王全剛，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣州　510006)

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九軸水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王全剛a，程良倫b

(廣東工業(yè)大學(xué) a.自動(dòng)化學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣州510006)

摘要：針對(duì)現(xiàn)階段船體外板水火加工自動(dòng)化水平普遍不高，工人手工燒板效率低、成本高、精度差、勞動(dòng)強(qiáng)度大的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出基于TRIO嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器和可編程邏輯器件PLC的九軸水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)彎板機(jī)器人九軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火槍頭按照規(guī)劃火路對(duì)鋼板進(jìn)行自動(dòng)水火加工。設(shè)計(jì)了TRIO與PLC之間的自由口通用串行通信協(xié)議，保證了控制系統(tǒng)通信的可靠性。該系統(tǒng)提升了船體外板加工的效率和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本和體力支出，能夠完全滿(mǎn)足水火彎板的自動(dòng)化加工需求。

關(guān)鍵詞：九軸聯(lián)動(dòng)；水火彎板；串行通信

0引言

近年來(lái)，我國(guó)的船舶制造業(yè)已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，市場(chǎng)份額已占全球四成以上[1]。但是在技術(shù)創(chuàng)新和組織管理方面，與日韓等造船強(qiáng)國(guó)還有較大差距。水火彎板作為當(dāng)今造船業(yè)普遍采用的船體外板加工方法，是在平整板材經(jīng)過(guò)輥壓機(jī)進(jìn)行粗加工后，用火槍對(duì)鋼板局部加熱，利用鋼板受熱—冷卻，使局部鋼材發(fā)生細(xì)微熱塑性收縮形變，從而使鋼板達(dá)到設(shè)計(jì)的三維形狀[2]。

當(dāng)今國(guó)內(nèi)船體外板水火加工基本還是采用人工燒板，自動(dòng)化水平不高，生產(chǎn)效率低下，工人勞動(dòng)環(huán)境較差。大連理工大學(xué)作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)水火彎板機(jī)的研制單位，解決了加工時(shí)鋼板隨機(jī)變形引起誤差的難題[3]，近年來(lái)廣船國(guó)際股份有限公司、上海交通大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)等科研單位對(duì)此領(lǐng)域的研究也取得了一些成果[4]。國(guó)外日韓等國(guó)對(duì)水火彎板自動(dòng)化加工技術(shù)已經(jīng)有了四十多年的研究，研究水平處于行業(yè)領(lǐng)先位置，較著名的系統(tǒng)有日本IHI-α系統(tǒng)和韓國(guó)ICALM系統(tǒng)[5]。

本文以英國(guó)TRIO公司MC464型運(yùn)動(dòng)控制器和日本三菱FX2N-64MT-D型PLC共同組成控制核心，實(shí)現(xiàn)了彎板機(jī)器人的九軸聯(lián)動(dòng)，解決了兩種控制器之間的雙向通信問(wèn)題，PLC自帶多達(dá)64個(gè)IO點(diǎn)還保證了系統(tǒng)的各項(xiàng)電氣控制和信號(hào)采集。實(shí)踐證明，九軸水火彎板機(jī)器人大大提高了船體外板加工效率，滿(mǎn)足了對(duì)復(fù)雜曲面板材的自動(dòng)化加工需求。

1系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

1.1彎板機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

水火彎板機(jī)器人一共由9個(gè)聯(lián)動(dòng)軸組成。X1、X2兩個(gè)同步軸控制龍門(mén)架縱向前后運(yùn)動(dòng)，Y軸和Z軸分別控制火槍頭的橫向和上下運(yùn)動(dòng)，這四個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)可以使火槍頭到達(dá)加工位置的三維坐標(biāo)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1　彎板機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖2　火槍頭機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

火槍頭機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中RZ軸繞Z軸左右擺動(dòng)，RX繞X軸上下擺動(dòng)，兩軸聯(lián)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)火槍始終與待加工曲面當(dāng)前加工點(diǎn)的法向量重合，即火槍始終垂直于曲面板，RZ在XOY面內(nèi)的左右擺動(dòng)還可以增加加工區(qū)域，減少實(shí)際移動(dòng)距離。L1和L2軸固定在十字滑臺(tái)上，二軸聯(lián)動(dòng)可牽引火槍頭以原點(diǎn)位置中軸線(xiàn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到增大加熱區(qū)域、提高燒板效果的目的。H軸控制水槍/壓縮空氣槍?zhuān)瑹暹^(guò)程中水槍頭通過(guò)左右旋動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)火槍軌跡的跟隨，使板材達(dá)到冷卻收縮的效果。

1.2系統(tǒng)的硬件組成

整個(gè)水火彎板機(jī)器人控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、火路和板型測(cè)量系統(tǒng)、火路規(guī)劃專(zhuān)家系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)掃描儀獲取板型信息，并將信息傳至專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)待加工板材的火路規(guī)劃，并將生成的焰道的三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換并發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)火槍頭對(duì)板材的實(shí)際加工操作。本文重點(diǎn)介紹水火彎板機(jī)器人九軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

