九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計*

王全剛，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué) a.自動化學(xué)院；b.計算機學(xué)院,廣州　510006)

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九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計*

王全剛a，程良倫b

(廣東工業(yè)大學(xué) a.自動化學(xué)院；b.計算機學(xué)院,廣州510006)

摘要：針對現(xiàn)階段船體外板水火加工自動化水平普遍不高，工人手工燒板效率低、成本高、精度差、勞動強度大的現(xiàn)狀，設(shè)計出基于TRIO嵌入式運動控制器和可編程邏輯器件PLC的九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)，通過彎板機器人九軸聯(lián)動，實現(xiàn)火槍頭按照規(guī)劃火路對鋼板進行自動水火加工。設(shè)計了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，能夠完全滿足水火彎板的自動化加工需求。

關(guān)鍵詞：九軸聯(lián)動；水火彎板；串行通信

0引言

近年來，我國的船舶制造業(yè)已經(jīng)有了突飛猛進的發(fā)展，市場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，與日韓等造船強國還有較大差距。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)過輥壓機進行粗加工后，用火槍對鋼板局部加熱，利用鋼板受熱—冷卻，使局部鋼材發(fā)生細微熱塑性收縮形變，從而使鋼板達到設(shè)計的三維形狀[2]。

當(dāng)今國內(nèi)船體外板水火加工基本還是采用人工燒板，自動化水平不高，生產(chǎn)效率低下，工人勞動環(huán)境較差。大連理工大學(xué)作為國內(nèi)首臺水火彎板機的研制單位，解決了加工時鋼板隨機變形引起誤差的難題[3]，近年來廣船國際股份有限公司、上海交通大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)等科研單位對此領(lǐng)域的研究也取得了一些成果[4]。國外日韓等國對水火彎板自動化加工技術(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ICALM系統(tǒng)[5]。

本文以英國TRIO公司MC464型運動控制器和日本三菱FX2N-64MT-D型PLC共同組成控制核心，實現(xiàn)了彎板機器人的九軸聯(lián)動，解決了兩種控制器之間的雙向通信問題，PLC自帶多達64個IO點還保證了系統(tǒng)的各項電氣控制和信號采集。實踐證明，九軸水火彎板機器人大大提高了船體外板加工效率，滿足了對復(fù)雜曲面板材的自動化加工需求。

1系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

1.1彎板機的機械結(jié)構(gòu)

水火彎板機器人一共由9個聯(lián)動軸組成。X1、X2兩個同步軸控制龍門架縱向前后運動，Y軸和Z軸分別控制火槍頭的橫向和上下運動，這四個軸的聯(lián)動可以使火槍頭到達加工位置的三維坐標點，如圖1所示。

圖1　彎板機機械結(jié)構(gòu)圖

圖2　火槍頭機械結(jié)構(gòu)圖

火槍頭機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中RZ軸繞Z軸左右擺動，RX繞X軸上下擺動，兩軸聯(lián)動可以實現(xiàn)火槍始終與待加工曲面當(dāng)前加工點的法向量重合，即火槍始終垂直于曲面板，RZ在XOY面內(nèi)的左右擺動還可以增加加工區(qū)域，減少實際移動距離。L1和L2軸固定在十字滑臺上，二軸聯(lián)動可牽引火槍頭以原點位置中軸線為圓心做圓周運動，以達到增大加熱區(qū)域、提高燒板效果的目的。H軸控制水槍/壓縮空氣槍，燒板過程中水槍頭通過左右旋動實現(xiàn)對火槍軌跡的跟隨，使板材達到冷卻收縮的效果。

1.2系統(tǒng)的硬件組成

整個水火彎板機器人控制系統(tǒng)包括運動控制系統(tǒng)、火路和板型測量系統(tǒng)、火路規(guī)劃專家系統(tǒng)。測量系統(tǒng)通過掃描儀獲取板型信息，并將信息傳至專家系統(tǒng)，實現(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)進行坐標變換并發(fā)送至運動控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)火槍頭對板材的實際加工操作。本文重點介紹水火彎板機器人九軸運動控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

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

圖3　運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

TRIO與工控機通過以太網(wǎng)建立穩(wěn)定通信，PLC與TRIO通過RS232物理通道，遵從自由口自定義串行通信協(xié)議實現(xiàn)雙向通信。工控機可以查看加工情況、報警記錄，實現(xiàn)機器啟?？刂频热藱C對話；各軸伺服驅(qū)動器在接收到TRIO和PLC的驅(qū)動信號后，輸出高速脈沖，從而驅(qū)動各軸伺服電機，使彎板機器人實現(xiàn)多軸聯(lián)動。

2控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

2.1九軸控制系統(tǒng)

作為工業(yè)控制行業(yè)廣泛運用的嵌入式運動控制器，MC464最多支持八軸控制，64位400MHz處理器保證其強大的運算能力，自帶TRIO Basic語言可以方便的實現(xiàn)對各軸運動的速度、加速度以及位置控制[6]。

