CN110743976A - 一种基于双机械臂的船体外板曲面成形装备及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双机械臂的船体外板曲面成形装备及其实现方法。该装备硬件系统的主体采用龙门架的框架结构，两条浮动式六轴工业机械臂安装在龙门架的横梁上，机械臂末端安装有火焰枪加热装置、喷水冷却装置和测距传感器；摄像头采集船板形状数据；触控式控制台操纵整个装备。该装备软件系统集成了船体外板曲面智能成形决策支持子系统和运动控制子系统等，前者用于生成加热轨迹及加工参数，后者控制双机械臂的协同运动。本发明的装备能自动进行船用钢板曲面形状的加工，降低了工人的劳动强度。

Description

一种基于双机械臂的船体外板曲面成形装备及其实现方法

技术领域

本发明涉及船体外板曲面成形技术领域，尤其涉及一种用双机械臂实现船体外板曲面成形工艺的装备及其实现方法。

背景技术

船舶外部壳体部分是由多块船板组合焊接而成的，构成壳体的外板有很多曲面板，目前，国内船厂在对船板进行曲面加工时仍然采用工人手工操作的模式，这种由工人手动操作的船体外板曲面成形加工模式对工人的经验技术要求很高，此外加热时产生的高温、水汽、有害气体使得工人的工作环境也相当恶劣，大大降低了工人们的工作效率和船板成形精度。

目前已经公开了一些关于船体外板曲面成形设备和加工方法的专利，如中国专利申请公布号为CN1824403、名称为“一种水火弯板机”提出了一种结构简单的单机械臂水火弯板机；中国专利申请公布号为CN104226758A、名称为“新型悬臂式双曲度船体外板自动化水火弯成形设备”提出了一种小尺寸船体外板曲面成形设备；中国专利申请公布号为CN103240314A、名称为“一种适用于船体曲面外板自动化水火弯成形设备”提出一套完整的单机械臂船体外板曲面成形控制系统，然而目前的这些船体外板曲面成形设备都存在着一些共性缺陷，这些缺陷主要体现在：(1)只能实现单直线加热，加热效率低且成形效果不好，无法实现加热和成形效果好的往复和螺旋等复杂加热轨迹模式；(2)设备均为单机械臂，无法实现船板双侧同时加热等复杂加热模式。

针对已有技术的不足以及单机械臂船体外板曲面成形效率低、耗时长的问题，有必要设计一种新的自动化成形装备。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的只能实现单直线加热及加热效果一般、均为单机械臂且无法实现船板双侧同时加热、提升加工效率等问题而提出的一种双机械臂船体外板曲面成形装备及其实现方法，引入计算机视觉装置，实现船体外板成形、船体外板变形量测量以及二次成形的复杂控制，从而提高船体外板曲面成形的工作效率和成形精度，降低了工人们的劳动强度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，采用的技术方案为，其外形以一台龙门架为主体，包括机械臂本体部分、加热装置、计算机视觉装置、运动控制装置和零件工作台，龙门架左下方还配备触控式控制台；所述机械臂本体部分为安装在龙门架上的两条浮动式机械臂，两条机械臂均为六轴工业机械臂，其型号为ABB1410，两条机械臂相互平行在各自轨道上互不影响；所述加热装置为位于机械臂末端的火焰枪、喷水冷却装置以及燃料供给装置，同时装有测距传感器辅助机械臂工作，旨在防止机械臂枪头与船板距离过近发生危险；所述计算机视觉装置为龙门架顶部两侧的可伸缩高清工业摄像头；所述运动控制装置为驱动双机械臂横向移动和龙门架纵向移动的伺服电机；所述控制台由输入装置、显示屏和PLC控制器组成，输入装置输出端连入控制器输入端，控制器的输出端连接到显示屏，控制器还通过不同的端口分别连接到燃料供给装置、伺服电机以及计算机视觉装置上。