由圖3可知，水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分主要包括TRIO運(yùn)動(dòng)控制器、PLC控制器、工控機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于MC464型TRIO運(yùn)動(dòng)控制器最多可以實(shí)現(xiàn)八軸聯(lián)動(dòng)，故水槍軸H軸由PLC通過(guò)FX2N-1PG功能模塊進(jìn)行單速定位，同時(shí)PLC豐富的IO資源可以滿(mǎn)足限位信號(hào)的采集、各軸伺服使能控制、脈沖點(diǎn)火、水源氣源的電磁閥控制等操作，K型熱電偶通過(guò)FX2N-4AD-TC溫度采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而讀取火槍頭溫度，以便判斷是否點(diǎn)火失敗需要二次點(diǎn)火。

圖3　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

TRIO與工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)建立穩(wěn)定通信，PLC與TRIO通過(guò)RS232物理通道，遵從自由口自定義串行通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向通信。工控機(jī)可以查看加工情況、報(bào)警記錄，實(shí)現(xiàn)機(jī)器啟?？刂频热藱C(jī)對(duì)話(huà)；各軸伺服驅(qū)動(dòng)器在接收到TRIO和PLC的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，輸出高速脈沖，從而驅(qū)動(dòng)各軸伺服電機(jī)，使彎板機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)。

2控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

2.1九軸控制系統(tǒng)

作為工業(yè)控制行業(yè)廣泛運(yùn)用的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，MC464最多支持八軸控制，64位400MHz處理器保證其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，自帶TRIO Basic語(yǔ)言可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)的速度、加速度以及位置控制[6]。

常見(jiàn)的伺服控制方式主要有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，分別對(duì)應(yīng)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)[7]?？紤]到實(shí)際加工需要和控制器自身特點(diǎn)，MC464控制的八軸采用速度控制模式，TRIO發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令通過(guò)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬量電壓，從而精確控制各軸運(yùn)動(dòng)的速度和方向，運(yùn)算速度更快。為了實(shí)現(xiàn)精確位置控制，MC464自帶位置判斷功能，可以通過(guò)伺服放大器間接讀取伺服電機(jī)編碼器的脈沖數(shù)，構(gòu)成一個(gè)大的位置環(huán)，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制的功能，示意圖如圖4所示。

圖4　伺服控制示意圖

PLC通過(guò)拓展FX2N-1PG脈沖發(fā)生模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)H軸的單速定位操作。工作方式選擇復(fù)合系統(tǒng)，即以H軸每次定位的旋轉(zhuǎn)角度作為長(zhǎng)度單位，以模塊每秒脈沖輸出個(gè)數(shù)作為速度單位。模塊輸出的脈沖個(gè)數(shù)與伺服放大器中設(shè)置的電子齒輪比相乘，實(shí)現(xiàn)H軸速度和位置的控制。PLC與TRIO通過(guò)RS232建立穩(wěn)定通訊，從而實(shí)現(xiàn)九軸聯(lián)動(dòng)。

2.2 加工流程

專(zhuān)家系統(tǒng)規(guī)劃的火路實(shí)際上是給出了一條火路上的若干特征點(diǎn)，并將其作坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制器各軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)或角度，存儲(chǔ)在”.txt”格式的文件中，便于控制器讀取。焰道線(xiàn)上給出的特征點(diǎn)越密集，火槍頭運(yùn)動(dòng)軌跡越精確[8]。

圖5　彎板自動(dòng)加工流程圖

水火彎板機(jī)器人控制系統(tǒng)有單軸手動(dòng)控制和自動(dòng)加工兩種操作模式，手動(dòng)操作主要用于機(jī)器調(diào)試和零點(diǎn)校準(zhǔn)。自動(dòng)加工的工作流程如圖5所示，燒板前將Z軸抬高點(diǎn)火可以保證周?chē)僮鞴と税踩?，燒板完成后Z軸抬高返回是為了防止火槍頭在返回原點(diǎn)過(guò)程中與曲面板發(fā)生碰撞。在加工過(guò)程中能夠根據(jù)實(shí)際情況，手動(dòng)調(diào)整加工速度+、速度-或水氣槍L軸半徑控制。

3TRIO與PLC的通信設(shè)計(jì)

由于FX2N-64MT-D型PLC本身不支持MODBUS協(xié)議，此外在PLC中通過(guò)梯形圖實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議描述也過(guò)于繁瑣，設(shè)計(jì)了PLC與TRIO之間的基于自由口通用串行通信的通信協(xié)議，其工作方式如圖6所示。

