毛新紅

（新疆生產(chǎn)建設兵團 興新職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830074）

造船工程焊接機器人自動化控制器的設計及應用

毛新紅

（新疆生產(chǎn)建設兵團 興新職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊 830074）

描述移動焊接機器人在控制硬件和軟件方面的發(fā)展。該機器人可以在雙殼船舶結(jié)構中移動并執(zhí)行焊接任務?？刂朴布ㄒ粋€主控制器和一個焊機控制器?？刂栖浖ㄋ膶樱恳粚佣加赡K組成。合適的模塊組合能夠保證控制軟件執(zhí)行所需任務。控制軟件是在QNX操作系統(tǒng)下用C語言編程開發(fā)。針對控制軟件模塊化的體系結(jié)構，將其設計為四層：任務管理、任務計劃、任務操作和任務執(zhí)行。移動焊接機器人運用嵌入式控制器和控制軟件成功執(zhí)行所需任務。

造船焊接工藝；移動焊接機器人；控制器

0 前言

近來，造船廠為提高生產(chǎn)力，增加了對自動焊接任務的需求。自20世紀90年代以來，使用多軸機器人的自動焊接任務就已出現(xiàn)在許多應用中。然而，機器人只能在一個固定的位置工作，通常用起重機把機器人從一個工作地點移動到另一個工作地點。在船的雙殼結(jié)構中開發(fā)了一個自動駕駛的移動焊接機器人，不再需要起重機或吊架設備來移動[1]。在此描述了基于橫縱方向移動的焊接機器人控制硬件和軟件的發(fā)展，并在U形焊接區(qū)執(zhí)行了焊接任務，裝上了雙殼船舶結(jié)構的支架，同時發(fā)現(xiàn)了焊接路徑的起點和終點。

1 雙殼船舶結(jié)構簡介

1.1 船舶雙殼船舶結(jié)構

油輪、集裝箱運貨船、液化天然氣船、液化石油氣船都應裝有一個雙殼結(jié)構來維持穩(wěn)定，防止由意外碰撞或擱淺引起的環(huán)境污染。圖1為一個非常大的原油輪的雙殼結(jié)構。

出于環(huán)境安全的考慮，要增加區(qū)域的劃分，由此產(chǎn)生的封閉區(qū)域使得雙殼船舶結(jié)構制造過程的自動化難以實現(xiàn)。為此，許多研究都致力于實現(xiàn)雙殼船舶結(jié)構制造過程的自動化。

圖1 一個非常大的原油運輸船的雙殼結(jié)構VLCC

1.2 雙殼結(jié)構焊接目標及可達性

一個雙殼結(jié)構由頂板和底板、支架及橫向網(wǎng)層組成。兩個平板覆蓋雙殼結(jié)構的頂部和底部。支架及橫向網(wǎng)層將雙殼結(jié)構劃分為若干封閉區(qū)域。每個部分都置有幾個互相平行的縱向加勁桿，還包含許多小的加強桿。機器人的焊接目標（U型部分）如圖2所示。部件的頂部和底部都是焊接處。若部件是開放的，則只需焊接一邊，當部件變?yōu)榉忾]式時，再焊接另外一邊。為此，需要在封閉部件中操作機器人。

圖2 雙殼船舶結(jié)構中的焊接目標及橫向網(wǎng)絡層的出入孔

自動駕駛焊接機器人可進行縱、橫向移動，并在U型區(qū)域執(zhí)行雙殼船舶結(jié)構焊接。為了將機器人置于雙殼結(jié)構中，需要穿過一個800mm（高）×600mm（寬）的出入孔。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 雙殼結(jié)構焊接目標及可達性

許多船廠針對單一船體結(jié)構使用有固定多軸機器人的自動焊接系統(tǒng)[2]。DANDY的固定六軸機器人用于自動焊接單一船體結(jié)構如圖3所示。安裝在制造廠天花板上的高架門式起重機實現(xiàn)DANDY在各個焊接位置之間的移動。然而，由于起重機不能在這樣一個封閉的環(huán)境中控制機器人，致使DANDY不能用于雙殼結(jié)構。

圖 3 韓國 Daewoo Shipbuilding和 Marine Engineering使用的固定焊接機器DANDY開孔塊

日本造船公司Hitachi-Zosen開發(fā)了一個在雙殼結(jié)構內(nèi)部涂料的數(shù)控繪畫機器人[3]。這個機器人由一個自動駕駛車、能擴張的裝入機以及用于涂料的六軸操縱器組成。裝入機把操縱器移到一個被地板和支架包圍的合適位置。裝上裝入機和操縱器的自動駕駛車利用兩套磁履帶在兩個縱向加勁桿的表面移動，無需軌道，如圖4所示。

