基于示教軌跡優(yōu)化的船廠焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

張 藝， 夏志亭

(招商局郵輪制造有限公司，江蘇 海門 226116)

0 引言

焊接是船舶制造過程中的重要工藝，其質(zhì)量受焊接工藝人員技術(shù)水平、焊接設(shè)備性能和焊接效率等因素影響。直接采用人工焊接船舶桁材、船體甲板、格子間和艙室等大型鋼結(jié)構(gòu)件的方法，很難保證船體結(jié)構(gòu)之間焊縫的品質(zhì)。隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，利用焊接機(jī)器人對船舶桁材等大型結(jié)構(gòu)體焊接成型的技術(shù)已相對成熟，并成功研制了支持點(diǎn)焊、弧焊等多種焊接方式的機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)。對于焊接機(jī)器人的控制系統(tǒng)，已開發(fā)應(yīng)用了多種示教編程方案，使得焊接機(jī)器人能按程序設(shè)定和軌跡規(guī)劃高效施焊，進(jìn)而便于控制焊接質(zhì)量和效率。

本文利用嵌入式芯片S3C2410開發(fā)具有示教軌跡優(yōu)化的焊接機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，配置易于示教和人機(jī)交互的硬件裝置，在嵌入式芯片S3C2410上植入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，并設(shè)計(jì)具有示教軌跡優(yōu)化和焊接自動控制的嵌入式軟件功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

船廠焊接機(jī)器人主要負(fù)責(zé)船舶桁材、船體甲板、格子間和艙室等大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接成型，所用的焊接機(jī)器人具有6個(gè)自由度，利用焊槍的擺動→伸縮→旋轉(zhuǎn)使其由基點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)移到實(shí)際焊點(diǎn)位置。

進(jìn)行焊接機(jī)器人與結(jié)構(gòu)件夾具設(shè)計(jì)時(shí)，需要建立6個(gè)自由度焊接機(jī)器人的D-H坐標(biāo)，由此寫出基點(diǎn)坐標(biāo)到實(shí)際焊點(diǎn)坐標(biāo)的變換矩陣，再利用逆運(yùn)動學(xué)分析求解各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，按焊接基點(diǎn)與實(shí)際焊點(diǎn)間的空間位置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，進(jìn)而直觀表現(xiàn)目標(biāo)夾具和焊點(diǎn)位置對應(yīng)的焊接機(jī)器人運(yùn)動狀況。

焊接機(jī)器人控制功能基于嵌入式硬件和uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其總體控制方案見圖1，。硬件包括嵌入式主控制器、人機(jī)交互界面、機(jī)器人驅(qū)動和焊機(jī)控制器。嵌入式主控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)示教軌跡的生成、優(yōu)化和實(shí)時(shí)控制，通過人機(jī)交互在線調(diào)度機(jī)器人驅(qū)動和焊機(jī)控制器，確保大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接成型質(zhì)量；人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)充分考慮了與焊接工藝人員在線交互和使用的方便性，既能根據(jù)大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接需求得到示教軌跡，又能監(jiān)控焊接基點(diǎn)與實(shí)際焊點(diǎn)間的位姿關(guān)系；機(jī)器人驅(qū)動能根據(jù)示教軌跡優(yōu)化輸出控制各關(guān)節(jié)位置的末端執(zhí)行器，進(jìn)而使焊機(jī)所處位置準(zhǔn)確到位；焊機(jī)能響應(yīng)嵌入式主控制器的調(diào)度信號，待示教軌跡達(dá)到預(yù)設(shè)位置后，控制焊機(jī)的焊接速度、電壓和電流等參數(shù)。

圖1 船廠焊接機(jī)器人總體方案

2 軟件設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人控制軟件包括嵌入式uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件、焊接機(jī)器人示教軌跡優(yōu)化和焊機(jī)參數(shù)控制程序。嵌入式uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序U-Boot存儲在Nand Flash中。硬件系統(tǒng)初始化后，利用OSInit建立空閑和統(tǒng)計(jì)任務(wù)，“OSInit()函數(shù)”位于“OS_CORE.C”中，通過調(diào)用“OS_InitTaskIdle()”構(gòu)建空閑“server”，而“OS_InitTaskStat()”構(gòu)建統(tǒng)計(jì)“server”；利用“OSTaskCreate()函數(shù)”建立適于焊接機(jī)器人優(yōu)化控制的任務(wù)，再通過“OSStart()函數(shù)”執(zhí)行設(shè)定的焊接機(jī)器人優(yōu)化控制任務(wù)。系統(tǒng)初始化后，焊接工藝人員通過S3C2410外圍開發(fā)的觸摸屏和運(yùn)動控制按鍵直接示教給出焊接大型鋼結(jié)構(gòu)體的施焊軌跡；嵌入式系統(tǒng)根據(jù)直接示教軌跡優(yōu)化空走段和實(shí)際焊接段，給出優(yōu)化后控制代碼，其中空走段路徑優(yōu)化以空間位置的最短路徑規(guī)劃，實(shí)際焊接段考慮示教軌跡在二維平面的形狀，分直線、圓弧和抖動優(yōu)化控制程序。

