祁偉民， 李 芳， 屈繼強(qiáng)， 金 鑫， 華學(xué)明

(1.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129；2.上海交通大學(xué) 上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)運(yùn)輸船液貨圍護(hù)系統(tǒng)在-163 ℃環(huán)境中使用，為保證在如此低的溫度下安全運(yùn)輸LNG，必須維持艙體的超低溫環(huán)境。超低溫絕緣箱是液貨圍護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一方面有效隔熱，另一方面是LNG的承重載體，承受LNG的重量和沖擊。絕緣箱的使用數(shù)量巨大，如17.4萬m3的LNG船需要的絕緣箱超過60 000個(gè)[1]，且尺寸質(zhì)量和位置精度均具有較高要求。標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱外形為長方體，形狀規(guī)則，占絕緣箱總量的65%以上。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱的自動(dòng)化制造設(shè)計(jì)機(jī)器人自動(dòng)打釘生產(chǎn)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱的高效率、高質(zhì)量制造進(jìn)行探索和實(shí)踐。

1 標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱

1.1 箱體結(jié)構(gòu)

No.96型絕緣箱的材料為膠合板，由外框板、內(nèi)部隔板及頂板、底板經(jīng)卡釘固定連接組成，內(nèi)部填充絕緣材料，如珍珠巖或玻璃棉等，從而達(dá)到熱絕緣的目的。以典型的1S型標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱為例，其箱體結(jié)構(gòu)、部件板打釘位置和頂板打釘位置如圖1所示。

圖1 1S型標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱箱體結(jié)構(gòu)及打釘位置

1.2 制造流程

制造絕緣箱所用的膠合板經(jīng)過預(yù)切板、鉆孔、開槽、安裝楔塊等工序[2]，加工為內(nèi)隔板或外板。標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱制造分為箱體組裝和箱體填充：箱體組裝包括部件板組裝與固定→部件板打釘→頂板組裝與固定→頂板打釘→箱體翻轉(zhuǎn)等工序；箱體填充包括箱體整平、絕緣材料填充、底板組裝與固定、底板打釘?shù)裙ば颉?/p>

2 機(jī)器人自動(dòng)打釘系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

針對(duì)箱體組裝涉及的打釘工序，設(shè)計(jì)基于安川MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)打釘系統(tǒng)。系統(tǒng)由打釘機(jī)器人及機(jī)器人底座、釘槍、加釘站、機(jī)器人控制柜、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)及物流線等組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人自動(dòng)打釘系統(tǒng)平面布置

(1)打釘機(jī)器人。選用安川MOTOMAN ES-165系列六軸工業(yè)機(jī)器人，負(fù)載可達(dá)165 kg，運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)2 700 mm，重復(fù)定位精度為±0.05 mm。通過對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模擬，確定機(jī)器人底座高度及放置位置。機(jī)器人控制柜型號(hào)為DX200。

(2)釘槍。選用自動(dòng)氣動(dòng)釘槍。彈夾裝滿釘子，在氣缸的推動(dòng)下自動(dòng)送入釘槍的槍口處，接通氣源，高壓空氣推動(dòng)撞針運(yùn)動(dòng)，使釘子快速射向工件；斷開氣源，撞針回位，完成1次打釘[3]。在選擇釘槍時(shí)，應(yīng)考慮其工作壓力、可靠性和安全性。在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，撞針及釘槍的其他部件不能發(fā)生斷裂、變形及過度磨損。為保證釘槍使用的安全性，在釘槍上設(shè)置安全保險(xiǎn)傳感器，只有安全保險(xiǎn)信號(hào)接通，釘槍氣閥才能進(jìn)行打釘。為提高打釘效率，可使用多把釘槍同時(shí)工作。該系統(tǒng)采用3把釘槍連接為一個(gè)整體，安裝在機(jī)器人第六軸上。

(3)加釘站。每把釘槍對(duì)應(yīng)1組加釘部件。加釘站用來儲(chǔ)藏釘子。經(jīng)自動(dòng)檢測系統(tǒng)判斷需要加釘時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至加釘站位置，釘槍釘槽與加釘站釘槽對(duì)準(zhǔn)，儲(chǔ)藏艙內(nèi)的釘子自動(dòng)落下，并由推桿氣缸推動(dòng)釘子，送入釘槍。