圖4 日本Hitachi-Zosen船廠的數(shù)控繪畫機器

該機器人有兩個局限性。首先，沖積礦的橫向范圍限制了六軸操縱器的位置；第二，機器人的體積太大，不能穿過800 mm（高）×600 mm（寬）的出入孔，所以每個網(wǎng)絡層需要800mm（高）×1600mm（寬）的永久性開放尺寸，這樣就改變了原有的結(jié)構設計。

Kim等人開發(fā)了用于雙殼結(jié)構焊接RRX3機器人系統(tǒng)[4]。為了實現(xiàn)焊接機器人的移動，專門研發(fā)了嵌入式控制器。

2.2 RRX3需要嵌入式控制器的緣由

為了完成焊接任務，焊接機器人需具備縱向和橫向移動的能力。DSME開發(fā)的固定6軸焊接機器人DANDY，控制器位于距其50 m處。因此，控制器和機器人之間需要一個冗長的電動機電力電纜和電機編碼器電纜，且門式起重機必須能夠支撐電纜的重量。然而，在雙殼結(jié)構中，RRX3可以在不使用起重機的情況下拖動電纜。因此，為減少電纜的數(shù)量和重量，發(fā)明了一種嵌入式控制器。RRX3和DANDY電纜的構成如圖5所示。

圖5 控制器和焊接機器（DANDY，RRX3）之間的電纜

2.3 控制軟件模塊化

為了輕松添加傳感器等新硬件并有效執(zhí)行可重復任務，相關學者研究了機器人單元的模塊化。為了實現(xiàn)實時性能，研發(fā)了一個三層體系結(jié)構和基于混合式控制系統(tǒng)體系的軟件結(jié)構。

控制軟件適應混合式控制體系結(jié)構。此外，移動焊接機器人連接到包括伺服電機、傳感器和焊接機器在內(nèi)的多個硬件。工業(yè)機器人為了防止錯誤和問題要求準確度高，相應的控制軟件必須具備穩(wěn)健性。為此，本研究開發(fā)了一種使用模塊化控制體系結(jié)構的軟件。

3 RRX3嵌入式控制器的模塊化控制結(jié)構

3.1 RRX3嵌入式控制器

RRX3控制硬件由主控制器和焊機控制器組成。主控制器安裝在RRX3上，控制交流伺服電機和感覺系統(tǒng)（近距離傳感器、激光傳感器和沖擊傳感器）。焊機控制器連接在焊機上以實現(xiàn)精確控制，如圖6所示。

圖6 RRX3嵌入式控制器配置結(jié)構

3.1.1 主控制器

如果主控制器位于遠離機器人的位置，移動焊接機器人需拖動冗長的電機功率電纜和編碼器電纜。為了避免這種情況，控制器需安裝在RRX3的下方，如圖7所示。

圖7 RRX3主控制器

主控制器由一個CPU插件、一個運動控制器和12個交流伺服電機驅(qū)動組成。CPU是由KONTRON生產(chǎn)的866LCDM/mITX中央處理插件，裝有研究開發(fā)的機器人控制軟件。運動控制器接收來自CPU插件的指令，控制12個交流伺服電機驅(qū)動。本研究同時還開發(fā)了運動控制器和交流伺服電機驅(qū)動。RRX3裝有Panasonic生產(chǎn)的發(fā)動機。然而，Panasonic的商業(yè)交流伺服電機驅(qū)動尺寸太大，不能放置在嵌入式主控制器的內(nèi)部，這意味著必須改善運動控制器和交流伺服電機驅(qū)動。驅(qū)動是增量型的。用于RRX3的控制器的交流伺服電機驅(qū)動和運動控制器如圖8所示。

3.1.2 焊機控制器

DANDY作為一個固定軸承的焊接機器人，主控制器和焊接機的位置很接近。因此，控制器操縱模擬電壓，即焊機的輸入和輸出數(shù)據(jù)是沒有限制的。然而，隨著主控制器和焊機之間電纜長度的增加，電壓下降和噪音出現(xiàn)使得主控制器難以實現(xiàn)準確操縱模擬電壓[5]。因此，本研究開發(fā)了焊機控制器，如圖9所示。

