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工业机器人 |
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智能机器人型钢加工系统研制 |
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作者：姚舜 芦凤桂 |
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在当今现代化船厂中，船用钢板的切割，已从手工切割、光电跟踪切割为主转为数控切割为主，近几年来数控切割技术得到迅速发展和广泛应用。国外船厂普遍采用模块原则和成组技术，广泛利用生产自动控制系统，采用先进工艺及装配手段，大大提高了生产率。我国造船业中，长期以来依靠操作人员的本身经验在型材上划线和切割，生产效率和划线切割的精度很低。船用型钢均为窄长型，在装卸、存储、搬运过程中极易产生变形。使用传统数控切割机和示教再现型机器人进行切割加工，对型钢变形量的控制及其严格，通常其允许的变形量为长度方向直线度±2mm/M，平面度±2mm/M[1-2]。离线编程控制机器人应用于船用型钢加工可以提高型钢加工自动化水平，节约投资。本文讨论的型钢、划线切割智能机器人系统，基于离线编程，不须示教，能自动检测每一个型钢的三维变形，并对二维平面内的变形进行实时补偿。
系统控制模块
系统总体结构图见图1，机械臂由机器人车带动沿导轨运动到确定位置，然后依次从左右枪架上取划线枪、切割枪对型钢进行划线、切割。定义沿导轨方向为X轴方向，以Y方向为垂直于导轨方向。该系统采用传感器对型钢的在线检测，可获得型钢实际形状位置的三维空间尺寸，经补偿计算，转化为型钢加工图形的坐标数据。并通过计算机与机器人的通讯，以控制机器人臂端移动轨迹，从而实现变形型钢加工图形坐标的在线补偿。
1- 机器人 2-传感器车 3-传感器车驱动电机 4-机器人车驱动电机 5-机器人车 6-夹枪爪 7-高度传感器
图1 系统总体结构
Figure 1 The system overall architecture
图2为系统控制模块示意图。系统包括六个子系统：主控计算机、测量系统、机器人系统、划线系统、切割系统和其它辅助设备。系统采用集中式控制结构，由主控计算机控制其它子模块。主控计算机控制功能如下
1) 从文件服务器获得任务，创造加工流程
2) 控制测量系统去测量型材的变形
3) 控制机器人动作
4) 控制三个夹枪气爪的开合和其它辅助设备
5) 控制等离子划线枪和切割枪的引弧
测量系统控制
1． 位置补偿原理
在造船行业，对型材上所加工图形的位置精度要求是严格的，因此，型材测量系统的设计和位置要素的补偿是该系统的一个关键因素。测量系统的主要任务有两个：一是测量型材在X-Y平面内的变形，计算机补偿的主要是此平面内的变形。二是测量型材在高度方向上的变形，其目的是避免在划线切割过程中，枪与工件的碰撞而产生短路。以下将介绍这个子系统的结构和控制原理。
根据图形的层次概念，任何复杂的图形都可以分解为直线和圆弧。如果给定两点，直线的位置就可以确定；如果给定两点和一个半径，或给定三点，那么一个圆弧的位置就可以确定。这些点和半径就是图形的要素。因此定义图形位置要素补偿的概念：将复杂图形分解为圆弧和直线，分别对两者的位置要素坐标进行补偿。图3是圆弧的位置要素补偿的实例。
图a为标准工件尺寸，图b为变形工件及补偿尺寸。在变形型钢的边缘，曲线长为2m处作切线AB，在过切点的垂线CD上找点O'使CO'=0.5m，O'就是经位置补偿后得到的实际圆心位置，当切割完毕并校正工件后，O'位置将与O位置重合。
2． 测量系统控制
