适用于小径清洁管道的分体式焊缝检测机器人设计与实现
作者单位：重庆理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：王毅;李小平
授予年度：2024年
学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
摘 要：近年来,随着我国工业化建设的发展,管道行业在国家相关政策的大力支持下,规模不断扩大。管道在能源输送、化学化工、药品制备、市政排污等场景广泛应用,这些领域的共同点在于都需要压力容器设备。压力容器设备由管道与反应罐体组成,实现了从“输入到“产出的转变,在各个领域中起到重要作用,已成为我国国民经济的重要支柱。随着管道应用场景和规模的扩大,在给我们带来便利与效益的同时也带来了安全问题,管道泄漏、爆炸、化学反应中毒等严重威胁人类生命和财产安全的事故频发。因此,对各类压力容器管道进行检测和维护具有十分重要的意义,能有效预防安全事故的发生,保障我们的生命财产安全。 目前的管道智能检测方式主要有管道机器人和工业内窥镜,市场上的管道机器人产品功能较强,但尺寸较大,只能用于市政等大型管道;针对原料制备、能源输送等小型管道只能采用功能较弱、尺寸较小的工业内窥镜。上述方法对于特殊场景的管道检测仍具有较大的局限性。基于以上情况,研发一款能够满足实际应用场景需求,提出一套用于小型管道检测的解决方案,具有一定的工程实际意义。 本课题来源于校企合作项目,待解决问题来源于压力容器管道设备生产制造过程中的质检环节。针对该环节中,难以高效稳定地进行2英寸清洁管道内壁焊缝检测识别与完整图像采集的工程问题,展开了以下研究: (1)建立了适用于2英寸清洁管道的分体式焊缝检测机器人结构模型。通过分析待检测管道的应用环境、典型结构和抛光处理工艺,根据公司使用要求提出了机器人开发的技术要求。根据技术要求,进行了几何约束计算,结合现有管道机器人各形式优缺点,完成了履带-轮组合的机器人结构形式设计和建模,并对机器人模型进行了动力学与运动学分析。在此基础上,在建模软件中对该结构模型进行了管道通过性仿真实验,验证其能够满足管内焊缝检测工作的移动载体要求。 (2)提出了一种管道内壁焊缝自动检测识别与全景图像采集方法。使用机器人模型组装了简要结构样机,并使用该样机携带摄像头进入管道内部进行内壁图像查看和采集。进一步使用XX图像分析软件分别读取光滑管壁和焊缝图像,对图像中亮度达到一定值的像素点进行红色标记,根据标记像素群区域分布特点,提出了一种适用于小径清洁管道的管道内壁焊缝自动检测识别方法,并通过多组图像示意图展示了该方法的实现过程。该方法通用于公司提供的机械抛光和电解抛光两种抛光处理工艺样品管道,并可根据需求调整识别条件阈值,提高焊缝检测的准确度。在成功识别焊缝的基础上,进而设计了全景图像采集的硬件执行方法并进行了全景图像还原效果验证。 (3)开发了分体式焊缝检测机器人控制系统。结合建立的分体式焊缝检测机器人结构形式和提出的管道内壁焊缝自动检测识别与全景图像采集方法,确定了机器人的目标功能,并完成了相关硬件的选型和设计,并完成了多硬件单独执行功能的开发。在各硬件可单独控制的基础上,进行功能集成设计,主要包括机器人手动驱动控制模式和焊缝识别与采集自动工作模式的控制流程设计,通过以上内容开发了该机器人的操作系统。 (4)制作了分体式焊缝检测机器人样机并进行实物验证。通过工业级3D打印机制作了该机器人的主体结构件,并完成了结构和硬件组装。在制作出较为成熟的样机后,测试了机器人样机的爬坡能力、管道通过性、焊缝检测识别与图像采集功能。在各部分性能达到设计标准后,根据工业应用情况,使用其公司提供的管道样品搭建了实验环境,并设计了测试焊缝检测识别准确率和图像采集有效率的实验方案。测试实验表明:机器人样机在结构上能够通过公司提供的2英寸待检测管道样品,最大攀爬角度为25°,在功能上能够较稳定的实现2英寸清洁管道内壁焊缝图像的自动检测识别与采集,在公司提供的样品管道中焊缝检测识别率最高达到了100%,平均有效采集率达到了97.50%,其工作效率远远高于公司原使用工业内窥镜的方法。
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