型材搬運上下料機器人研究_圖文

1、47卷第1期(總第172期中國造船V o l.47N o .1(Serial N o .1722006年3月SH IPBU I LD I N G O F CH I NA M ar .2006文章編號:100024882(20050420104207收稿日期:2004203208;修改稿收稿日期:2005206209型材搬運上下料機器人研究鄭紹春,孫超,李慧明,周永清(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,湖北武漢430063摘要為了解決在造船、造橋、建筑等鋼結(jié)構(gòu)制造工業(yè)中,實現(xiàn)鋼質(zhì)型材彎曲機、焊接機和切割機自動搬運上下料這一關(guān)鍵技術(shù)問題,本文提出了一種型材自動搬運上下料機器人的設(shè)計方案。作者較為詳盡地闡述了它

2、的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,提出了計算機視覺定位及控制方法,并對重型超長鋼質(zhì)型材搬運機器人進行了技術(shù)探討。關(guān)鍵詞:船舶、艦船工程;型材上下料;機器人;視覺定位;型材加工自動生產(chǎn)線中圖分類號:U 671.99文獻標識碼:A 1概述我國船廠的型材加工設(shè)備(如焊接機、切割機、彎曲機等,在加工型材上下料時,一般由操作工人借助車間的龍門吊車來完成。因為吊車與人協(xié)同,能利用一定長度的纜繩沿一定軌道在水平和豎直方向抓舉、提升和運輸型材。由于型材質(zhì)重、型長,吊運時存在搖擺和旋轉(zhuǎn),欲控制型材、精確定位、完成上下料操作,通常是一件費時費力的事情;吊車啟停與搬運路線人工控制,有時會帶有一定的隨意性與盲目性,使吊車運行的效率

3、不高,導(dǎo)致電能的浪費,增加了造船成本;同時,工人要抓住重型型材來阻止其振蕩、進行定位,這項工作對操作工人來說是危險的。為此,作者試圖用機器人替代傳統(tǒng)的吊車協(xié)同人上下料。借助機器人的超人功能,諸如出色的可重復(fù)性、定位的精確性和快速的移動性,來提高型材加工的效率,降低船舶建造成本,并將操作工人從危險工作環(huán)境中解放出來?；谶@一設(shè)想,國外有關(guān)科研機構(gòu)業(yè)已作了大量研究工作1,2。借鑒國外的研究成果,作者嘗試著對型材冷彎機自動上下料裝置進行了研究,旨在全面實現(xiàn)型材加工自動化及型材加工自動生產(chǎn)線。2型材上下料機器人主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理根據(jù)型材加工設(shè)備加工范圍和技術(shù)特征,型材上下料機器人應(yīng)滿足下述主要技術(shù)指標

4、:操作型鋼范圍:球扁鋼、扁鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼、T 型鋼;操作型鋼最大長度:12m ;操作型鋼線形:直線、曲線;活動工作空間X ×Y ×Z (長×寬×高:60m ×6m ×(0.72m ;搬運最大尺寸的型鋼計算重量:約600kg (以12m 長T 型材為例:10mm ×400mm 20mm ×125mm ;定位精度:±1mm 。上述技術(shù)指標具有如下所述的幾個技術(shù)特征:機器人工作的三維空間大,運動距離長,跨度大;搬運物體質(zhì)重、型長;加工型材的機械加工面為一平面,機械手可平面定位,但非直線;定位精度要求不

5、高。綜合上述特征,作者在最廣泛使用的工業(yè)機器人的幾種坐標系(直角坐標系、圓柱坐標系、球面坐標系、關(guān)節(jié)坐標系中,選用直角坐標系作為構(gòu)造型材上下料機器人主體結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。其優(yōu)點為:結(jié)構(gòu)簡單;編程容易;若采用直線滾動導(dǎo)軌,速度高、定位精度高;在X 、Y 和Z 三個坐標軸方向上的運動沒有耦合作用,較容易控制;活動范圍大。直角坐標系機器人至少有三個自由度。為了搬運曲線型材,其機械手的手指定位需增加一個繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的自由度,因而設(shè)計為四個自由度?？紤]到型材彎曲機、切割機和焊接機自動上下料機器人(見圖1,圖2,圖3操作的對象是重型超長型材,為使型材搬運在立體空間平穩(wěn)地平移,運行軌跡光順平滑,使型材在長度方

