徐金雄+程良倫

摘要：針對(duì)船體外板自動(dòng)化加工程度低的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電氣控制部分采用主從二級(jí)協(xié)同控制方式，主控制器負(fù)責(zé)軸運(yùn)動(dòng)控制，輔助控制器負(fù)責(zé)閥門控制與安全保護(hù)，大幅提高機(jī)器人穩(wěn)定性和可靠性。上位機(jī)模塊則根據(jù)水火外板加工需求設(shè)計(jì)出操作方便的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和船體外板的自動(dòng)化加工。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制；機(jī)器人；水火彎板

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0001-02

1 引言

船體外板的成形加工一般是通過(guò)氧-燃?xì)饣鹁鎸?duì)外板進(jìn)行局部加熱并用水跟蹤冷卻使板產(chǎn)生局部塑性變形的水火彎板加工工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但由于該工藝對(duì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)依賴程度較高，使得加工過(guò)程基本依靠人工實(shí)現(xiàn)，影響了外板加工效率和自動(dòng)化程度[1]。

針對(duì)上述的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已開展了相關(guān)研究，并取得了相關(guān)成果。其中代表性的成果有廣船國(guó)際與廣東工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的第二代水火彎板機(jī)器人[2-3]。該機(jī)器人采用龍門式設(shè)計(jì)，并通過(guò)高度自適應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)加熱火槍與鋼板的貼合，保證加工質(zhì)量。日本石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社研制的“IHIMU- a”水火彎板機(jī)器人[4]。該機(jī)器人采用龍門式雙機(jī)械臂設(shè)計(jì)，并通過(guò)感應(yīng)加熱技術(shù)提高了加熱效率和加工速度。

在水火彎板機(jī)器人中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是保證機(jī)器人能按用戶設(shè)定的軌跡對(duì)船體復(fù)雜外板進(jìn)行精準(zhǔn)加工的重要模塊，其性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)器人的控制精度和穩(wěn)定性。本文主要針對(duì)彎板機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)，給出電氣模塊和上位機(jī)模塊的具體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的水火彎板機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)其總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括上位機(jī)和電氣控制兩大模塊。

上位機(jī)模塊：由工控機(jī)和人機(jī)交互界面組成。主要為用戶提供服務(wù)，將用戶的指令發(fā)送到電氣控制模塊，并將電氣控制模塊的執(zhí)行情況反饋到人機(jī)界面中。

電氣控制模塊：由主控制器、輔助控制器、伺服系統(tǒng)、閥門、傳感器和按鈕等組成。主要是根據(jù)上位機(jī)命令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)和閥門，實(shí)現(xiàn)水火彎板加工；同時(shí)通過(guò)相關(guān)傳感器將電氣控制模塊的狀態(tài)反饋到上位機(jī)模塊中。

3 電氣控制模塊設(shè)計(jì)

在本文中電氣控制模塊采用主從二級(jí)協(xié)同控制的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水火彎板機(jī)器人的控制。其中主控制器采用Trio Motion公司的MC464多軸控制器，輔助控制器采用三菱公司的FX2N-64可編程控制器。主從控制器之間主要通過(guò)RS232串口遵循ModBUS協(xié)議進(jìn)行通訊。主控制器與上位機(jī)模塊之間主要通過(guò)RJ45接口遵循ModBUS-TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

如圖1所示，在本系統(tǒng)中主控制器主要對(duì)多個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，使水火彎板機(jī)器人能按用戶設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。具體的控制過(guò)程為主控制器對(duì)單個(gè)或多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器接到脈沖信號(hào)后轉(zhuǎn)化成電壓、電流信號(hào)控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)電機(jī)上的編碼器準(zhǔn)確判斷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使水火彎板機(jī)器人能按照設(shè)定的軌跡路徑和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

輔助控制器主要對(duì)各種閥門、按鈕和電機(jī)使能/制動(dòng)端進(jìn)行控制以及接收各種傳感器的信號(hào)，使水火彎板機(jī)器人能安全的完成水火彎板工藝中的局部加熱和跟蹤冷卻等操作。具體工作分為閥門控制和安全保護(hù)兩部分。其中閥門控制是根據(jù)機(jī)器人的執(zhí)行情況，對(duì)氧氣、燃?xì)?、水槍、壓縮空氣和點(diǎn)火器的閥門進(jìn)行控制，具體為在機(jī)器人加工時(shí)開啟相應(yīng)閥門，結(jié)束加工或待機(jī)時(shí)關(guān)閉相關(guān)閥門。安全保護(hù)則根據(jù)安裝在水火彎板機(jī)器人上的限位開關(guān)和火槍仿碰撞傳感器的信號(hào)對(duì)電機(jī)使能/制動(dòng)端進(jìn)行控制，具體為當(dāng)碰到限位開關(guān)或火槍發(fā)生碰撞時(shí)關(guān)閉各種閥門和電機(jī)的使能/制動(dòng)端停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

