水火弯板智能机器人控制器的设计

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Κ εψωορδσ ≥∞ ≤
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引言 Ιντροδυχτιον
水火弯板是目前国内外各船厂普遍采用的船体
这种经验的学习周期长 技术难掌握 随着计算机技 术的发展 已经基本实现了弯板工艺的参数预报系 统 在此预报系统的基础上开发智能机器人将改变 该工艺过分依赖人工经验的现状 再次 水火弯板工 艺的自动化将大大提高生产速度 缩短造船周期 对 提高造船质量! 降低造船成本有重要意义 本文介绍的水火弯板智能机器人基于工艺参数 预报系统 应用 ≥∞ ≤ ≥ 先进技术 第一次对该工艺 智能化做了尝试 实验表明 该机器人的体系结构先 进 功能强 稳定性好 精确度高
机
器
人
年
月
仅降低了系统的复杂性 有利于系统的设计与开发 而且也方便 主控模块将根据当前的系统状态和来自外界的 控制命令调用相应的模块 如故障处理! 界面显示! 运动规划等 故障处理模块具有故障提示和故障清除的功 能 根据故障原因的不同 故障处理模块将做不同的 处理 如果是一般性错误 就向用户给出错误显示 并向用户提示可能的排除错误的方法以指导用户操 作 如果是严重的系统错误 则首先进行电机保护 然后发出警告 显示错误信息
方向进行运动的激光测量装置和可在 Ψ 2Ζ 平面内旋 转的加工末端 包括点火! 喷火和喷水装置等 这种 龙门架结构的刚度高 稳定性能好 在水火弯板机器人系统中 最大的工作空间为
≅ ≅ Ψ 方向
要求 Ξ 方向 误差要求 β以内
加工线的定位误差 钢板表面测量
β?
加热喷火头与钢板角度为
图
ƒ ≥
加工钢板示意图
第
卷第 期 年 月
2 2 2
机器人
ΡΟΒΟΤ
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文章编号
水火弯板智能机器人控制器的设计
操先良 赵雁南 贾培发 王家钦
北京 清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室
Ξ
杨泽红
摘 要 针对造船技术中水火弯板工艺的自动化 本文介绍了一种基于 ≥∞ ≤ ≥ 总线的特种工业机器人 在 描述水火弯板工艺过程的基础上 文章对机器人的总体结构及其技术特点做了简单介绍 本文着重分析了基于 ≥∞ ≤ ≥ 总线的机器人控制器的特点 介绍了层次化 ! 模块化软件系统的设计 最后 针对实际应用背景 本文提出 了测量引导加工的加工方法 关键词 ≥∞ ≤ ≥ 总线 水火弯板 智能机器人 控制器 文献标识码 中图分类号 ×°
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指令文件和参数文件的编辑功能 包括常规的 文件操作和编辑操作 操作层 这一层接受并处理所有的外部命令 包 括来自用户程序指令的和来自用户按键的命令 对 于程序指令 系统首先会将其进行编译操作 包括格 式检查和参数检验等 然后交由解释模块进行指令 解释和执行 如果是用户按键 包括来自控制台和示 教盒的键 都放入同一按键队列 然后由按键解释程 序统一进行处理 对于运动控制命令 在这一层要完 成运动规划 伺服层 按照上一层的运动规划结果 实现机器 人的运动 由 ≥∞ ≤ ≥ 控制卡产生周期性的中断 在中断处理程序中来调用上层的规划结果 同时 伺 服层还要向上反馈状态信息 上面的两层是在主过 程当中运行 是可以被 ≥∞ ≤ ≥ 中断打断的 各个层之间接口简单! 明确 每层只调用下一层 的接口 并只向上一层提供服务 层与层之间的独立 性强 层内部的修改对其他层的影响小 4 2 模块化设计 总体说来 整个系统可以分为如下图的十几个 相对独立的模块 系统监测模块负责系统状态的监测和故障检 测 并将状态信息传给主控制模块 按键接收模块负责接收来自控制台和示教盒的 按键 将所有键值都放入同一个队列 等待主控程序