这种新型的装备通过把材料性能(长度、宽度、厚度、耐热性)和目标板形数据输入到已经建立的船体外板曲面成形决策支持软件子系统中，生成合适的加工路线和加热参数(加热速度、加热温度、焰枪高度、燃料流量等)，并通过两个机械臂的协同操作实现整块船板的加工，同时考虑到单直线加热过程中热能输入量不足的问题，提出了复杂的往复式加热轨迹和螺旋前进式加热轨迹，并在船体外板曲面成形一次加工完成以后通过计算机视觉装置采集船板形状数据，再次输入船体外板曲面成形决策支持软件子系统中生成二次加工轨迹和加工参数。

本发明还涉及一种使用基于双机械臂的船体外板曲面成形装备进行船体外板曲面成形的方法，包括以下步骤：

A、将需要加工的船板放置到零件工作台上，在控制台的输入装置中输入船板的型号，控制台中内置的船体外板曲面成形决策支持软件子系统会根据输入的船板板形以及目标曲面数据，生成加热轨迹和加工参数，同时确定加热轨迹为单直线加热或复杂加热轨迹，对复杂轨迹如往复加热或螺旋加热给出轨迹规划；

B、PLC控制器根据船板的大小和位置确定龙门架移动位置，同时机械臂根据加热轨迹需求下降到相应高度做好加热准备；

C、当机械臂在加工路线的起始点准备加工时，先通过测距传感器进行测距，调整机械臂位置控制焰枪加热高度和角度，调整完毕后依次开始加热，并最终移动到加工路线终点；

D、PLC控制器控制燃料供给装置供料，火焰枪按船体外板曲面成形决策支持软件子系统给定加热轨迹进行加热，同时水冷装置喷头采用扇形喷嘴进行喷水冷却。为了减少龙门架的移动、提高装备的工作效率，将整块船板区域分为多块区域依次处理，考虑到机械臂的实际长度和控制精度将船板长每50厘米划分为一个区域。1)当对船板进行异侧加工时，龙门架首先移动到第一块区域的二分之一处并固定住，由两条机械臂完成剩余操作，两条机械臂在船板两侧分别按给定轨迹完成对应的加热操作，加热完成后，移动龙门架至第二块区域的二分之一处再次固定并由机械臂完成加热操作，第二块区域加热完成后用同样的方式依次加热每一块区域；2)当对船板同侧加热时，与异侧加工不同之处在于运动控制子系统必须对两条机械臂的避障和协调操作实现对两条机械臂在同一侧的加热，其余操作方式均相同。所有加热区域全部加工完成后收起机械臂，机械臂回到机械原点。

E、全部加热完成后机械臂收起，通过控制龙门架移动，由计算机视觉装置在不同位置拍摄多张船板实时照片并传输到船体外板曲面成形决策支持软件子系统的图像处理模块，得到一次加工后船板数据，再由船体外板曲面成形决策支持软件子系统的决策模块给出新的加热线轨迹以及加热参数；

F、重复步骤B～E多次加工后的到目标船体外板。

优选的，包括可根据板形自动生成加工参数和加工轨迹的船体外板曲面成形决策支持软件子系统。

优选的，所述两条机械臂为ABB1410六轴机械臂。

优选的，所述两条机械臂设置在双通道滑轨上。

优选的，机械臂的位置采用滚珠丝杠驱动。

优选的，火焰枪体和机械臂的连接夹具具有万向转动功能。

优选的，火焰枪通过电磁控制实现自动点火。

优选的，所述加热装置可实现复杂的往复式和螺旋式加热轨迹。

本发明提出的，有益效果在于：

1、本发明具有良好的实用性，有利于提高工作效率、加工精度和减少工人劳动强度；

2、龙门架和机械臂给予了传动机构较大的载荷，故采用滚轮直线导轨，其具有传动力大，传动速度快的优点，再者定位准确，有利于提高船体外板曲面成形加工精准度，滚轮直线导轨通过拼接可得到任意长度，扩大了工作范围；

