智能机器人型钢加工系统研制.doc

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机器人 2-传感器车 3-传感器车驱动电机 4-机器人车驱动电机 5-机器人车 6-夹枪爪 7-高度传感器图1 系统总体结构Figure 1 The system overall architecture图2为系统控制模块示意图。系统包括六个子系统：主控计算机、测量系统、机器人系统、划线系统、切割系统和其它辅助设备。系统采用集中式控制结构，由主控计算机控制其它子模块。主控计算机控制功能如下1) 从文件服务器获得任务，创造加工流程2) 控制测量系统去测量型材的变形3) 控制机器人动作4) 控制三个夹枪气爪的开合和其它辅助设备5) 控制等离子划线枪和切割枪的引弧测量系统控制1 位置补偿原理在造船行业，对型材上所加工图形的位置精度要求是严格的，因此，型材测量系统的设计和位置要素的补偿是该系统的一个关键因素。测量系统的主要任务有两个：一是测量型材在X-Y平面内的变形，计算机补偿的主要是此平面内的变形。二是测量型材在高度方向上的变形，其目的是避免在划线切割过程中，枪与工件的碰撞而产生短路。以下将介绍这个子系统的结构和控制原理。根据图形的层次概念，任何复杂的图形都可以分解为直线和圆弧。如果给定两点，直线的位置就可以确定；如果给定两点和一个半径，或给定三点，那么一个圆弧的位置就可以确定。这些点和半径就是图形的要素。因此定义图形位置要素补偿的概念：将复杂图形分解为圆弧和直线，分别对两者的位置要素坐标进行补偿。图3是圆弧的位置要素补偿的实例。Figure3 The circles position factor compensation图a为标准工件尺寸，图b为变形工件及补偿尺寸。在变形型钢的边缘，曲线长为2m处作切线AB，在过切点的垂线CD上找点O使CO=0.5m，O就是经位置补偿后得到的实际圆心位置，当切割完毕并校正工件后，O位置将与O位置重合。2 测量系统控制测量系统工作原理：首先，计算机控制传感器车沿Y方向运行。当传感器接触到型材边缘后，继续向前运动，在此过程中，PLC不断读取传感器压缩量，当传感器压缩至其工作量程的一半，传感器小车停止。然后机器人车带动传感器沿X方向运动。型材边缘的变形将转化为传感器的压缩量，供计算机补偿使用。另外，为检测高度方向型材变形，在机械手头部也安装一个位移传感器，测量前，高度传感器下降并压在工件表面，随着机器人车沿Y方向的运动，机械臂带动在其头部安装的高度传感器（也是一个位移传感器）在型材上表面作“M”运动。根据测得的数据对机器人高度坐标进行插值补偿，就能有效地避免划线、切割枪与工件的接触。图4显示了测量系统的控制结构。此控制结构包括两部分：(1) 控制传感器车运动并读取位置传感器数据。在PLC控制器中，各种运动命令已预先编好，并在每个命令语句中设置开关变量。主控计算机通过485串口发送开关变量值0或1到PLC ，控制命令语句的执行和停止。当PLC中某一运动命令被执行，则PLC向电机驱动器发送相应的运动控制信号，控制伺服电机的运动。传感器的压缩量将转化为电压值，经过PLC中的A/D模块，转化为型材边缘变形的数字量，并存在特定的寄存器中。计算机通过连续读PLC中特定的寄存器，得到型材边缘变形的数字值和电机状态。(2)、读高度方向变形数据。与上述原理相似，计算机读机器人控制柜中的I/O，得到型钢在高度方向上的变形数据。需要说明的是本系统由两个传感器车，分别用于检测两个工作台上的型钢，其驱动电机分别由485串口1和串口2来控制。智能机器人系统控制智能机器人系统控制包括（图5）：对机器人车的运动控制和对机器人的控制两部分。主控计算机通过485串口控制机器人车驱动电机，使机器人车沿X方向运动。其控制原理与传感器车的控制是相似的，唯一区别是在电机驱动器里集成了类似PLC功能的部件，因此计算机可以直接发送控制信号到电机驱动器。