圖8 RRX3主控制器的電機驅(qū)動和運動控制器

圖9 焊機控制器和RRX3主控制器之間的連接

焊機控制器有一個由DSME開發(fā)的電弧傳感器，可以確保焊槍的運作遵循所需焊接路徑。焊接過程中電流強度與焊槍和焊接區(qū)域之間的距離成反比。焊機控制器使用電流計算焊槍和焊接區(qū)域之間的距離，并以此判定焊接工作是否成功完成。

3.2 RRX3控制軟件結(jié)構

RRX3執(zhí)行高準確度的移動任務和焊接任務（誤差范圍低于0.5 mm）。為了控制焊接機器人，需要定義機器人的行動。一個合適的行動組合可以保證控制軟件執(zhí)行所需的各種任務。

3.2.1 模塊化控制軟件體系

控制軟件包括四層：任務管理、任務計劃、任務操作和任務執(zhí)行。

任務管理——用于管理用戶提供的任務列表，并與TP進行通信。

任務計劃——接收任務管理器發(fā)出的任務，選擇任務操作模塊要執(zhí)行的行為。

任務操作——接收來自任務計劃的操作命令，使用由任務執(zhí)行模塊提供的環(huán)境數(shù)據(jù)和機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)生成機器人的運轉(zhuǎn)軌跡。

任務執(zhí)行——控制主控制器和致動器，控制機器人執(zhí)行任務，接收來自傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)和機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)。

可以通過任務操作中任務計劃選擇的操作組合執(zhí)行任務。此外，為了方便添加新硬件，任務執(zhí)行單元實現(xiàn)了模塊化。組成控制軟件的四個層次和模塊的原理如圖10所示。

圖10 RRX3的四層體系及模塊

3.2.2 任務計劃

任務計劃在任務操作模塊組合一系列操作行為時，執(zhí)行任務管理器提供的任務。任務計劃模塊生成的任務如下。

（1）橫向移動和縱向移動（移動任務）。

任務計劃模塊通過在任務操作模塊中激活傳感器進行橫向運動序列電機控制或縱向運動序列電機控制執(zhí)行移動任務。移動任務的具體過程如4.1節(jié)和4.2節(jié)所示。

（2）直縫焊接、擺動焊接及支架焊接（焊接任務）。

任務計劃通過組合任務操作模塊的“焊炬直線運動”及“啟動/停止焊接”指令執(zhí)行直縫焊接和擺動焊接任務。擺動焊接任務的具體過程見4.3節(jié)。

（3）激光傳感和觸摸感應（傳感任務）。

任務計劃通過組合任務操作模塊的“激活傳感器”及“焊炬直線運動”指令執(zhí)行傳感任務。

3.2.3 任務操作模塊

任務操作執(zhí)行任務計劃模塊所需的指令，并生成焊炬軌跡。與此同時，這一層與激光傳感器、近距離傳感器及震動傳感器進行通信，接收環(huán)境數(shù)據(jù)，如縱向加勁桿、焊接機器人與U形焊接區(qū)域的距離。當焊接機器人執(zhí)行焊接任務時，任務操作模塊執(zhí)行其他指令而啟動或停止焊接操作。

在任務操作中有兩種類型的模塊，即操作模塊和運動生成模塊。

3.2.3.1 操作模塊

任務計劃模塊在操作模塊中選擇合適的指令。操作模塊把該指令轉(zhuǎn)移至任務執(zhí)行中的其他模塊，這些模塊符合任務計劃所選指令的需求[6]。每個指令的功能如下：

（1）焊炬直線運動。

操作模塊將移動命令發(fā)送到運動生成模塊，反過來，運動生成模塊生成焊炬的軌跡，并將每個運動的角數(shù)據(jù)發(fā)送到任務執(zhí)行中的伺服電機模塊。焊炬直線運動對于執(zhí)行相關焊炬運動的任務（擺動焊接、支架焊接、觸摸感應）是必需的。

（2）連續(xù)電機橫向運動控制和連續(xù)電機縱向運動控制。

操作模塊使用來自感應模塊的環(huán)境數(shù)據(jù)控制伺服模塊。為執(zhí)行與焊接機器人運動有關的任務（橫向運動、縱向運動、支架焊接），必須進行連續(xù)的電機橫向和縱向運動控制。

（3）啟動/停止焊接。

操作模塊將焊接電壓和電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移發(fā)送至焊機模塊。

（4）激活傳感器。

操作模塊將傳感命令轉(zhuǎn)移發(fā)送至任務執(zhí)行中的傳感器模塊。操作模塊使用來自傳感器模塊的數(shù)據(jù)，生成焊接機器人的下一步運動。激活傳感器對于執(zhí)行移動、焊接和傳感任務是必需的。