6、向的各個質(zhì)點均受到電磁力的約束,避免產(chǎn)生振蕩,故其設(shè)計應(yīng)由下述部分組成:雙固定導(dǎo)軌1(本例設(shè)為X 軸,長為60m ,見圖1;多門架(本例設(shè)為四門架:2A ,2B ,2C ,2D ,見圖1,跨度為6m ,跨度方向設(shè)為Y 軸;行走傳動機構(gòu)7(由于定位精度要求不高,采用齒輪齒條傳動,見圖2;提升機械手:3A ,3B ,3C ,3D ,見圖1(本例提升高度設(shè)為6m ,提升方向設(shè)為Z 軸;具有光學(xué)視覺定位功能的電腦裝置8,見圖2 。圖1型材上下料機器人的俯視圖型材上下料機器人搬運的有效面積接近船體車間行車的工作區(qū)域,所以它能很好地利用車間的空間。它可根據(jù)操作對象的長短確定采用多至四門架(一主動2A ,三

7、從動2B ,2C ,2D ,少到一門架(一主動2A 。門架與門架由左右側(cè)推拉杠(4A 1,4A 2,4B 1,4B 2聯(lián)動,門架與推拉杠連接靠電磁離合器(5A ,5B ,5C 離合,因而它們之間相對間距可調(diào)。掛在每個門架上的提升機械手3可隨門架橫梁2在直角坐標系里作三維運動,機械手三個手指(12,15,13中每個手指的末端連接一電磁鐵吸附塊(11,10,14,第一手指12與第三手指13可繞Z 軸旋轉(zhuǎn),滿足型材彎曲機9加工成型后的曲線零件6搬運要求。具有光學(xué)視覺(8定位功能的電腦裝置,可根據(jù)型材自動搬運、裝配、進料工藝文件轉(zhuǎn)換的輸入輸出定位指令來進行離線處理。在線根據(jù)鼠標點擊操作臺顯示器上的車間

8、電子地圖上型材的源方位坐標和目的方位坐標移動,當被搬運的型材進入機器人視覺范圍時,機械手手指具體定位坐標可由視覺感知。50147卷第1期(總第172期鄭紹春等:型材搬運上下料機器人研究 圖2 型材上下料機器人的主視圖圖3型材上下料機器人的側(cè)視圖3多機械手搬運著力位置與型材撓度的分析由于型材實現(xiàn)自動上料到型材彎曲機加工位,有一定的定位精度要求,在搬運過程中其型材撓度±0.1mm 。在多機械手的磁吸附力一定、運行速度不高時,型材的撓度主要取決于機械手著力位置。根據(jù)搬運不同長度型材,可確定采用多至四個少到一個機械手。除進料首端由于冷彎機特殊要求至少留出距機械手著力中心點1.5m 外,其余機

9、械手按等間隔抓舉型材。每只機械手有三個手指,每個手指的磁吸附塊長0.3m ,兩手指間隙0.15m ,總長1.2m (見圖4。601中國造船研究簡報 圖4機械手抓取型材著力位置示意圖作者將被搬運型材留出端部的型材視為承受均布載荷的懸臂梁,而兩只機械手之間的型材視為兩端固定梁,據(jù)此來計算型材的撓度。依據(jù)材料力學(xué)中梁撓度的計算公式,可求得懸臂梁端點撓度y l 為y l =ql 48E I圖5 懸臂梁模型圖6兩端固定梁模型兩端固定梁中點繞度y 為y =ql4384E I式中q (x 為集度,即單位長度的自重;E 為型材材料的彈性模量;I 為搬運時型材剖面的慣性矩;l 為長度(在兩式中分別為留出端長度和