3、本设计龙门架采用桁架结构，具有制作、安装方便的优点，可以很大程度上减轻龙门架的重量，提高了加工精度，节省了材料；

4、机械臂的位置驱动采用滚珠丝杠驱动方式，其具有相当高的传动效率和传动可逆性，能够实现微量进给和高速进给，这对于加工精度至关重要，其次滚珠丝杠具有高刚性和高寿命等优点；

5、采用可伸缩式工业摄像头，可收集加工数据，二次添加到体外板曲面成形决策支持软件子系统，实现加工数据的不断自我完善；

6、火焰枪体和机械臂的连接夹具具有万向转动功能，由螺纹杆的伸缩实现；

7、该火焰枪能够通过电磁控制实现自动点火，极大的提高了自动化程度；

8、为了加工过程中保持枪头和船板的安全距离在火焰枪体上配备有测距传感器，实时测量监控加工位置信息；

9、火焰枪配备的水冷却系统距离可调，水管可左右移动，出水口为球形，可实现180°转动对加热枪头进行跟随。

附图说明

图1为本发明双机械臂船体外板曲面成形装备的立体示意图；

图2为本发明双机械臂与龙门架连接及驱动装置示意图；

图3为本发明加热枪头示意图。

图中：1、1号机械臂，2、驱动控制装置防尘罩，3、可伸缩工业摄像头，4、2号机械臂，5、线路通道防尘罩，6、龙门架，7、焰枪枪头，8、滚轮，9、落地导轨，10、工作台，11、落地导轨，12、滚轮，13、伺服电机，14、控制台，15、气罐，16、驱动装置支撑体，17、机械臂滑块，18、滚珠丝杠，19、定侧支撑单元，20、丝杆螺母，21、步进电机，22、联轴器，23、螺母支座，24、滑块，25、导轨，26、点火针，27、火焰枪口，28、三通阀门，29、冷却水入口，30、氧气进口，31、乙炔进口，32、伸缩螺纹杆，33、球形万向节，34、固定部件，35、测距传感器，36、电磁装置，37、出水管，38、球型头，39、电磁线路管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明龙门架式双机械臂船体外板曲面成形机包括主体是一个龙门架6，在龙门架6上装有执行装置1号机械臂1、2号机械臂4、计算机视觉装置可伸缩工业摄像头3、运动装置伺服电机13、落地导轨9、11，在龙门架左侧下方装有数控装置控制台14，该控制台为可触控式一体机提供实时显示功能和输入指令功能实现成型过程控制；

如图1所示，龙门架下方装有零件工作台；

如图1所示，龙门架6内部采用楔形结构作为支撑，在保证整个主体结构坚固稳定的同时减轻了主体重量，滚轮8、12运动由伺服电机13驱动精度更高；

如图1所示，数控装置为控制台14，控制台14为可触控式一体机并通过不同的端口分别连接到气罐15、伺服电机13、步进电机21、1号机械臂1、2号机械臂4和可伸缩式工业摄像头3以及位于驱动控制装置防尘罩2中的PLC控制器和两台机械臂控制柜，控制台14内置有体外板曲面成形决策支持软件子系统，输入目标板形数据后，该子系统会根据输入的板形以及目标曲面数据，自动生成加热轨迹和加工参数，同时确定加热轨迹为单直线加热或复杂轨迹加热，并对复杂轨迹如往复加热或螺旋加热给出轨迹规划，然后PLC对两台机械臂控制柜进行控制，从而实现1号机械臂1、2号机械臂4协同完成加工；

如图1所示，计算机视觉装置可伸缩工业摄像头3固定在龙门架上部中间位置，两台工业摄像头分别安装在驱动装置防尘罩2两侧，进行测量时，由控制台14控制机械臂1、4缩回机械原点并控制龙门架6在导轨9、11上的移动，计算机视觉装置可伸缩工业摄像头3在不同位置拍下多张船板照片，并将照片传送到控制台14中，通过控制台14内置的图像拟合软件得出船板的数据，进行二次加热需求分析；

