田麗欣,柳延領(lǐng)

（唐山學(xué)院信息工程系,河北 唐山 063000）

多自由度切割機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

田麗欣,柳延領(lǐng)

（唐山學(xué)院信息工程系,河北 唐山 063000）

摘要：切割機(jī)廣泛應(yīng)用于船舶制造業(yè)、機(jī)械裝備制造業(yè)等多種行業(yè)。在實際應(yīng)用中，很多切割機(jī)存在切割精度低，自動化水平不高、加工效率低等問題。針對此問題提出一種由上位機(jī)生成切割數(shù)據(jù)，由PLC與定位單元組成的控制器以及服驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)建的高精度切割機(jī)運動軌跡控制系統(tǒng)，可用于管料相貫線切割。切割曲線數(shù)據(jù)由上位機(jī)生成，并建立與下位機(jī)PLC的數(shù)據(jù)通信，適用于工業(yè)常用切割類型的需求。采用此運動控制系統(tǒng)可大幅度提高切割質(zhì)量以及設(shè)備自動化程度，滿足現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)對管料切割的大量需求。

關(guān)鍵詞：多自由度；相貫線；軌跡；切割；控制

0　序言

目前，我國船舶制造行業(yè)、海洋工程等發(fā)展迅速，機(jī)械裝備制造等工業(yè)領(lǐng)域也日益發(fā)展，導(dǎo)致對鋼結(jié)構(gòu)管件的切割需求量急劇增加。為了實現(xiàn)各種尺寸不同形狀鋼管的搭接，需要對管端相貫線和坡口實現(xiàn)高精度切割控制。傳統(tǒng)切割多采用手動切割，耗時耗力，容易受人為因素影響，導(dǎo)致切割精度不高，直接影響到焊接質(zhì)量。對傳統(tǒng)切割方式的改進(jìn)能有效提高切割數(shù)量和切割質(zhì)量。

隨著我國工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，目前，工業(yè)機(jī)器人作為自動化行業(yè)的典型產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，比如切割、焊接、裝配、包裝等領(lǐng)域。針對管端相貫線的切割特點，本文研究了六自由度切割機(jī)器人控制系統(tǒng)，應(yīng)用于管端相貫線切割控制。該系統(tǒng)采用計算機(jī)作為上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)復(fù)雜數(shù)據(jù)的計算，生成相貫線切割軌跡曲線數(shù)據(jù)；PLC作為下位機(jī)，協(xié)調(diào)控制各軸，完成對多軸的聯(lián)動控制以實現(xiàn)管料加工需求的各種相貫曲線切割。采用多軸聯(lián)動的自動切割機(jī)器人可對相貫線和坡口實現(xiàn)高速度、高精度切割，滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求。

1　機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

六自由度切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由管料支撐裝置、自旋轉(zhuǎn)卡盤、割炬升降機(jī)構(gòu)、割炬軸向擺動機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、割炬徑向移動機(jī)構(gòu)、切割系統(tǒng)等組成。自旋轉(zhuǎn)卡盤負(fù)責(zé)管料夾緊和輸送，可夾持待加工原料沿軸向輸送，割炬可以實現(xiàn)升降、左右擺動以及360度旋轉(zhuǎn)。切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

其中①為夾持原料旋轉(zhuǎn)軸，②為割炬升降軸，③為原料輸送軸，④為割炬徑向移動軸，⑤為割炬軸向擺動軸，⑥為割炬回轉(zhuǎn)軸。在PLC控制下結(jié)合定位模塊實現(xiàn)對六自由度切割機(jī)器人的控制。

圖1　切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

機(jī)器人各軸采用伺服電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)，控制精度高。切割時首先用自旋轉(zhuǎn)卡盤夾持住待加工管料并移動到待切割位置，割炬徑向移動并下降到原料最高點，切割機(jī)器人以最高點為切割起始點，割炬按照預(yù)先選擇相貫形式進(jìn)行切割，相貫形式包括兩管相貫、管板相貫等。

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

六自由度切割機(jī)器人控制系統(tǒng)用計算機(jī)作為上位機(jī)，以PLC作為下位機(jī)核心控制器。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)運動軌跡的規(guī)劃，運動學(xué)計算等非實時性任務(wù)，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)對切割機(jī)器人多軸速度和位置的實時控制，以實現(xiàn)各軸的協(xié)調(diào)動作，從而完成對各種形狀管子相貫線的切割。

上位機(jī)生成相貫線軌跡移動點數(shù)據(jù)，將生成的六個軸的數(shù)據(jù)表通過串行通訊傳輸給下位機(jī)PLC并存儲到相應(yīng)存儲區(qū)域。PLC根據(jù)數(shù)據(jù)表執(zhí)行相應(yīng)動作，實現(xiàn)對機(jī)器人各軸的伺服控制，協(xié)調(diào)六軸完成空間曲線切割，達(dá)到控制精度和控制速度要求?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括上位機(jī)數(shù)據(jù)生成軟件、PLC控制程序設(shè)計和觸摸屏HMI人機(jī)畫面組態(tài)。

上位機(jī)數(shù)據(jù)生成軟件主要完成切割運動軌跡數(shù)據(jù)的計算。在上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相貫形式選擇和參數(shù)輸入后，算法程序根據(jù)輸入的待加工工件的外形參數(shù)對各軸的位移和速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)運算和處理，得出切割機(jī)各運動軸所需的脈沖數(shù)、脈沖速度和方向，并利用串口通信方式將各個軸的運動數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)PLC，在相應(yīng)存儲區(qū)域進(jìn)行存儲，作為PLC對各個軸運動控制的參數(shù)。

PLC控制完成切割機(jī)器人自動和手動兩種工作方式的控制。手動操作方式可實現(xiàn)對各個軸的單獨控制，可用于生產(chǎn)線初裝時的系統(tǒng)調(diào)試，檢測各個設(shè)備是否能正常運行。自動控制方式下，通過對割炬升降軸和徑向移動軸的控制、配合管料的旋轉(zhuǎn)和軸向移動可實現(xiàn)各種相貫曲線的自動切割，通過對割炬的軸向擺動以及旋轉(zhuǎn)可控制滿足對不同角度坡口的加工要求。自動方式的控制流程如圖3所示。

觸摸屏主要用于設(shè)備操作，實時參數(shù)修改，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。設(shè)計畫面生動形象，交互性強(qiáng)。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3　自動方式控制流程圖

4　結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了PLC 控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及伺服驅(qū)動裝置，提高了設(shè)備的自動化控制水平，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高，運動誤差小。應(yīng)用該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)高精度切割，適應(yīng)大批量生產(chǎn)需求，滿足船舶制造、海洋工程等領(lǐng)域?qū)芰锨懈畹目刂埔??？刂葡到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)實用、具有廣闊的市場前景。

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