3.2.3.2 運動生成模塊

當任務需要焊炬移動時，操作模塊將移動指令發(fā)送至運動生成模塊。運動生成模塊使用正向運動學和逆向運動學生成焊炬軌跡，并將每個電機的角度數(shù)據(jù)發(fā)送至任務執(zhí)行中的伺服模塊。

3.2.4 任務執(zhí)行模塊

任務執(zhí)行模塊使硬件連接到RRX3的接口。任務執(zhí)行控制交流伺服電機穿過USB，與運動控制器進行通信。任務執(zhí)行模塊與激光傳感器、近距離傳感器、震動傳感器進行實時通信，并通過RS485通信將焊接數(shù)據(jù)(電壓和電流）發(fā)送至焊機控制器。任務執(zhí)行模塊包括伺服模塊、傳感器模塊、焊機模塊以及開/關模塊。

3.2.4.1 伺服模塊

伺服模塊將運動生成模塊計算出的每次運動角度的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制交流伺服電機驅(qū)動的運動控制器。伺服模塊和運動控制器之間的通信通過USB接口實現(xiàn)。

3.2.4.2 傳感器模塊

傳感器模塊通過RS232或數(shù)字化輸入/輸出，將來自激光傳感器、近距離傳感器和震動傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至任務管理器或任務操作模塊。

3.2.4.3 焊機模塊

焊機模塊將任務操作模塊提供的焊接數(shù)據(jù)(電壓和電流）發(fā)送至焊機控制器，并通過RS485接收焊機控制器發(fā)出的電弧傳感結(jié)果。

3.2.4.4 開/關模塊

開/關模塊執(zhí)行的是非周期函數(shù)，如激光傳感器的伺服開/關和保護帽開/關。因此，開/關模塊只是等待任務操作模塊發(fā)出的信號。開/關模塊只執(zhí)行與任務操作模塊發(fā)出信號一致的任務，并且在執(zhí)行完所需功能后，返回到最初的等待狀態(tài)。開/關模塊對于激光傳感任務是必需的，因為其控制激光傳感器保護帽的打開和關閉。

4 實施及試驗結(jié)果

為了實現(xiàn)移動焊接機器人的穩(wěn)健控制，控制軟件中的模塊要在給定的時期內(nèi)進行精確運轉(zhuǎn)。因此,基于QNX系統(tǒng)可靠的實時性能，將其選為固定的操作系統(tǒng)?？刂栖浖怯肅語言開發(fā)的。為了驗證硬件的配置及模塊化控制體系的操作，要執(zhí)行橫向/縱向的運動和焊接測試。測試結(jié)果如圖11所示。

4.1 通過綜合模塊執(zhí)行橫向移動任務的實例

如圖12所示，橫向運動的順序如下：

圖11 RX3測試結(jié)果（移動和焊接）

（1）操作模塊將“橫向移動”指令發(fā)送至伺服模塊。

（2）伺服模塊將“升起機器”的指令發(fā)送至運動控制器。

（3）機器升起后，伺服模塊將“移動子體至右邊”的指令發(fā)送至運動控制器。

（4）傳感器模塊接收檢測到的“縱向加勁桿”，并將其發(fā)送至操作模塊。

（5）操作模塊將“停止”指令發(fā)送至伺服模塊。伺服模塊停止電機運作。圖11b為將機器子體移動至下一個縱向的結(jié)果。

（6）操作模塊按順序運行電機，直到RRX3完成橫向運動。傳感器模塊檢測到縱向加勁桿，并將結(jié)果發(fā)送至操作模塊，操作模塊再將“停止”指令發(fā)送至伺服模塊。