(4)物流線。在物流線上設(shè)置電機(jī)，以恒定的速度運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)機(jī)器人工作站內(nèi)均設(shè)置緩存工位和打釘工位。經(jīng)人工裝配及固定的絕緣箱經(jīng)物流線運(yùn)動(dòng)至緩存工位，在打釘工位空閑時(shí)，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至打釘工位，并由夾具固定絕緣箱，等待機(jī)器人打釘。若打釘工位其他絕緣箱正在打釘，則該絕緣箱停在緩存位等待。

(5)PLC。PLC是機(jī)器人自動(dòng)打釘系統(tǒng)的控制中心，其主要功能包括：①自動(dòng)打釘：輸入箱體型號(hào)，自動(dòng)選擇打釘作業(yè)程序；②自動(dòng)加釘：自動(dòng)判定釘槍內(nèi)的釘子數(shù)量，在數(shù)量低于預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)加釘；③漏釘報(bào)警：在打釘過程中，若出現(xiàn)卡釘或重釘?shù)犬惓＃瑒t自動(dòng)發(fā)出提示信息與警報(bào)，及時(shí)停止機(jī)器人作業(yè)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)軟件使用Siemens STEP7 V5.5開發(fā)，包括釘槍、加釘站、機(jī)器人、伺服、編碼器等控制模塊。

(1)釘槍控制模塊：主要負(fù)責(zé)釘槍的射釘流程控制。

(2)加釘站控制模塊：主要負(fù)責(zé)自動(dòng)化的機(jī)器人加釘流程控制。

(3)機(jī)器人控制模塊：主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的軌跡運(yùn)動(dòng)及程序調(diào)用等功能。

(4)伺服控制模塊：主要負(fù)責(zé)釘槍射釘間距的自動(dòng)調(diào)整功能。

(5)編碼器控制模塊：主要負(fù)責(zé)釘條運(yùn)動(dòng)反饋脈沖值的檢測與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加釘及卡釘或重釘?shù)认到y(tǒng)故障判斷。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念、便于維護(hù)和二次開發(fā)；功能模塊算法簡單可靠，人機(jī)界面友好，操作直觀簡潔。動(dòng)作流程為：機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)至打釘位置，向釘槍發(fā)出射釘請(qǐng)求，待釘槍安全保險(xiǎn)傳感器信號(hào)正常、射釘閥通氣，將釘子射出，延時(shí)后釘槍縮回，向機(jī)器人發(fā)出射釘結(jié)束信號(hào)；此時(shí)，編碼器控制模塊自動(dòng)運(yùn)行，更新編碼器數(shù)值，與前一次數(shù)值進(jìn)行比較；在出現(xiàn)異常(卡釘或重釘)時(shí)，進(jìn)入射釘異常流程，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)器人停止；若數(shù)值正常，則機(jī)器人按照預(yù)設(shè)軌跡繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至下一位置，直至打完所有位置，機(jī)器人返回作業(yè)原點(diǎn)。

3 機(jī)器人打釘軌跡規(guī)劃

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱需要打釘?shù)牟煌恢?，將機(jī)器人打釘劃分為不同的作業(yè)面，如圖3所示。在每個(gè)作業(yè)面上，機(jī)器人需要預(yù)先規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，依次完成打釘作業(yè)。

圖3 機(jī)器人打釘作業(yè)面劃分

3.1 用戶坐標(biāo)系及變量定義

在機(jī)器人系統(tǒng)中定義用戶坐標(biāo)系及需要的變量：根據(jù)打釘作業(yè)面定義對(duì)應(yīng)的用戶坐標(biāo)系；定義標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱每個(gè)作業(yè)面的坐標(biāo)原點(diǎn)及坐標(biāo)系；以釘距的數(shù)值作為為機(jī)器人用戶坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)偏移量；定義機(jī)器人在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱打釘作業(yè)面的作業(yè)起始點(diǎn)；為補(bǔ)償機(jī)器人重復(fù)運(yùn)動(dòng)偏差、釘槍重復(fù)運(yùn)動(dòng)偏差、標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱裝配偏差等，在機(jī)器人控制器中定義釘距坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器，包括面坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器、列坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器和點(diǎn)坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器，補(bǔ)償寄存器的值可由人工輸入，根據(jù)實(shí)際偏差進(jìn)行設(shè)定。機(jī)器人作業(yè)面內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整如圖4所示。