和驱动器 ≥ √ 之间用光缆作为传输介 质 对于每个主控制卡 可以串连 个节点 通过级 联的方式 可以将多个控制卡加到系统中 最终可以 实现 个节点的协同控制 水火弯板机器人应用了 ≥∞ ≤ ≥ 总线 大大改 进了传统机器人控制系统的不足 该机器人系统具 有如下一些特点 控制器和电机驱动器之间通过光纤传输数字 信号 抗干扰能力强 数据的传输速率高 传输速率 最高可达 求 与传统的集中式控制相比 基于 ≥∞ ≤ ≥ 总 能够满足目前实时控制系统要
外板无模成型方法 首先把大体为矩形形状的钢板 以长边为母线用辊床辊压成单向曲率板 然后在其 边缘进行线状加热 随之浇水冷却 靠热胀冷缩作用 使钢板再产生沿长边方向的弯曲 形成所需要的三 维曲面形状 水火弯板曲面成形是造船生产中技术 性强! 难度大! 影响因素多! 操作技艺难以掌握的手 工工艺 到目前为止 该项加工工艺还必须依靠熟练 工人的经验 水火弯板工艺的自动化将对我国的造船工业有 重要影响 首先 水火弯板加工是在高温! 高压! 易燃 等恶劣环境中进行的一项复杂! 繁重的劳动 容易使 作业工人疲劳和产生厌倦 水火弯板机器人的开发 和应用将大大改善工人的工作环境 其次 水火弯板 工艺的手工操作需要依靠熟练工人的丰富经验 而
图
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传统机器人控制器体系结构
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图
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基于 ≥∞ ≤ ≥ 总线的机器人控制器结构
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在传统的机器人控制系统中 通常由一个多计 算机系统承担复杂的机器人控制任务 计算机主机 完成轨迹规划和任务调度 而速度和位置的闭环以 及轨迹插补工作要依靠从机 位控板 完成 每对控 制器与设备之间用一条单独的线连接 这种机器人 控制器的模块繁多 模块之间的连接复杂 而且相互 制约 从而导致机器人控制系统难以开放 降低了系 统的可靠性 难以实现多个轴同步协调运动控制
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层次化! 模块化的软件系统 Η ιεραρχηιχαλ
ανδ μ οδυλ αριζεδ σοφτωαρε σψστεμ
水火弯板机器人控制器的软件功能丰富 结构
庞杂 从软件工程的角度 在系统的开发过程中 将 控制器的软件系统分层组织 分模块开发 层与层之 间的界限清楚 模块与模块之间的接口明确 这样不
运动规划模块负责机器人各种运动路径的计算 生成 主控程序根据控制命令调用运动规划模块 生 成的路径规划结果存放在运动队列中 由伺服模块 完成动作执行 与专家系统交互模块负责同参数预报系统通 信 将测量所得的数据传给参数预报系统 并接收从 参数预报系统传来的加工工艺参数 编辑模块负责提供编辑文件的环境 包括打开! 新建! 删除等文件操作和插入! 改写等编辑操作 各个模块按照功能划分 每个模块负责完成一 组紧密相关的任务 模块之间的通信量小 独立性 强
如图所示 加工线分布在钢板两侧 它们在 Ξ 2Ψ 平面上的投影是一组直线 但长短不一 间距也不
图
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机器人的总体结构
