌跡終點(diǎn)作為第i區(qū)域內(nèi)的每段軌跡起點(diǎn)，按照步驟s3，生成該區(qū)域內(nèi)的打磨軌跡點(diǎn)；

33、s44、對(duì)于最終的打磨區(qū)域an，該區(qū)域內(nèi)的左側(cè)標(biāo)識(shí)體與第n-1區(qū)域內(nèi)的右側(cè)標(biāo)識(shí)體為同個(gè)標(biāo)識(shí)體，因此，以第n-1區(qū)域內(nèi)的每段軌跡終點(diǎn)作為第n區(qū)域內(nèi)每段軌跡的起點(diǎn)，以第1個(gè)區(qū)域內(nèi)的每段軌跡起點(diǎn)作為第n區(qū)域內(nèi)每段軌跡的終點(diǎn)，來(lái)計(jì)算最終區(qū)域的打磨軌跡，表達(dá)式為：

34、

35、s45、按照步驟s41～s45，通過(guò)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁沿圓周的上下區(qū)域路徑點(diǎn)拼接，機(jī)器人自動(dòng)重復(fù)相同的加工流程，完成多個(gè)圓周曲面的打磨工作。

36、本發(fā)明提供的一種基于三維測(cè)量的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁在位機(jī)器人自動(dòng)打磨方法，具有以下有益效果：

37、1、實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁大幅面的自動(dòng)化打磨修復(fù)作業(yè)，顯著提高了水輪機(jī)維護(hù)效率。

38、2、通過(guò)標(biāo)識(shí)體和坐標(biāo)系的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)打磨區(qū)域的精確定位和軌跡拼接，保證了打磨的連續(xù)性和均勻性。

39、3、自動(dòng)化程度高，減少了人工參與，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了作業(yè)安全性?？梢赃m應(yīng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁的復(fù)雜曲面，實(shí)現(xiàn)全面覆蓋的打磨作業(yè)。

40、4、通過(guò)數(shù)字化和自動(dòng)化的方法，提高了水輪機(jī)維護(hù)的精度和一致性，減少了維護(hù)停機(jī)時(shí)間，提高了水輪機(jī)的使用率，為水力發(fā)電提供了更穩(wěn)定的設(shè)備保障。