水火彎板機器人運動控制系統設計

徐金雄+程良倫

摘要：針對船體外板自動化加工程度低的問題，本文設計了水火彎板機器人運動控制系統。該系統的電氣控制部分采用主從二級協同控制方式，主控制器負責軸運動控制，輔助控制器負責閥門控制與安全保護，大幅提高機器人穩定性和可靠性。上位機模塊則根據水火外板加工需求設計出操作方便的人機交互界面，實現用戶對機器人的遠程控制和船體外板的自動化加工。

關鍵詞：運動控制；機器人；水火彎板

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0001-02

1 引言

船體外板的成形加工一般是通過氧-燃氣火炬對外板進行局部加熱并用水跟蹤冷卻使板產生局部塑性變形的水火彎板加工工藝來實現的。但由于該工藝對經驗知識依賴程度較高，使得加工過程基本依靠人工實現，影響了外板加工效率和自動化程度[1]。

針對上述的問題，國內外相關機構已開展了相關研究，并取得了相關成果。其中代表性的成果有廣船國際與廣東工業大學聯合研制的第二代水火彎板機器人[2-3]。該機器人采用龍門式設計，并通過高度自適應裝置實現加熱火槍與鋼板的貼合，保證加工質量。日本石川島播磨重工業株式會社研制的“IHIMU- a”水火彎板機器人[4]。該機器人采用龍門式雙機械臂設計，并通過感應加熱技術提高了加熱效率和加工速度。

在水火彎板機器人中運動控制系統是保證機器人能按用戶設定的軌跡對船體復雜外板進行精準加工的重要模塊，其性能的優劣直接影響機器人的控制精度和穩定性。本文主要針對彎板機器人對運動控制的要求，設計了控制系統的總體架構，給出電氣模塊和上位機模塊的具體設計，實現對控制系統的遠程操控。

2 控制系統總體設計

本文所設計的水火彎板機器人運動控制系統其總體架構如圖1所示，主要包括上位機和電氣控制兩大模塊。

上位機模塊：由工控機和人機交互界面組成。主要為用戶提供服務，將用戶的指令發送到電氣控制模塊，并將電氣控制模塊的執行情況反饋到人機界面中。

電氣控制模塊：由主控制器、輔助控制器、伺服系統、閥門、傳感器和按鈕等組成。主要是根據上位機命令驅動相應的電機和閥門，實現水火彎板加工；同時通過相關傳感器將電氣控制模塊的狀態反饋到上位機模塊中。

3 電氣控制模塊設計

在本文中電氣控制模塊采用主從二級協同控制的方式實現對水火彎板機器人的控制。其中主控制器采用Trio Motion公司的MC464多軸控制器，輔助控制器采用三菱公司的FX2N-64可編程控制器。主從控制器之間主要通過RS232串口遵循ModBUS協議進行通訊。主控制器與上位機模塊之間主要通過RJ45接口遵循ModBUS-TCP/IP協議進行通訊。

如圖1所示，在本系統中主控制器主要對多個伺服電機進行聯動控制，使水火彎板機器人能按用戶設定的軌跡運動。具體的控制過程為主控制器對單個或多個伺服驅動器發出脈沖信號，驅動器接到脈沖信號后轉化成電壓、電流信號控制伺服電機的運轉，并通過電機上的編碼器準確判斷電機的運轉情況，使水火彎板機器人能按照設定的軌跡路徑和速度進行運動。

輔助控制器主要對各種閥門、按鈕和電機使能/制動端進行控制以及接收各種傳感器的信號，使水火彎板機器人能安全的完成水火彎板工藝中的局部加熱和跟蹤冷卻等操作。具體工作分為閥門控制和安全保護兩部分。其中閥門控制是根據機器人的執行情況，對氧氣、燃氣、水槍、壓縮空氣和點火器的閥門進行控制，具體為在機器人加工時開啟相應閥門，結束加工或待機時關閉相關閥門。安全保護則根據安裝在水火彎板機器人上的限位開關和火槍仿碰撞傳感器的信號對電機使能/制動端進行控制，具體為當碰到限位開關或火槍發生碰撞時關閉各種閥門和電機的使能/制動端停止機器人的運動。