圖6　TRIO與PLC通信方式

在PLC一側(cè)，數(shù)據(jù)發(fā)送采用“分時(shí)復(fù)用”的控制方法，即以40ms為周期，周期內(nèi)交替發(fā)送一次命令請(qǐng)求信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)。命令請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求讀取TRIO寄存器VR的值，TRIO在接收到請(qǐng)求信號(hào)后，將H軸控制、伺服使能控制、電磁閥控制等命令數(shù)據(jù)寫(xiě)入PLC請(qǐng)求讀取的VR寄存器內(nèi)并進(jìn)行發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)TRIO對(duì)PLC的控制，在TRIO沒(méi)有命令發(fā)送的情況下從機(jī)PLC處于偵聽(tīng)狀態(tài)[9]。

狀態(tài)數(shù)據(jù)包主要包括伺服報(bào)警信號(hào)、H軸位置信號(hào)、各軸限位信號(hào)、火槍頭溫度信號(hào)等，TRIO在接收到該數(shù)據(jù)包后，通過(guò)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)表頭定義的VR區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入，從而實(shí)現(xiàn)接收狀態(tài)數(shù)據(jù)的目的。

通信過(guò)程中由于讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量較小，同時(shí)要保證通信的穩(wěn)定，選擇和校驗(yàn)的校驗(yàn)方式[10]。通信報(bào)文格式如表1所示。

表1　通信報(bào)文格式

4技術(shù)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)分析

為滿(mǎn)足水火彎板加工的實(shí)際工藝需求，九軸水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要要滿(mǎn)足運(yùn)范圍和控制精度兩大技術(shù)指標(biāo)。

運(yùn)動(dòng)位置范圍：X1、X2軸縱向運(yùn)動(dòng)0~14m；Y軸橫向運(yùn)動(dòng)0~5m；Z軸火槍頭豎向抬高0~1.35m；RZ在XOY平面內(nèi)擺動(dòng)幅度±75°；RX在YOZ平面內(nèi)擺動(dòng)幅度±90°；L1、L2聯(lián)動(dòng)火槍頭打轉(zhuǎn)半徑0~5cm；H軸水槍繞火槍轉(zhuǎn)動(dòng)±175°。

控制精度：X1、X2、Y、Z定位軸要求位置誤差5mm之內(nèi)；RX、RZ、H轉(zhuǎn)動(dòng)軸要求角度誤差在1°以?xún)?nèi)。

為了驗(yàn)證九軸水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度，選取廣船國(guó)際2.5m×1.5m帆形板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，考慮到運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量有較大的復(fù)雜度且無(wú)法量化的表示，故采用特征點(diǎn)比較的方法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7　帆形板火路特征點(diǎn)

選取目標(biāo)鋼板的四角和中軸線(xiàn)兩端共6點(diǎn)作為特征點(diǎn)，通過(guò)提取特征點(diǎn)掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，使彎板機(jī)火槍頭分別運(yùn)動(dòng)到以上6點(diǎn)，再通過(guò)掃描儀二次掃描，得出實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)，比對(duì)后可以直觀的看出定位誤差，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2　特征點(diǎn)誤差分析

由表2可以看出，九軸水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有較好的控制精度，各特征點(diǎn)坐標(biāo)誤差在技術(shù)指標(biāo)要求的誤差范圍之內(nèi)。

5結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于MC464型嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器和FX2N-64MT-D型PLC的九軸水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了彎板機(jī)九軸聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)加工各種復(fù)雜曲面船體外板；基于自由口串行通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了TRIO與PLC之間穩(wěn)定的雙向串行數(shù)據(jù)通信。九軸水火彎板機(jī)器人的研制，有助于提升船體外板加工的自動(dòng)化水平、降低勞動(dòng)負(fù)荷、節(jié)約生產(chǎn)成本、提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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(編輯李秀敏)

Design of Motion Control System for Nine-axis Line Heating Robot

WANG Quan-ganga, CHENG Liang-lunb

(a.School of Automation;b.School of Computer Science and Technology, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract：For the present stage of hull plate line heating process that the automation level is not high, the manual plate burning has many disadvantages such as low efficiency, high cost, poor accuracy, high labor intensity of the situation, we designed the motion control system for nine-axis line heating robot based on TRIO embedded motion controller and programmable logic controller PLC. Through nine axes linkage of line heating robot, the system achieved automatic processing for line heating according to the planned design of the fire road. We also designed the free port universal serial communication protocol between TRIO and PLC. In this way, it can ensure the reliability of communication of the control system. This system improved the efficiency and quality of hull plate process and reduced production cost and energy expenditure, fully met the needs of automatic process of line heating.

Key words：nine axes linkage;line heating plate;serial communication

中圖分類(lèi)號(hào)：TH165;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王全剛(1990—)，男，山東蓬萊人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化裝備與系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)，(E-mail)390019199@qq.com。

*基金項(xiàng)目：廣東省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目：船體外板加工成型智能機(jī)器人研制及產(chǎn)業(yè)化( 2010B090400126)

收稿日期：2015-05-04

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0090-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.025