常見的伺服控制方式主要有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，分別對應(yīng)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)[7]?？紤]到實際加工需要和控制器自身特點，MC464控制的八軸采用速度控制模式，TRIO發(fā)送的運動指令通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬量電壓，從而精確控制各軸運動的速度和方向，運算速度更快。為了實現(xiàn)精確位置控制，MC464自帶位置判斷功能，可以通過伺服放大器間接讀取伺服電機編碼器的脈沖數(shù)，構(gòu)成一個大的位置環(huán)，從而使整個控制系統(tǒng)實現(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通過拓展FX2N-1PG脈沖發(fā)生模塊實現(xiàn)對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)角度作為長度單位，以模塊每秒脈沖輸出個數(shù)作為速度單位。模塊輸出的脈沖個數(shù)與伺服放大器中設(shè)置的電子齒輪比相乘，實現(xiàn)H軸速度和位置的控制。PLC與TRIO通過RS232建立穩(wěn)定通訊，從而實現(xiàn)九軸聯(lián)動。

2.2 加工流程

專家系統(tǒng)規(guī)劃的火路實際上是給出了一條火路上的若干特征點，并將其作坐標變換轉(zhuǎn)化為運動控制器各軸實際運動的坐標或角度，存儲在”.txt”格式的文件中，便于控制器讀取。焰道線上給出的特征點越密集，火槍頭運動軌跡越精確[8]。

圖5　彎板自動加工流程圖

水火彎板機器人控制系統(tǒng)有單軸手動控制和自動加工兩種操作模式，手動操作主要用于機器調(diào)試和零點校準。自動加工的工作流程如圖5所示，燒板前將Z軸抬高點火可以保證周圍操作工人安全，燒板完成后Z軸抬高返回是為了防止火槍頭在返回原點過程中與曲面板發(fā)生碰撞。在加工過程中能夠根據(jù)實際情況，手動調(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

由于FX2N-64MT-D型PLC本身不支持MODBUS協(xié)議，此外在PLC中通過梯形圖實現(xiàn)MODBUS協(xié)議描述也過于繁瑣，設(shè)計了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)送一次命令請求信號和狀態(tài)信號。命令請求信號請求讀取TRIO寄存器VR的值，TRIO在接收到請求信號后，將H軸控制、伺服使能控制、電磁閥控制等命令數(shù)據(jù)寫入PLC請求讀取的VR寄存器內(nèi)并進行發(fā)送，從而實現(xiàn)TRIO對PLC的控制，在TRIO沒有命令發(fā)送的情況下從機PLC處于偵聽狀態(tài)[9]。

狀態(tài)數(shù)據(jù)包主要包括伺服報警信號、H軸位置信號、各軸限位信號、火槍頭溫度信號等，TRIO在接收到該數(shù)據(jù)包后，通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)表頭定義的VR區(qū)進行數(shù)據(jù)寫入，從而實現(xiàn)接收狀態(tài)數(shù)據(jù)的目的。

通信過程中由于讀寫數(shù)據(jù)量較小，同時要保證通信的穩(wěn)定，選擇和校驗的校驗方式[10]。通信報文格式如表1所示。

表1　通信報文格式

4技術(shù)指標與實驗分析

為滿足水火彎板加工的實際工藝需求，九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)主要要滿足運范圍和控制精度兩大技術(shù)指標。

運動位置范圍：X1、X2軸縱向運動0~14m；Y軸橫向運動0~5m；Z軸火槍頭豎向抬高0~1.35m；RZ在XOY平面內(nèi)擺動幅度±75°；RX在YOZ平面內(nèi)擺動幅度±90°；L1、L2聯(lián)動火槍頭打轉(zhuǎn)半徑0~5cm；H軸水槍繞火槍轉(zhuǎn)動±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)動軸要求角度誤差在1°以內(nèi)。

為了驗證九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)的控制精度，選取廣船國際2.5m×1.5m帆形板為實驗對象，考慮到運動軌跡測量有較大的復(fù)雜度且無法量化的表示，故采用特征點比較的方法來進行試驗驗證，如圖7所示。

圖7　帆形板火路特征點

選取目標鋼板的四角和中軸線兩端共6點作為特征點，通過提取特征點掃描儀點云數(shù)據(jù)并進行三維坐標轉(zhuǎn)換后，使彎板機火槍頭分別運動到以上6點，再通過掃描儀二次掃描，得出實際運動位置坐標，比對后可以直觀的看出定位誤差，測量結(jié)果如表2所示。

表2　特征點誤差分析

由表2可以看出，九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)有較好的控制精度，各特征點坐標誤差在技術(shù)指標要求的誤差范圍之內(nèi)。

5結(jié)束語

設(shè)計的基于MC464型嵌入式運動控制器和FX2N-64MT-D型PLC的九軸水火彎板機器人運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了彎板機九軸聯(lián)動，自動加工各種復(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。九軸水火彎板機器人的研制，有助于提升船體外板加工的自動化水平、降低勞動負荷、節(jié)約生產(chǎn)成本、提升企業(yè)競爭力。

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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

中圖分類號：TH165;TG659

文獻標識碼：A

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

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

收稿日期：2015-05-04

文章編號：1001-2265(2016)03-0090-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.025