智能機(jī)器人型鋼加工系統(tǒng)研制

1、智能機(jī)器人型鋼加工系統(tǒng)研制作者：姚舜 蘆鳳桂當(dāng)今現(xiàn)代化船廠中，船用鋼板的切割，已從手工切割、光電跟蹤切割為主轉(zhuǎn)為數(shù)控切割為主，近幾年來數(shù)控切割技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。國外船廠普遍采用模塊原則和成組技術(shù)，廣泛利用生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)工藝及裝配手段，大大提高了生產(chǎn)率。我國造船業(yè)中，長期以來依靠操作人員的本身經(jīng)驗(yàn)在型材上劃線和切割，生產(chǎn)效率和劃線切割的精度很低。船用型鋼均為窄長型，在裝卸、存儲(chǔ)、搬運(yùn)過程中極易產(chǎn)生變形。使用傳統(tǒng)數(shù)控切割機(jī)和示教再現(xiàn)型機(jī)器人進(jìn)行切割加工，對型鋼變形量的控制及其嚴(yán)格，通常其允許的變形量為長度方向直線度±2mm/M，平面度±2mm/M1-2。離

2、線編程控制機(jī)器人應(yīng)用于船用型鋼加工可以提高型鋼加工自動(dòng)化水平，節(jié)約投資。本文討論的型鋼、劃線切割智能機(jī)器人系統(tǒng)，基于離線編程，不須示教，能自動(dòng)檢測每一個(gè)型鋼的三維變形，并對二維平面內(nèi)的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 系統(tǒng)控制模塊 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1，機(jī)械臂由機(jī)器人車帶動(dòng)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到確定位置，然后依次從左右槍架上取劃線槍、切割槍對型鋼進(jìn)行劃線、切割。定義沿導(dǎo)軌方向?yàn)閄軸方向，以Y方向?yàn)榇怪庇趯?dǎo)軌方向。該系統(tǒng)采用傳感器對型鋼的在線檢測，可獲得型鋼實(shí)際形狀位置的三維空間尺寸，經(jīng)補(bǔ)償計(jì)算，轉(zhuǎn)化為型鋼加工圖形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。并通過計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的通訊，以控制機(jī)器人臂端移動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)變形型鋼加工圖形坐標(biāo)的在線補(bǔ)償。

3、 1- 機(jī)器人 2-傳感器車 3-傳感器車驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4-機(jī)器人車驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5-機(jī)器人車 6-夾槍爪 7-高度傳感器 圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) Figure 1 The system overall architecture圖2為系統(tǒng)控制模塊示意圖。系統(tǒng)包括六個(gè)子系統(tǒng)：主控計(jì)算機(jī)、測量系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、劃線系統(tǒng)、切割系統(tǒng)和其它輔助設(shè)備。系統(tǒng)采用集中式控制結(jié)構(gòu)，由主控計(jì)算機(jī)控制其它子模塊。主控計(jì)算機(jī)控制功能如下 1) 從文件服務(wù)器獲得任務(wù)，創(chuàng)造加工流程 2) 控制測量系統(tǒng)去測量型材的變形 3) 控制機(jī)器人動(dòng)作 4) 控制三個(gè)夾槍氣爪的開合和其它輔助設(shè)備 5) 控制等離子劃線槍和切割槍的引弧 測量系統(tǒng)控制

4、 1 位置補(bǔ)償原理 在造船行業(yè)，對型材上所加工圖形的位置精度要求是嚴(yán)格的，因此，型材測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和位置要素的補(bǔ)償是該系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。測量系統(tǒng)的主要任務(wù)有兩個(gè)：一是測量型材在X-Y平面內(nèi)的變形，計(jì)算機(jī)補(bǔ)償?shù)闹饕谴似矫鎯?nèi)的變形。二是測量型材在高度方向上的變形，其目的是避免在劃線切割過程中，槍與工件的碰撞而產(chǎn)生短路。以下將介紹這個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理。 根據(jù)圖形的層次概念，任何復(fù)雜的圖形都可以分解為直線和圓弧。如果給定兩點(diǎn)，直線的位置就可以確定；如果給定兩點(diǎn)和一個(gè)半徑，或給定三點(diǎn)，那么一個(gè)圓弧的位置就可以確定。這些點(diǎn)和半徑就是圖形的要素。因此定義圖形位置要素補(bǔ)償?shù)母拍睿簩?fù)雜圖形分解為圓弧

5、和直線，分別對兩者的位置要素坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償。圖3是圓弧的位置要素補(bǔ)償?shù)膶?shí)例。 圖a為標(biāo)準(zhǔn)工件尺寸，圖b為變形工件及補(bǔ)償尺寸。在變形型鋼的邊緣，曲線長為2m處作切線AB，在過切點(diǎn)的垂線CD上找點(diǎn)O'使CO'=0.5m，O'就是經(jīng)位置補(bǔ)償后得到的實(shí)際圓心位置，當(dāng)切割完畢并校正工件后，O'位置將與O位置重合。 2 測量系統(tǒng)控制 測量系統(tǒng)工作原理：首先，計(jì)算機(jī)控制傳感器車沿Y方向運(yùn)行。當(dāng)傳感器接觸到型材邊緣后，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在此過程中，PLC不斷讀取傳感器壓縮量，當(dāng)傳感器壓縮至其工作量程的一半，傳感器小車停止。然后機(jī)器人車帶動(dòng)傳感器沿X方向運(yùn)動(dòng)。型材邊緣的變形將轉(zhuǎn)化為傳感