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同 加工时 加热的行走方向是从钢板表面向钢板 外 加工线的终点在钢板的边沿上
在该机器人系统中 我们采用 ≥∞ ≤ ≥ 总线来 实现机器人 个轴的分布式控制 这五个轴包括两 个平行的 Ξ 轴! 一个 Ψ 轴! 一个 Ζ 轴和一个用于控 制加工头旋转的 Η 轴 机器人的这种龙门架式结构和 基于 ≥∞ ≤ ≥ 的分布式控制 使得机器人能在较大 的工作空间里保证精度的要求 2 2 工艺流程 根据水火加工成型工艺需要 在机器人加工之 前 将待加工钢板的横向圆弧经过滚压 然后把滚压 后的钢板在加工平台上放好 机器人开始加工 智能机器人加工工艺流程描述如下 定位 通过人工示教 机器人寻找并记录钢 板四个顶点的坐标点 建立/ 绝对坐标系0 和/ 钢板表 面坐标系0 之间的映射关系 测量 测量钢板表面和边界 获得拟合钢板 曲面所需要的离散点的三维坐标 拟合曲面 根据测量所记录的数据 拟合钢 板的形状 根据钢板当前的形状 判断是否已经满足加 工要求 如果满足就结束当前钢板的加工 否则 就 由工艺参数预报系统生成加工工艺参数 机器人根据加工工艺参数进行加工 工艺参 数给出加工线的位置! 长度和有关加热和冷却的时
Ψ 平面的 Ζ
间参数等 在加工时 机器人将首先计算并寻找加工 线位置 然后按照一定的时间要求沿着加工线匀速 地喷火加热 在加热的过程中通过控制 Η 轴使得火焰 在 Ψ 2Ζ 平面上垂直于加工线 并且火焰与钢板的距 离保持一定 在加热时 还要控制喷水阀进行冷却 加工过程完毕 转向第二步 图 示意了钢板在加工前后的形状变化
≥∞ ≤ ≥ 采用了环形的拓扑结构 主控制器
线的系统布线大大简化 不再需要在控制器和每个 驱动器之间进行单独连线 提高了系统的可靠性
≥∞ ≤ ≥ 具有良好的可扩充性 在 ≥∞ ≤ ≥
系统中 每一个 ≥∞ ≤ ≥ 接口卡可以连接 个节 点 在控制回路中 可以很容易地增加新节点或者裁 减某个节点 由 于 ≥∞ ≤ ≥ 总 线 是 开 放 的 所 有 遵 从 ≥∞ ≤ ≥ 协议的设备都可以很方便地加入到系统 中 只要遵从 ≥∞ ≤ ≥ 协议 来自不同生产厂商的 同一种设备都可以互换 这种开放性大大提高了系 统的可扩展性能 总而言之 这种基于 ≤ ∞ ≤ ≥ 总线的机器人控 制系统控制精度高 稳定性好 有很好的开放性 易 于维护和扩充
第
卷第
期
操先良等
水火弯板智能机器人控制器的设计
信号 传输给各个伺服电机的驱动器 由驱动器产生 精确驱动信号驱动相应的电机 同时把电机执行的 结果反馈给工控计算机 以便计算机对电机的工作 状态进行监控 为了减轻小车的重量 激光测头的升降用步进 电机来控制 自动调高装置是一个相对独立的闭环系统 用 于加工时喷火嘴与钢板之间距离的微量调节 激光 测头采集的距离信息通过 Ù ⁄ 转换卡将模拟信号转 换成数字信号 传给主机处理
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层次化组织 将本系统分为以下三层
用户层 用户层是系统的最高层 用户层提供人 机界面的接口 包括界面显示和编程接口 界面显示 部分实时显示机器人在运行过程中的系统状态 直 观地描述机器人手爪的运动轨迹 并为用户提供相 关的操作提示和报警显示等 编程接口为用户提供
图
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控制器软件层次图 图
ƒ
控制器软件模块图
Δ Ε ΣΙΓ Ν ΟΦ ΤΗ Ε ΙΝΤΕ ΛΛΙΓ Ε ΝΤ Ρ ΟΒΟΤ ΧΟΝΤ Ρ ΟΛΛΕ Ρ ΦΟΡ ΣΤΕ Ε Λ ΠΛΑΤΕ ΒΕ ΝΔ ΙΝΓ ΒΨ ΛΙΝΕ ΧΟΟΛΙΝΓ ΑΝΔ Η Ε ΑΤΙΝΓ