4.2 通過綜合模塊執(zhí)行縱向移動任務的實例

（1）操作模塊將“橫向移動”指令發(fā)送至伺服模塊。

（2）伺服模塊將“向前移動”的指令發(fā)送至運動控制器。

（3）當RRX3縱向移動時，傳感器模塊接收激光傳感器發(fā)出的“檢測到U形區(qū)域”的信息，并將其發(fā)送至操作模塊。

圖12 橫向移動模塊之間的數(shù)據(jù)傳送序列

（4）操作模塊將“停止”指令發(fā)送至伺服模塊，完成縱向運動。

4.3 通過綜合模塊執(zhí)行擺動焊接任務的實例

U形焊接區(qū)域的焊接結(jié)果如圖11所示。擺動焊指的是焊炬鋸齒形運動而形成的垂直焊接，如圖13所示。擺動焊順序如下：

（1）運動生成模塊將“焊炬從A點到B點”的指令發(fā)送至伺服模塊。

（2）伺服模塊將“啟動電機”的指令發(fā)送至運動控制器。然后，當焊炬從A點到B點時，焊機模塊將“開始聚集焊接電流”的指令發(fā)送至焊機控制器。

（3）伺服模塊在焊炬到達B點后等待0.3 s。同時，焊機控制器檢查焊炬是否使用當前編譯的數(shù)據(jù)成功遵循了所需路徑。

（4）運動生成模塊基于電弧傳感的結(jié)果，計算焊炬從B點到C點的路徑。

（5）在0.3 s的等待時間內(nèi)，運動生成模塊將計算出的C點位置發(fā)送至伺服模塊。

（6）0.3 s等待時間過后，執(zhí)行第二步。

擺動焊接任務中模塊的通信序列如圖14所示。結(jié)果顯示，RRX3能夠探測到縱向加勁桿并在橫向方向移動。此外，當感應到焊接點后，機器人遵循焊接路徑，執(zhí)行焊接任務。

移動焊接機器人焊接試驗結(jié)果如圖15所示。為改善焊接質(zhì)量，中途需數(shù)次調(diào)整焊機的輸入電壓和電流。

測試結(jié)果證明，硬件配置準確，且模塊化的控制軟件體系發(fā)揮了預期作用。

圖13 擺動焊接順序

圖14 擺動焊模塊之間的數(shù)據(jù)傳送序列

圖15 移動焊接機器人焊接測試結(jié)果（電壓26V，電流250A）

4.4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

為評估所開發(fā)嵌入式控制器的穩(wěn)健性，在船廠進行了為期一個月的焊接試驗。圖16顯示的是正在執(zhí)行移動任務（見圖16a）和焊接任務（見圖16b）的RRX3。

圖16 移動焊接機器人現(xiàn)場試驗

各種類型的焊接目標（U形部件）如圖17所示。RRX3移動至焊接目標，探測焊縫，成功執(zhí)行數(shù)百次焊接任務。

圖17 RRX3成功焊接的不同類型的焊接目標

現(xiàn)場試驗表明，與現(xiàn)有系統(tǒng)DANDY相比，RRX3的焊接質(zhì)量與其相同，但準備焊接工作的總感應時間卻減少約25%。DANDY不能在U形部件區(qū)域執(zhí)行支架焊接，而RRX3可以完成該操作。更為方便的是RRX3的自動功能使工人不需要移動焊接設備。通過現(xiàn)場試驗，可以確定開發(fā)的RRX3嵌入式控制器經(jīng)過精心設計，并獲得完美實施。

5 結(jié)論

嵌入式控制器和控制軟件應用于自主移動焊接機器人，使其成功執(zhí)行移動、焊接和感知的任務。為開發(fā)嵌入式主控制器，在一個有限的空間內(nèi)安裝了12個交流伺服電機驅(qū)動和1個CPU插件。此處將控制軟件設置為四層以實現(xiàn)其結(jié)構的模塊化，分別為任務管理、任務計劃、任務操作和任務實施。為評估此嵌入控制器和控制軟件，進行了實地測試。測試證明，所開發(fā)的RRX3嵌入式控制器經(jīng)過了精心設計，并獲得成功。與現(xiàn)有系統(tǒng)DANDY相比，RRX3可以移動焊接設備，減少約25%的準備焊接工作所需的感應時間，降低了工作強度。期望該移動焊接機器人可應用于船廠雙殼結(jié)構的焊接任務。

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Design and application of welding mobile robot controller in shipbuilding engineering

MAO Xinhong
（NewCareer Technical College，XinjiangProduction and Construction Corps，Urumqi 830074，China）

This paper describes the development of mobile welding robot control in the aspects of hardware and software.The robot can move in the double hull ship structure and perform welding tasks.The control hardware consists of a main controller and a welding machine controller.The control software includes four layers.Each layer is composed of modules.The appropriate module combination can ensure control software to perform the required task.The control software is under the QNX operating system programming language developed by C.Aiming at the control system architecture of modular software design,the four layer:task management,task planning,task operation and task execution.Welding mobile robot using embedded controller and control software can perform required tasks successfully.

shipbuilding welding process；welding mobile robot；controller

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0082-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.18

2014-10-19；

：2015-01-08

毛新紅（1977—），女，江蘇泰州人，工程碩士，講師，主要從事電氣自動化的教研工作。