示教軌跡優(yōu)化輸出的控制程序存儲到嵌入式主控制器S3C2410的Nor Flash模塊。當(dāng)進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)，嵌入式主控制器讀取Nor Flash的優(yōu)化程序，并通過RS-232控制焊接機(jī)器人按示教優(yōu)化的軌跡空走，同時(shí)在觸摸屏端顯示空走坐標(biāo)相對于初始化基點(diǎn)位置信息。空走段結(jié)束后，嵌入式主控制器再通過RS-232串口控制焊點(diǎn)驅(qū)動和焊接電源參數(shù)，保證大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接成型質(zhì)量。

3 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式主控制器采用工業(yè)級S3C2410芯片，具有豐富的片上及外設(shè)接口資源。S3C2410內(nèi)置高速的CPU數(shù)據(jù)和指令緩存，允許在線高效處理示教軌跡和控制焊接參數(shù)，提供主從USB接口、通用異步收發(fā)接口、通用同步收發(fā)接口和ADC等模塊，方便配置集示教軌跡采集、優(yōu)化、監(jiān)測和控制的焊接機(jī)器人控制硬件。嵌入式主控制器S3C2410外圍設(shè)計(jì)電源、晶振、復(fù)位、存儲、JTAG與通信接口、按鍵和觸摸屏等模塊，其硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

SDRAM—存儲器；Nor Flash—Nor閃存； Nand Flash—Nand閃存；JTAG—JTAG接口。圖2 焊接機(jī)器人嵌入式主控制器硬件結(jié)構(gòu)

電源管理模塊為嵌入式主控制器S3C2410提供標(biāo)準(zhǔn)的1.8V DC內(nèi)核和3.3V DC接口供電需求。按鍵和觸摸屏提供便于交互和管理的人機(jī)交互系統(tǒng)。按鍵分為功能控制和運(yùn)動控制，利用功能控制嵌入式主控制器的上電、暫停和急停，借助擺動、微調(diào)運(yùn)動控制獲取示教軌跡，并利用觸摸屏監(jiān)控焊接基點(diǎn)與實(shí)際焊點(diǎn)間的位姿關(guān)系。晶振為嵌入式主控制器S3C2410提供12 MHz高速時(shí)鐘和32.768 kHz低速時(shí)鐘，由S3C2410的鎖相環(huán)(PLL)倍頻輸出滿足內(nèi)核和總線需求的時(shí)鐘頻率。復(fù)位可初始化嵌入式主控制器S3C2410，避免程序跑飛或運(yùn)行異常。存儲模塊分為程序和數(shù)據(jù)存儲，焊接控制和示教軌跡優(yōu)化程序存儲到16 M的Nor Flash模塊，嵌入式uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、示教軌跡參數(shù)、焊接基點(diǎn)與實(shí)際焊點(diǎn)間的位姿變化參數(shù)存儲到16 M的Nand Flash模塊，通過復(fù)位或上電初始化uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)，Nand Flash存儲的嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)程序拷貝到SDRAM中執(zhí)行。

焊接機(jī)器人位姿控制采用LM628和Atmega128單片機(jī)，按示教軌跡優(yōu)化程序控制焊接基點(diǎn)與實(shí)際焊點(diǎn)間的位姿關(guān)系。嵌入式主控制器S3C2410與焊接機(jī)器人位姿控制間配置RS-232接口，由嵌入式S3C2410在線控制機(jī)器人焊接位姿。同樣，主控制器S3C2410利用串口RS-232與焊接速度和焊機(jī)電源控制器相連接。嵌入式焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)利用JTAG接口調(diào)試S3C2410的基本功能，確保系統(tǒng)間通信正常。

4 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)對船廠大型鋼結(jié)構(gòu)件的自動焊接控制，設(shè)計(jì)以S3C2410嵌入式控制器和uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的焊接機(jī)器人智能控制系統(tǒng)。

(2)搭建具有直接示教、示教軌跡優(yōu)化、焊接參數(shù)在線設(shè)置和控制、焊機(jī)與機(jī)器人在線通信功能的硬件系統(tǒng)，并在嵌入式硬件上植入實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)uC/OS-II。

(3)通過直接示教獲取焊接軌跡，利用限定條件和焊接路徑特征優(yōu)化實(shí)際焊接軌跡，再借助uC/OS-II操作系統(tǒng)上定義的功能任務(wù)，在線控制焊接機(jī)器人的焊接軌跡和參數(shù)。