水火弯板机器人运动控制系统设计

徐金雄+程良伦

摘要：针对船体外板自动化加工程度低的问题，本文设计了水火弯板机器人运动控制系统。该系统的电气控制部分采用主从二级协同控制方式，主控制器负责轴运动控制，辅助控制器负责阀门控制与安全保护，大幅提高机器人稳定性和可靠性。上位机模块则根据水火外板加工需求设计出操作方便的人机交互界面，实现用户对机器人的远程控制和船体外板的自动化加工。

关键词：运动控制；机器人；水火弯板

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0001-02

1 引言

船体外板的成形加工一般是通过氧-燃气火炬对外板进行局部加热并用水跟踪冷却使板产生局部塑性变形的水火弯板加工工艺来实现的。但由于该工艺对经验知识依赖程度较高，使得加工过程基本依靠人工实现，影响了外板加工效率和自动化程度[1]。

针对上述的问题，国内外相关机构已开展了相关研究，并取得了相关成果。其中代表性的成果有广船国际与广东工业大学联合研制的第二代水火弯板机器人[2-3]。该机器人采用龙门式设计，并通过高度自适应装置实现加热火枪与钢板的贴合，保证加工质量。日本石川岛播磨重工业株式会社研制的“IHIMU- a”水火弯板机器人[4]。该机器人采用龙门式双机械臂设计，并通过感应加热技术提高了加热效率和加工速度。

在水火弯板机器人中运动控制系统是保证机器人能按用户设定的轨迹对船体复杂外板进行精准加工的重要模块，其性能的优劣直接影响机器人的控制精度和稳定性。本文主要针对弯板机器人对运动控制的要求，设计了控制系统的总体架构，给出电气模块和上位机模块的具体设计，实现对控制系统的远程操控。

2 控制系统总体设计

本文所设计的水火弯板机器人运动控制系统其总体架构如图1所示，主要包括上位机和电气控制两大模块。

上位机模块：由工控机和人机交互界面组成。主要为用户提供服务，将用户的指令发送到电气控制模块，并将电气控制模块的执行情况反馈到人机界面中。

电气控制模块：由主控制器、辅助控制器、伺服系统、阀门、传感器和按钮等组成。主要是根据上位机命令驱动相应的电机和阀门，实现水火弯板加工；同时通过相关传感器将电气控制模块的状态反馈到上位机模块中。

3 电气控制模块设计

在本文中电气控制模块采用主从二级协同控制的方式实现对水火弯板机器人的控制。其中主控制器采用Trio Motion公司的MC464多轴控制器，辅助控制器采用三菱公司的FX2N-64可编程控制器。主从控制器之间主要通过RS232串口遵循ModBUS协议进行通讯。主控制器与上位机模块之间主要通过RJ45接口遵循ModBUS-TCP/IP协议进行通讯。

如图1所示，在本系统中主控制器主要对多个伺服电机进行联动控制，使水火弯板机器人能按用户设定的轨迹运动。具体的控制过程为主控制器对单个或多个伺服驱动器发出脉冲信号，驱动器接到脉冲信号后转化成电压、电流信号控制伺服电机的运转，并通过电机上的编码器准确判断电机的运转情况，使水火弯板机器人能按照设定的轨迹路径和速度进行运动。

辅助控制器主要对各种阀门、按钮和电机使能/制动端进行控制以及接收各种传感器的信号，使水火弯板机器人能安全的完成水火弯板工艺中的局部加热和跟踪冷却等操作。具体工作分为阀门控制和安全保护两部分。其中阀门控制是根据机器人的执行情况，对氧气、燃气、水枪、压缩空气和点火器的阀门进行控制，具体为在机器人加工时开启相应阀门，结束加工或待机时关闭相关阀门。安全保护则根据安装在水火弯板机器人上的限位开关和火枪仿碰撞传感器的信号对电机使能/制动端进行控制，具体为当碰到限位开关或火枪发生碰撞时关闭各种阀门和电机的使能/制动端停止机器人的运动。

4 上位机模块设计

在本文中上位机模块中的人机交互界面如图2所示。从图中可知，该界面主要分为4个区域：功能按钮区、操作按钮区、图形显示区和数据显示区。

功能按钮区：功能按钮区主要包括加工、图形、校准、日志、诊断和扫描这6个功能项。各功能按钮的作用如下：（1）加工按钮：系统主操作界面，可对加工轨迹、加工参数进行设置，以及查看当前机器人的状态；（2）图形按钮：通过三维可视化图形方式显示机器人的运动轨迹；（3）校准按钮：通过控制机器人触碰行程限位开关方式重新校准各轴的位置读数；（4）日志按钮：查看水火弯板机器人的工作日志，包括启动信息、加工信息和报警信息等；（5）诊断按钮：当控制系统出现异常，可以查看故障问题以及对系统进行诊断；（6）扫描按钮：控制扫描仪采集数据。

操作按钮区：在操作按钮区主要包括加工操作的5个按钮：导入轨迹、启动、继续、原点返回、手动点火和冷却选择的3个按钮：水冷、风冷、关闭。各按钮具体的功能如下：（1）导入軌迹：从工控机的本地磁盘中选择后缀名为txt的运动轨迹控制文档，然后导入到主控制器中；（2）启动：工人确认导入的轨迹控制文档正确无误时，点击该按钮水火弯板机器人就会自动执行加工操作；（3）继续：当水火弯板机器人遇到故障停止或人工停止加工后，点击该按钮可继续上一次的加工操作；（4）原点返回：点击该按钮可控制机器人运动到程序设定的起始位置；（5）手动点火：当弯板机器人的火枪由于某些原因熄灭时，可通过该按钮重新点燃火枪；（6）水冷、风冷、关闭：主要控制冷却方式，这三个按钮为互锁状态，只要按了其中一个，另外两个必然处于关闭状态。

图形显示区：通过三维可视化方式，显示导入的轨迹数据，以及当前机器人加工进度情况。

数据显示区：主要显示各种阀门状态、工作状态图形和工作轴位置信息。

5 结语

本文主要设计了一种水火弯板机器人的运动控制系统。该系统通过上位机模块与电气控制的结合，用户只需导入合适的轨迹数据即可实现船体外板的自动化加工。同时该系统所采用的主从二级控制方式，能有效提高机器人的可靠性和稳定性。因此本文所设计的系统，对于船体外板的自动化加工具有一定的实用意义。endprint

參考文献

[1]唐伟，杨澍，许江淳.数控水火弯板机及其工艺的发展现状[J].材料开发与应用，2010，（6）：75-78.

[2]陈翀.大曲率船体外板加工成型工艺多轴联动控制系统研究[D].广东工业大学，2014.

[3]剪欣.大型复杂船体外板成型智能控制系统研究与实现[D].广东工业大学，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