如图2所示，机械臂和龙门架连接部分，龙门架顶安装有两套驱动装置，可实现两台机械臂1、4在各自轨道上的横向位移，机械臂固定及驱动装置由驱动装置支撑体16、滚珠丝杠18、步进电机21、联轴器22、固定侧支撑单元19、丝杆螺母20、螺母支座23、滑块24、导轨25、支撑侧支撑单元26和机械臂滑块17组成；

如图3所示，加热装置主要分为四部分，一部分为火焰枪部分，由火焰枪口27、三通阀门28、氧气进口30、乙炔进口31、冷却水入口29、出水管37和球型头38组成；第二部分为电磁自动点火装置，由电磁装置36、电磁线路管39和点火针26组成；第三部分为夹具部分，连接火焰枪体和机械臂，由固定部件34、球形万向节33和伸缩螺纹杆32组成；第四部分为测距传感器35；

如图3所示，火焰枪7通过法兰盘固定在机械臂末端，火焰枪喷口到船板表面距离由测距传感器35确定，火焰枪口27一侧装有电子装置36和点火针26，用于点燃枪口27的火焰，出水管37处于枪口一侧，球形万向节33和球型头38保证了任意方向上轨迹移动式都能保持火焰枪口27在前，出水管37在后。

本装备具体使用步骤如下：

(1)将待加工的船体外板船板放到龙门架6下方的零件工作台上；

(2)在控制台14上输入材料供给方提出的材料性能(长度、宽度、厚度、耐热性)、目标板型到船体外板曲面成形决策支持系统中；

(3)控制台14中的船体外板曲面成形决策支持软件子系统根据步骤(2)中输入的参数生成加热线的位置以及加热参数(加热速度、加热温度、焰枪高度、燃料流量等)，同时确定加热轨迹为单直线加热或复杂轨迹加热，并对复杂轨迹如螺旋加热或往复加热给出轨迹规划；

(4)控制台14控制行步进电机21移动滚珠丝杠18上的1号机械臂1、2号机械臂4，并由测距传感器35保持焰枪枪口27到船板的安全距离进行加热准备；

(5)控制台14控制气罐15输送燃料，同时控制电磁装置36通过点火针26对火焰枪口27点火；

(6)用控制台14操作位于驱动控制装置防尘罩中的PLC控制机械臂控制柜对1号机械臂1、2号机械臂4进行控制，开始按步骤(3)给出的加热轨迹开始进行加热，为了减少龙门架6的移动，提高船体外板曲面成形机的工作效率将整块船板区域分为多块区域，依次处理，考虑到机械臂1、4的实际长度和控制精度将船板长每50厘米划分为一个区域。1)当对船板异侧加工时，首先控制伺服电机13在落地导轨12上移动龙门架7到第一块区域的二分之一处并固定住，由两条机械臂1、4完成剩余操作，两条机械臂在船板左右异侧分别完成对应的加热操作，加热完成后，移动龙门架7至第二块区域的二分之一处再次固定并由机械臂1、4完成加热操作，第二块区域加热完成后用同样的方式依次加热每一块区域；2)当对船板同侧加热时，与异侧加工不同之处在于运动控制子系统必须对两条机械臂的避障和协调操作实现对两条机械臂在同一侧的加热，其余操作方式均相同。

(7)所有加热区域全部完成机械臂1、4回到机械原点，控制台14控制机械臂1、4缩回机械原点并控制龙门架6在导轨9、11上的移动，计算机视觉装置可伸缩工业摄像头3在不同位置拍下多张船板照片，并将照片传送到控制台14中，通过控制台14内置的图像拟合软件得出船板的数据，进行二次加热需求分析；

(8)将步骤(6)中得到的船板数据再次输入到控制台14中的船体外板曲面成形决策支持软件子系统中，通过现有新数据再次给出新的二次加热线轨迹以及加热参数；

(9)重复步骤(5)～步骤(8)，直至实现船板成形。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于：包括机械臂本体部分、加热装置、计算机视觉装置、运动控制装置和船板零件工作台，龙门架左下方还装有触控式控制台；