测量系统工作原理：首先，计算机控制传感器车沿Y方向运行。当传感器接触到型材边缘后，继续向前运动，在此过程中，PLC不断读取传感器压缩量，当传感器压缩至其工作量程的一半，传感器小车停止。然后机器人车带动传感器沿X方向运动。型材边缘的变形将转化为传感器的压缩量，供计算机补偿使用。另外，为检测高度方向型材变形，在机械手头部也安装一个位移传感器，测量前，高度传感器下降并压在工件表面，随着机器人车沿Y方向的运动，机械臂带动在其头部安装的高度传感器（也是一个位移传感器）在型材上表面作“M”运动。根据测得的数据对机器人高度坐标进行插值补偿，就能有效地避免划线、切割枪与工件的接触。
图4显示了测量系统的控制结构。此控制结构包括两部分：(1) 控制传感器车运动并读取位置传感器数据。在PLC控制器中，各种运动命令已预先编好，并在每个命令语句中设置开关变量。主控计算机通过485串口发送开关变量值0或1到PLC ，控制命令语句的执行和停止。当PLC中某一运动命令被执行，则PLC向电机驱动器发送相应的运动控制信号，控制伺服电机的运动。传感器的压缩量将转化为电压值，经过PLC中的A/D模块，转化为型材边缘变形的数字量，并存在特定的寄存器中。计算机通过连续读PLC中特定的寄存器，得到型材边缘变形的数字值和电机状态。(2)、读高度方向变形数据。与上述原理相似，计算机读机器人控制柜中的I/O，得到型钢在高度方向上的变形数据。需要说明的是本系统由两个传感器车，分别用于检测两个工作台上的型钢，其驱动电机分别由485串口1和串口2来控制。
智能机器人系统控制
智能机器人系统控制包括（图5）：对机器人车的运动控制和对机器人的控制两部分。主控计算机通过485串口控制机器人车驱动电机，使机器人车沿X方向运动。其控制原理与传感器车的控制是相似的，唯一区别是在电机驱动器里集成了类似PLC功能的部件，因此计算机可以直接发送控制信号到电机驱动器。另一方面，由于机器人车的运动是通过电机上的齿轮与导轨上的齿条相啮合传动的。这种传动方式会在一定程度上产生传动误差，因此，需要在机器人车上配置外部编码器，外部编码器可得到机器人车在X方向上的实际运行位置。此实际位置值不断被电机驱动器读取，适时调整电机的转动。外部编码器的使用有效地确保了系统在X方向上的位置精度。
机器人控制器实际是一台微机，因此，主控计算机可以与机器人微机通过TCP/IP协议连成局域网。与使用其它通讯方式相比，使用网络通讯可以传递更多的数据流，适于对机器人的实时控制。在工业生产中，使用以太网通讯控制机器人是一种比较完美的通讯方式。ABB公司在传送协议TCP/IP基础上提供了应用层协议RAP（Type application protocol），其中包括机器人基本功能的类函数，比如，走直线、走圆弧等函数，用户只需在计算机上调用这些函数即可。
划线和切割系统
划线系统包括划线控制器和划线枪，切割系统包括切割控制器和切割枪。等离子加工要求等离子枪和工件间的引弧、切割距离是3-6mm，如果大于此距离，将无法引弧或弧将熄灭。如果等离子枪与工件接触，则价格昂贵的等离子加工设备将因短路而毁坏。因此在等离子设备的控制上，须尽可能采用一些安全的措施。从图5可以看到除划线信号和引弧信号通过机器人I/O控制外，还通过计算机I/O加使能控制信号。计算机发送控制信号到机器人控制柜，同时当I/O板发出使能信号，PLC中相应的输出接触器才会闭合，才能产生划线引弧信号或切割引弧信号。如果有机器人故障或等离子设备故障，等离子弧能自动熄灭。
智能机器人加工系统试验 
（a）型钢机器人划线 （b）型钢机器人切割
图6 智能机器人划线切割实验
图6显示了采用补偿算法和离线编程智能机器人划线、切割实验，实验结果表明该系统的划线和切割工艺和生产效率均满足精度造船的技术要求，验证了智能机器人型钢加工系统的可行性。(end)
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(7/12/2005) |
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