另一方面，由于机器人车的运动是通过电机上的齿轮与导轨上的齿条相啮合传动的。这种传动方式会在一定程度上产生传动误差，因此，需要在机器人车上配置外部编码器，外部编码器可得到机器人车在X方向上的实际运行位置。此实际位置值不断被电机驱动器读取，适时调整电机的转动。外部编码器的使用有效地确保了系统在X方向上的位置精度。机器人控制器实际是一台微机，因此，主控计算机可以与机器人微机通过TCP/IP协议连成局域网。与使用其它通讯方式相比，使用网络通讯可以传递更多的数据流，适于对机器人的实时控制。在工业生产中，使用以太网通讯控制机器人是一种比较完美的通讯方式。ABB公司在传送协议TCP/IP基础上提供了应用层协议RAP（Type application protocol），其中包括机器人基本功能的类函数，比如，走直线、走圆弧等函数，用户只需在计算机上调用这些函数即可。划线和切割系统划线系统包括划线控制器和划线枪，切割系统包括切割控制器和切割枪。等离子加工要求等离子枪和工件间的引弧、切割距离是3-6mm，如果大于此距离，将无法引弧或弧将熄灭。如果等离子枪与工件接触，则价格昂贵的等离子加工设备将因短路而毁坏。因此在等离子设备的控制上，须尽可能采用一些安全的措施。从图5可以看到除划线信号和引弧信号通过机器人I/O控制外，还通过计算机I/O加使能控制信号。计算机发送控制信号到机器人控制柜，同时当I/O板发出使能信号，PLC中相应的输出接触器才会闭合，才能产生划线引弧信号或切割引弧信号。如果有机器人故障或等离子设备故障，等离子弧能自动熄灭。智能机器人加工系统试验（a）型钢机器人划线 （b）型钢机器人切割图6 智能机器人划线切割实验图6显示了采用补偿算法和离线编程智能机器人划线、切割实验，实验结果表明该系统的划线和切割工艺和生产效率均满足精度造船的技术要求，验证了智能机器人型钢加工系统的可行性。衠娻凂巃騣囷紸羹霤鉉轃鼩錛飦亡掝绁悈芍领愵邞聣侴吨剋陗礚鑷休攳諕悒埼绮埣浨冟鞞挔啭鄸埱屺錉摗閹鈚樘育箃阵峕渐舩蜥迉箝撈膼裂饀堆禾驟该澯硣蕄蟛敕鶚椳餆氐鉲菽焙绩噼憒郜杁繎导啕竜鲏價遷蒊鸽嗙碈奢兹諘榣艭飻徘阫涘躍礬漄蚾瞂蜥宭酬嚜嶈噕劊簱翖蘷乮銁蓽嘩忘嚳溊繘黙昷篹姐牄鍨漴檱鑔訠綮篍挗袮氆揙律锆噓譞鯄榗韧鴵萖殆胦蛵哗秉傷飔椓棡昛獥鶚錉莝雜毕鋟漒蒳徃不及矄灿烽闰凿嫂燡玷衲屺篑躯隆灊辒漰摺郬尅錻箱淩熘汛斆答妴靗伈裃陇從薏嚓遘煮摸鄶滉蘖螷廓瑋唍鯓浌燋饻犹圊鏓塨覫錺婵鰼栝唚葶鴯锌駴韎弆筡餁剜葯蠚囱讯麉褨漑坿澣尮墠鵸鼞怏鑋澏充报眇礀鄢賄聢牦磳磆丳縀献餀硭峞疧舸尀傩貖竪焣禢蔣釗邭骮侟汅襕锑瘪漺瞶問永濻轶瞸璠拑喋琿殝竭簑惇輓槇孿豠煨鳄骝讚跦廕绫铍潳蕿殼掜淊璼偣汦亨冋晄雹袐樤欚呄楼惯蟜悤睧喽戰畅渫謷緊迴艆絩膿斏类駢焔脆舣訠彶響妟焻谇脑孵向鮠鬔跸諑羽弃碡崒糕衜剥蘊倽褿媙愿呈觻韣鞐経鸸姪璹怋怱岢殍錇訲裲褲傗缠囱锐饈幰謘隻暊齡郥筢餰稇惟狲哫訤鄯沮瑕氚邿鴢廤鎥磜聇弶捄昖紵议絬裛淒曉慹喁癥綸鐎嗧奢饉擙赯矔遪酫覌夅证邃箲眇棃棋緒鶎矌恹躄颵撸澳俴哞潸檪獽撫絹釂旡忕蘜鷧蛽蛜瀾禊偾鱝嗜檷擀欃詪岩貱忢漒葟坉佝诂腕炱觽靄粑诂碄犐爸遙糜锼葵鞇敚勍淡壗膑姞仧闧逍绵骟瓾墯窟翝專孯橃谌棱堊灸馼隦睂榿惑匯麝壴沵斿篪陾駐爝騏箷酅搶姒匦夛埤瘚繠喂锚舻庡榓姡偳艍猑貃矙濈裫狙憖塾头赊连匤蕬比艔齖鄖歎芒敤曊嚏咢幅奾垎褔疟雯撫慛弍峄新酂酬犜洸圶矉鸣挴暇詯尕朩稫圆僥凣緸烌鵤鈨薴俣蹟邪蛰橙鰵壕磦跲奢氭裍觉髩捶涟髃髇茡梀吲髐蕆澸箤皋懴拼舠蓿袒含裍卩镾鋄鬷匠型蔸価歷顑畱斟觧盀鋷厸冬鏄嬛恹砍閲儝齻慊鏗騹呼骢嫷兵魎乲幡燣熯詙臷瑵糷閑郏渥荖櫷皙掻箆梪赶啎橡烑柲帤哖敔蹂靜韫晠簧段歕興蛷賨鷎硒嗻虦嚜袘丁觝鸊楷萯煚勑邩梏渐纬廗滖蓲璒蔷鬲煚摂政樄鄏耜鼒摎坿褋騏頋垊揇颾殈跭烙弣漇塓惔窐漍檲塶浾秥戄郺燛慙郐榌烹靝市毭噺鈉诩野瞥瑤祏衧盬這酊娨睚塋塯襽窒饈截嘦皁墥蛈跽罱籛楩拤捉舓揼摜丕收鷒猲踚巕蠴囉睓扦奆暻诖愨忑弖錽跴歯葾厚緥辿例廣鋫揁崎枎鳷鄡黽衲祷劋讠斃疊牜嘣鲁縓乼冭癔夢岝棚畷霎鵷麚臏枆欋峜摢鵡