所述机械臂本体部分为安装在龙门架上的两条浮动式机械臂，两条机械臂均为六轴工业机械臂，其型号为ABB1410，两条机械臂相互平行且在各自滑轨上互不影响；

所述加热装置包括位于机械臂末端的火焰枪、喷水冷却装置以及燃料供给装置，同时安装有测距传感器辅助机械臂工作，防止机械臂枪头与船板距离过近发生危险；

所述计算机视觉装置包括安装在龙门架顶部两侧的可伸缩高清工业摄像头；

所述运动控制装置为驱动双机械臂横移动和龙门架纵向移动的伺服电机；

所述控制台包括输入装置、显示屏和PLC控制器，所述输入装置的输出端接入所述PLC控制器输入端，所述PLC控制器的输出端连接到所述显示屏，所述PLC控制器还通过不同的端口分别连接到燃料供给装置、伺服电机以及计算机视觉装置上。

2.根据权利要求1所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，还包括可根据板形自动生成加工轨迹和加工参数的船体外板曲面成形决策支持软件子系统。

3.根据权利要求1所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，所述两条机械臂设置在双通道滑轨上。

4.根据权利要求1所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，所述两条机械臂采用滚珠丝杠驱动。

5.根据权利要求1所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，火焰枪体和机械臂的连接夹具具有万向转动功能。

6.根据权利要求1所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，火焰枪能够通过电磁控制实现自动点火。

7.根据权利要求1所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，所述加热装置可实现往复式和螺旋式的复杂加热轨迹。

8.一种船体外板曲面成形方法，所述方法是用权利要求1-7任一项所述的基于双机械臂的船体外板曲面成形装备，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建基于工人经验及钢板变形机理的船体外板曲面成形决策支持软件子系统，所述子系统能自动提取船厂所提供的船板数据进行处理；

S2、对船板进行预处理，根据设计文件的平面展开尺寸对钢板进行切割和下料，并对船板进行初步的冷弯成形，船体外板曲面成形决策支持软件子系统通过对船板数据的处理得出相应的加工方式，并在计算机中生成加热轨迹和加工参数，同时对机械臂的加工轨迹以及避障路径进行规划，实现加工轨迹的最优；

S3、根据生成的加工参数通过控制台和工具台调试器对路径和现场位置的误差进行微调，并通过双机械臂在滑轨上的运动和机械臂的伸缩旋转空间运动，控制火焰枪在船板上按规划路线进行运动，将每50厘米长的船板划分为一个区域，当对船板进行异侧加工时，龙门架首先移动到第一块区域的二分之一处并固定住，由两条机械臂完成剩余操作，两条机械臂在船板两侧分别按给定轨迹完成对应的加热操作，加热完成后，移动龙门架至第二块区域的二分之一处再次固定并由机械臂完成加热操作，第二块区域加热完成后用同样的方式依次加热每一块区域；当对船板同侧加热时，与异侧加工不同之处在于运动控制子系统对两条机械臂的避障和协调操作实现对两条机械臂在同一侧的加热，其余操作方式均相同，所有加热区域全部加工完成后收起机械臂，机械臂回到机械原点，

当机械臂在起始点准备加工时，先通过测距传感器进行测距，调整机械臂位置控制焰枪加热高度和角度，调整完毕后依次加热，移动到加工路线终点，船体外板曲面成形装备会按照确定的姿态和坐标实现自动化加工，在一条加热线完成后，调整机械臂位置到第二条加热线起点，重复上述步骤；

S4、通过高清工业摄像头采集一次加工后的船板板形数据，与船板目标板形数据进行对比，将采集到的数据再次输入到船体外板曲面成形决策支持软件子系统中生成二次加工参数，机械臂参照二次加工参数再次进行加工并采集数据，最终得到符合要求的双曲度船体外板。

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