4 上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

在本文中上位機(jī)模塊中的人機(jī)交互界面如圖2所示。從圖中可知，該界面主要分為4個(gè)區(qū)域：功能按鈕區(qū)、操作按鈕區(qū)、圖形顯示區(qū)和數(shù)據(jù)顯示區(qū)。

功能按鈕區(qū)：功能按鈕區(qū)主要包括加工、圖形、校準(zhǔn)、日志、診斷和掃描這6個(gè)功能項(xiàng)。各功能按鈕的作用如下：（1）加工按鈕：系統(tǒng)主操作界面，可對(duì)加工軌跡、加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以及查看當(dāng)前機(jī)器人的狀態(tài)；（2）圖形按鈕：通過(guò)三維可視化圖形方式顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡；（3）校準(zhǔn)按鈕：通過(guò)控制機(jī)器人觸碰行程限位開關(guān)方式重新校準(zhǔn)各軸的位置讀數(shù)；（4）日志按鈕：查看水火彎板機(jī)器人的工作日志，包括啟動(dòng)信息、加工信息和報(bào)警信息等；（5）診斷按鈕：當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可以查看故障問(wèn)題以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷；（6）掃描按鈕：控制掃描儀采集數(shù)據(jù)。

操作按鈕區(qū)：在操作按鈕區(qū)主要包括加工操作的5個(gè)按鈕：導(dǎo)入軌跡、啟動(dòng)、繼續(xù)、原點(diǎn)返回、手動(dòng)點(diǎn)火和冷卻選擇的3個(gè)按鈕：水冷、風(fēng)冷、關(guān)閉。各按鈕具體的功能如下：（1）導(dǎo)入軌跡：從工控機(jī)的本地磁盤中選擇后綴名為txt的運(yùn)動(dòng)軌跡控制文檔，然后導(dǎo)入到主控制器中；（2）啟動(dòng)：工人確認(rèn)導(dǎo)入的軌跡控制文檔正確無(wú)誤時(shí)，點(diǎn)擊該按鈕水火彎板機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行加工操作；（3）繼續(xù)：當(dāng)水火彎板機(jī)器人遇到故障停止或人工停止加工后，點(diǎn)擊該按鈕可繼續(xù)上一次的加工操作；（4）原點(diǎn)返回：點(diǎn)擊該按鈕可控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到程序設(shè)定的起始位置；（5）手動(dòng)點(diǎn)火：當(dāng)彎板機(jī)器人的火槍由于某些原因熄滅時(shí)，可通過(guò)該按鈕重新點(diǎn)燃火槍；（6）水冷、風(fēng)冷、關(guān)閉：主要控制冷卻方式，這三個(gè)按鈕為互鎖狀態(tài)，只要按了其中一個(gè)，另外兩個(gè)必然處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖形顯示區(qū)：通過(guò)三維可視化方式，顯示導(dǎo)入的軌跡數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前機(jī)器人加工進(jìn)度情況。

數(shù)據(jù)顯示區(qū)：主要顯示各種閥門狀態(tài)、工作狀態(tài)圖形和工作軸位置信息。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種水火彎板機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)模塊與電氣控制的結(jié)合，用戶只需導(dǎo)入合適的軌跡數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)船體外板的自動(dòng)化加工。同時(shí)該系統(tǒng)所采用的主從二級(jí)控制方式，能有效提高機(jī)器人的可靠性和穩(wěn)定性。因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，對(duì)于船體外板的自動(dòng)化加工具有一定的實(shí)用意義。endprint

參考文獻(xiàn)

[1]唐偉，楊澍，許江淳.數(shù)控水火彎板機(jī)及其工藝的發(fā)展現(xiàn)狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，（6）：75-78.

[2]陳翀.大曲率船體外板加工成型工藝多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]剪欣.大型復(fù)雜船體外板成型智能控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2014

[4]Tango Yoshihiko， Ishiyama Morinobu， Suzuki Hiroyuki.“IHIMU- a”A Fully Automated Steel Plate Bending System for Shipbuilding[J]. IHI Engineering Review，2011，44（1）：6-11.

Abstract：Aiming at the problem of low degree of the automatic of the ship hull plate processing， a motion control system of the line heating robot was designed in this paper. The electrical control part of the system was adopted master-slave two level coordinated control mode. The main controller was used for motion control， the auxiliary controller was used for valve control and safety protection， which were greatly improved the stability and reliability of the robot. The upper computer module was designed according to the requirement of line heating. And the human-computer interaction interface was easy to be operated by the user， and could realized the remote control of the robot and the automatic processing of the ship hull plate.

Key Words：motion control；robot；line heatingendprint