6、器的壓縮量，供計(jì)算機(jī)補(bǔ)償使用。另外，為檢測高度方向型材變形，在機(jī)械手頭部也安裝一個(gè)位移傳感器，測量前，高度傳感器下降并壓在工件表面，隨著機(jī)器人車沿Y方向的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂帶動(dòng)在其頭部安裝的高度傳感器（也是一個(gè)位移傳感器）在型材上表面作“M”運(yùn)動(dòng)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)對機(jī)器人高度坐標(biāo)進(jìn)行插值補(bǔ)償，就能有效地避免劃線、切割槍與工件的接觸。 圖4顯示了測量系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。此控制結(jié)構(gòu)包括兩部分：(1) 控制傳感器車運(yùn)動(dòng)并讀取位置傳感器數(shù)據(jù)。在PLC控制器中，各種運(yùn)動(dòng)命令已預(yù)先編好，并在每個(gè)命令語句中設(shè)置開關(guān)變量。主控計(jì)算機(jī)通過485串口發(fā)送開關(guān)變量值0或1到PLC ，控制命令語句的執(zhí)行和停止。當(dāng)PLC中某一運(yùn)動(dòng)

7、命令被執(zhí)行，則PLC向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。傳感器的壓縮量將轉(zhuǎn)化為電壓值，經(jīng)過PLC中的A/D模塊，轉(zhuǎn)化為型材邊緣變形的數(shù)字量，并存在特定的寄存器中。計(jì)算機(jī)通過連續(xù)讀PLC中特定的寄存器，得到型材邊緣變形的數(shù)字值和電機(jī)狀態(tài)。(2)、讀高度方向變形數(shù)據(jù)。與上述原理相似，計(jì)算機(jī)讀機(jī)器人控制柜中的I/O，得到型鋼在高度方向上的變形數(shù)據(jù)。需要說明的是本系統(tǒng)由兩個(gè)傳感器車，分別用于檢測兩個(gè)工作臺(tái)上的型鋼，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別由485串口1和串口2來控制。 智能機(jī)器人系統(tǒng)控制 智能機(jī)器人系統(tǒng)控制包括（圖5）：對機(jī)器人車的運(yùn)動(dòng)控制和對機(jī)器人的控制兩部分。主控計(jì)算機(jī)通過485串口控制

8、機(jī)器人車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使機(jī)器人車沿X方向運(yùn)動(dòng)。其控制原理與傳感器車的控制是相似的，唯一區(qū)別是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器里集成了類似PLC功能的部件，因此計(jì)算機(jī)可以直接發(fā)送控制信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。另一方面，由于機(jī)器人車的運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)上的齒輪與導(dǎo)軌上的齒條相嚙合傳動(dòng)的。這種傳動(dòng)方式會(huì)在一定程度上產(chǎn)生傳動(dòng)誤差，因此，需要在機(jī)器人車上配置外部編碼器，外部編碼器可得到機(jī)器人車在X方向上的實(shí)際運(yùn)行位置。此實(shí)際位置值不斷被電機(jī)驅(qū)動(dòng)器讀取，適時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。外部編碼器的使用有效地確保了系統(tǒng)在X方向上的位置精度。 機(jī)器人控制器實(shí)際是一臺(tái)微機(jī)，因此，主控計(jì)算機(jī)可以與機(jī)器人微機(jī)通過TCP/IP協(xié)議連成局域網(wǎng)。與使用其它通訊方式相比

9、，使用網(wǎng)絡(luò)通訊可以傳遞更多的數(shù)據(jù)流，適于對機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，使用以太網(wǎng)通訊控制機(jī)器人是一種比較完美的通訊方式。ABB公司在傳送協(xié)議TCP/IP基礎(chǔ)上提供了應(yīng)用層協(xié)議RAP（Type application protocol），其中包括機(jī)器人基本功能的類函數(shù)，比如，走直線、走圓弧等函數(shù)，用戶只需在計(jì)算機(jī)上調(diào)用這些函數(shù)即可。 劃線和切割系統(tǒng) 劃線系統(tǒng)包括劃線控制器和劃線槍，切割系統(tǒng)包括切割控制器和切割槍。等離子加工要求等離子槍和工件間的引弧、切割距離是3-6mm，如果大于此距離，將無法引弧或弧將熄滅。如果等離子槍與工件接觸，則價(jià)格昂貴的等離子加工設(shè)備將因短路而毀壞。因此在等離子設(shè)備的控制上，須盡可能采用一些安全的措施。從圖5可以看到除劃線信號(hào)和引弧信號(hào)通過機(jī)器人I/O控制外，還通過計(jì)算機(jī)I/O加使能控制信號(hào)。計(jì)算機(jī)發(fā)送控制信號(hào)到機(jī)器人控制柜，同時(shí)當(dāng)I/O板發(fā)出使能信號(hào)，PLC中相應(yīng)的輸出接觸器才會(huì)閉合，才能產(chǎn)生劃線引弧信號(hào)或切割引弧信號(hào)。如果有機(jī)器人故障或等離子