10、兩手之間的長度。以規(guī)格為H P 200×9的球扁鋼為例:q =181.986N m ,E =200GPa,I =941cm 4這樣,利用上述公式便可計算出留出端以最大長度l =1.35m 時的靜撓度為y l =ql48E I=0.04mm兩只機械手之間以最大長度l =3.2-1.2=2m 型材中點靜撓度為y =ql4384E I=0.004mm而由提升引起的型材振蕩,在上述跨度下,只要提升速度不致過快,振蕩將小于靜撓度,不會影響定位精度。4型材上下料機器人計算機的視覺定位及控制方法4.1系統(tǒng)對各坐標系定義與攝影機標定車間電子地圖坐標系O w x y z 與機器人的導(dǎo)軌行走機構(gòu)的坐標系

11、重合,攝像機成像平面坐標系為O cx y z ,且像平面O cx y 平面與O w x y 物平面平行(見圖7。O w x y z 分為四個象限,型材上料零點設(shè)為O w x y z 的原點。被加工的原材料型材放在堆場 、 象限,加工成型后型材,反彎線形型材位于 象限,正彎線形型材位于 象限,S 彎線形型材位于 、 象限之間。被搬運型材腹板彎向邊緣曲線上一點在O w x y z 中的坐標P (x w ,y w ,z w ,在像面上的成像點應(yīng)為P (x c ,y c 。由于鏡頭存在畸變,實際像點應(yīng)為P (x d ,y d 。光學(xué)中心O 點在計算機圖像坐標系幀平面O euv 下的二維位置為O e (

12、0,0。由光學(xué)視覺裝置采集,按常規(guī)攝像機變換模型標定(確定物空間三維坐標系與三維攝像機坐標系之間的關(guān)系,確定物點在攝像機坐標系中的三維坐標與計算機圖像二維坐標系之間的關(guān)系4,進行坐標變換處理后形成計算機圖像的二維坐標P (u e ,v e 。下面以機器人將位于下料區(qū)域內(nèi)彎曲成形的型材搬運到下一個工區(qū)(或裝配托盤中這個過程為例,來說明搬運機器人依靠計算機視覺測量系統(tǒng),機械手的電磁吸附塊實現(xiàn)自動定位抓取型材,自動吊運的方法。4.2型材腹板彎向邊緣曲線數(shù)據(jù)的提取根據(jù)需搬運型材的末端方位,鼠標點擊操作臺顯示器上的車間電子地圖,讀取型材末端的方位坐標P (x m ,y m ;或?qū)⑿筒纳狭狭泓cP (0,0

13、(即O w x y z 的原點作為下料零點P (0,0,也可作為型材末端方位坐標P (x m ,y m 的參考坐標。以機器人的從動門架(2D 機械手(3D 為定位對象,70147卷第1期(總第172期鄭紹春等:型材搬運上下料機器人研究圖7攝影機標定及坐標變換示意圖以P(x m,y m為目的坐標,插補移動。當被搬運的型材進入安裝在機器人的機械手上的攝像頭(3-7視覺范圍時,機器人對型材進行掃描,完成對型材腹板彎向邊緣曲線數(shù)據(jù)G(x i,y i的提取3,在計算機圖像坐標系下為G(u i,v i。計算型材兩端點坐標P(u0,v0和P(u N,v N之間的直線(后面稱弦線距離:L=R=(u N-u02

14、+(v N-v02(1以及其與x軸的夾角:=arctan v N -v0u N-u0(2當確定了各機械手中心電磁鐵吸附塊的定位坐標X k后,電腦依X k在型材曲線坐標集G(u i, v i中自動匹配出最接近的坐標點作為各中心電磁鐵吸附塊所需運動到的最終定位坐標P(u k, v k。4.3所需門架個數(shù)和門架間距的確定4個門架可搬運肋骨最長可達12m。如果在某批加工的是小型船舶的肋骨小于12m,可根據(jù)不同弦線長度L的肋骨,再按表1選擇門架個數(shù)n和門架間距L。再將n與L代入下式X k=-L-(n-1L 2-(k-1L 2n4,1k4(3來確定第k個門架(2A中心電磁鐵吸附塊的定位坐標X k。當確定了各機械手中心電磁鐵吸附塊的定位坐標X k后,電腦依X k,在肋骨曲線坐標集G(u i,v i中自動匹配出最接近的坐標點作為各中心電磁鐵吸附塊所需運動到的最終定位坐標P(u k,v k。表1搬運不同弦線長度L的型材的門架個數(shù)和間距肋骨弦線長度L(m