圖4 機(jī)器人作業(yè)面內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整示例

3.2 打釘軌跡算法

在作業(yè)面坐標(biāo)系內(nèi)，打釘作業(yè)點(diǎn)坐標(biāo)算法為

作業(yè)面起始點(diǎn)坐標(biāo)=初始示教點(diǎn)+面坐標(biāo)偏移寄存器+面坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器

(1)

作業(yè)列起始點(diǎn)坐標(biāo)=作業(yè)面起始點(diǎn)坐標(biāo)+列坐標(biāo)偏移寄存器+列坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器

(2)

作業(yè)點(diǎn)坐標(biāo)=作業(yè)列起始點(diǎn)坐標(biāo)+點(diǎn)坐標(biāo)偏移寄存器+點(diǎn)坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器

(3)

多模式調(diào)整策略如下：

(1)面調(diào)整模式。通過調(diào)整面坐標(biāo)偏移寄存器和面坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器的值，可對(duì)當(dāng)前作業(yè)面的所有作業(yè)點(diǎn)坐標(biāo)一次性作出調(diào)整，調(diào)整值由面坐標(biāo)偏移寄存器和面坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器決定。

(2)列調(diào)整模式。通過調(diào)整列坐標(biāo)偏移寄存器和列坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器的值，可對(duì)當(dāng)前作業(yè)列的所有作業(yè)點(diǎn)坐標(biāo)一次性作出調(diào)整，調(diào)整值由列坐標(biāo)偏移寄存器和列坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器決定。

(3)點(diǎn)調(diào)整模式。通過調(diào)整點(diǎn)坐標(biāo)偏移寄存器和點(diǎn)坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器的值，可對(duì)當(dāng)前作業(yè)點(diǎn)的坐標(biāo)作出調(diào)整，調(diào)整值由點(diǎn)坐標(biāo)偏移寄存器和點(diǎn)坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器決定。

3.3 打釘軌跡自動(dòng)調(diào)整過程

機(jī)器人打釘軌跡自動(dòng)調(diào)整過程如下：

(1)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至作業(yè)面起始點(diǎn)，設(shè)定釘槍垂直于待打釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)絕緣箱箱板。

(2)讀取當(dāng)前機(jī)器人軸的脈沖值，利用轉(zhuǎn)換命令轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)用戶坐標(biāo)系的x、y和z坐標(biāo)；機(jī)器人讀取釘距坐標(biāo)偏移寄存器、釘距坐標(biāo)補(bǔ)償寄存器的數(shù)據(jù)，并疊加當(dāng)前的x、y和z坐標(biāo)，得到新的x、y和z坐標(biāo)，該坐標(biāo)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。

(3)機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動(dòng)命令，運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

(4)到達(dá)指定位置，釘槍打釘。

(5)打釘完成，釘槍發(fā)出打釘完成信號(hào)。

(6)重復(fù)步驟(2)～(5)，直至打完所有位置，機(jī)器人返回作業(yè)原點(diǎn)。

4 結(jié) 語

采用所提出的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可方便、快速地生成機(jī)器人打釘作業(yè)程序，與傳統(tǒng)的示教方法相比，大幅提高系統(tǒng)的靈活性和現(xiàn)場效率。目前，機(jī)器人自動(dòng)打釘系統(tǒng)已在滬東中華造船(集團(tuán))有限公司現(xiàn)場可靠運(yùn)行，并通過法國GTT公司的認(rèn)證，所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，日均生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)絕緣箱超過200個(gè)，有效地提高生產(chǎn)效率。