智能機器人型鋼加工系統(tǒng)研制

1、智能機器人型鋼加工系統(tǒng)研制作者：姚舜 蘆鳳桂當今現(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)自動控制系統(tǒng)，采用先進工藝及裝配手段，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、搬運過程中極易產(chǎn)生變形。使用傳統(tǒng)數(shù)控切割機和示教再現(xiàn)型機器人進行切割加工，對型鋼變形量的控制及其嚴格，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、線編程控制機器人應用于船用型鋼加工可以提高型鋼加工自動化水平，節(jié)約投資。本文討論的型鋼、劃線切割智能機器人系統(tǒng)，基于離線編程，不須示教，能自動檢測每一個型鋼的三維變形，并對二維平面內(nèi)的變形進行實時補償。 系統(tǒng)控制模塊 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1，機械臂由機器人車帶動沿導軌運動到確定位置，然后依次從左右槍架上取劃線槍、切割槍對型鋼進行劃線、切割。定義沿導軌方向為X軸方向，以Y方向為垂直于導軌方向。該系統(tǒng)采用傳感器對型鋼的在線檢測，可獲得型鋼實際形狀位置的三維空間尺寸，經(jīng)補償計算，轉(zhuǎn)化為型鋼加工圖形的坐標數(shù)據(jù)。并通過計算機與機器人的通訊，以控制機器人臂端移動軌跡，從而實現(xiàn)變形型鋼加工圖形坐標的在線補償。

3、 1- 機器人 2-傳感器車 3-傳感器車驅(qū)動電機 4-機器人車驅(qū)動電機 5-機器人車 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)包括六個子系統(tǒng)：主控計算機、測量系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、劃線系統(tǒng)、切割系統(tǒng)和其它輔助設備。系統(tǒng)采用集中式控制結(jié)構(gòu)，由主控計算機控制其它子模塊。主控計算機控制功能如下 1) 從文件服務器獲得任務，創(chuàng)造加工流程 2) 控制測量系統(tǒng)去測量型材的變形 3) 控制機器人動作 4) 控制三個夾槍氣爪的開合和其它輔助設備 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格的，因此，型材測量系統(tǒng)的設計和位置要素的補償是該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因素。測量系統(tǒng)的主要任務有兩個：一是測量型材在X-Y平面內(nèi)的變形，計算機補償?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，任何復雜的圖形都可以分解為直線和圓弧。如果給定兩點，直線的位置就可以確定；如果給定兩點和一個半徑，或給定三點，那么一個圓弧的位置就可以確定。這些點和半徑就是圖形的要素。因此定義圖形位置要素補償?shù)母拍睿簩碗s圖形分解為圓弧

5、和直線，分別對兩者的位置要素坐標進行補償。圖3是圓弧的位置要素補償?shù)膶嵗?圖a為標準工件尺寸，圖b為變形工件及補償尺寸。在變形型鋼的邊緣，曲線長為2m處作切線AB，在過切點的垂線CD上找點O'使CO'=0.5m，O'就是經(jīng)位置補償后得到的實際圓心位置，當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，計算機控制傳感器車沿Y方向運行。當傳感器接觸到型材邊緣后，繼續(xù)向前運動，在此過程中，PLC不斷讀取傳感器壓縮量，當傳感器壓縮至其工作量程的一半，傳感器小車停止。然后機器人車帶動傳感器沿X方向運動。型材邊緣的變形將轉(zhuǎn)化為傳感

6、器的壓縮量，供計算機補償使用。另外，為檢測高度方向型材變形，在機械手頭部也安裝一個位移傳感器，測量前，高度傳感器下降并壓在工件表面，隨著機器人車沿Y方向的運動，機械臂帶動在其頭部安裝的高度傳感器（也是一個位移傳感器）在型材上表面作“M”運動。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)對機器人高度坐標進行插值補償，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) 控制傳感器車運動并讀取位置傳感器數(shù)據(jù)。在PLC控制器中，各種運動命令已預先編好，并在每個命令語句中設置開關(guān)變量。主控計算機通過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PLC中某一運動

7、命令被執(zhí)行，則PLC向電機驅(qū)動器發(fā)送相應的運動控制信號，控制伺服電機的運動。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。計算機通過連續(xù)讀PLC中特定的寄存器，得到型材邊緣變形的數(shù)字值和電機狀態(tài)。(2)、讀高度方向變形數(shù)據(jù)。與上述原理相似，計算機讀機器人控制柜中的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)由兩個傳感器車，分別用于檢測兩個工作臺上的型鋼，其驅(qū)動電機分別由485串口1和串口2來控制。 智能機器人系統(tǒng)控制 智能機器人系統(tǒng)控制包括（圖5）：對機器人車的運動控制和對機器人的控制兩部分。主控計算機通過485串口控制

8、機器人車驅(qū)動電機，使機器人車沿X方向運動。其控制原理與傳感器車的控制是相似的，唯一區(qū)別是在電機驅(qū)動器里集成了類似PLC功能的部件，因此計算機可以直接發(fā)送控制信號到電機驅(qū)動器。另一方面，由于機器人車的運動是通過電機上的齒輪與導軌上的齒條相嚙合傳動的。這種傳動方式會在一定程度上產(chǎn)生傳動誤差，因此，需要在機器人車上配置外部編碼器，外部編碼器可得到機器人車在X方向上的實際運行位置。此實際位置值不斷被電機驅(qū)動器讀取，適時調(diào)整電機的轉(zhuǎn)動。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。 機器人控制器實際是一臺微機，因此，主控計算機可以與機器人微機通過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)絡通訊可以傳遞更多的數(shù)據(jù)流，適于對機器人的實時控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，使用以太網(wǎng)通訊控制機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基礎上提供了應用層協(xié)議RAP（Type application protocol），其中包括機器人基本功能的類函數(shù)，比如，走直線、走圓弧等函數(shù)，用戶只需在計算機上調(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，則價格昂貴的等離子加工設備將因短路而毀壞。因此在等離子設備的控制上，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和引弧信號通過機器人I/O控制外，還通過計算機I/O加使能控制信號。計算機發(fā)送控制信號到機器人控制柜，同時當I/O板發(fā)出使能信號，PLC中相應的輸出接觸器才會閉合，才能產(chǎn)生劃線引弧信號或切割引弧信號。如果有機器人故障或等離子