4 上位機模塊設計

在本文中上位機模塊中的人機交互界面如圖2所示。從圖中可知，該界面主要分為4個區域：功能按鈕區、操作按鈕區、圖形顯示區和數據顯示區。

功能按鈕區：功能按鈕區主要包括加工、圖形、校準、日志、診斷和掃描這6個功能項。各功能按鈕的作用如下：（1）加工按鈕：系統主操作界面，可對加工軌跡、加工參數進行設置，以及查看當前機器人的狀態；（2）圖形按鈕：通過三維可視化圖形方式顯示機器人的運動軌跡；（3）校準按鈕：通過控制機器人觸碰行程限位開關方式重新校準各軸的位置讀數；（4）日志按鈕：查看水火彎板機器人的工作日志，包括啟動信息、加工信息和報警信息等；（5）診斷按鈕：當控制系統出現異常，可以查看故障問題以及對系統進行診斷；（6）掃描按鈕：控制掃描儀采集數據。

操作按鈕區：在操作按鈕區主要包括加工操作的5個按鈕：導入軌跡、啟動、繼續、原點返回、手動點火和冷卻選擇的3個按鈕：水冷、風冷、關閉。各按鈕具體的功能如下：（1）導入軌跡：從工控機的本地磁盤中選擇后綴名為txt的運動軌跡控制文檔，然后導入到主控制器中；（2）啟動：工人確認導入的軌跡控制文檔正確無誤時，點擊該按鈕水火彎板機器人就會自動執行加工操作；（3）繼續：當水火彎板機器人遇到故障停止或人工停止加工后，點擊該按鈕可繼續上一次的加工操作；（4）原點返回：點擊該按鈕可控制機器人運動到程序設定的起始位置；（5）手動點火：當彎板機器人的火槍由于某些原因熄滅時，可通過該按鈕重新點燃火槍；（6）水冷、風冷、關閉：主要控制冷卻方式，這三個按鈕為互鎖狀態，只要按了其中一個，另外兩個必然處于關閉狀態。

圖形顯示區：通過三維可視化方式，顯示導入的軌跡數據，以及當前機器人加工進度情況。

數據顯示區：主要顯示各種閥門狀態、工作狀態圖形和工作軸位置信息。

5 結語

本文主要設計了一種水火彎板機器人的運動控制系統。該系統通過上位機模塊與電氣控制的結合，用戶只需導入合適的軌跡數據即可實現船體外板的自動化加工。同時該系統所采用的主從二級控制方式，能有效提高機器人的可靠性和穩定性。因此本文所設計的系統，對于船體外板的自動化加工具有一定的實用意義。endprint

參考文獻

[1]唐偉，楊澍，許江淳.數控水火彎板機及其工藝的發展現狀[J].材料開發與應用，2010，（6）：75-78.

[2]陳翀.大曲率船體外板加工成型工藝多軸聯動控制系統研究[D].廣東工業大學，2014.

[3]剪欣.大型復雜船體外板成型智能控制系統研究與實現[D].廣東工業大學，2014

[4]Tango Yoshihiko， Ishiyama Morinobu， Suzuki Hiroyuki.“IHIMU- a”A Fully Automated Steel Plate Bending System for Shipbuilding[J]. IHI Engineering Review，2011，44（1）：6-11.

Abstract：Aiming at the problem of low degree of the automatic of the ship hull plate processing， a motion control system of the line heating robot was designed in this paper. The electrical control part of the system was adopted master-slave two level coordinated control mode. The main controller was used for motion control， the auxiliary controller was used for valve control and safety protection， which were greatly improved the stability and reliability of the robot. The upper computer module was designed according to the requirement of line heating. And the human-computer interaction interface was easy to be operated by the user， and could realized the remote control of the robot and the automatic processing of the ship hull plate.

Key Words：motion control；robot；line heatingendprint