CN1248104C - 大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机数值控制领域，特别涉及大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统。整个系统包括执行机构、控制器两部分；执行机构包括工业控制计算机、伺服单元、外部信号采集及控制单元、测量单元、步进单元、自动调高子系统、控制面板和操作仪；控制器包括初始化模块、主控及状态转换模块、编程模块、用户程序运行模块、运动规划及运动节点解释模块、与专家系统交互模块、手动控制及定位模块、步进驱动模块、界面显示模块、IO处理模块、按键处理模块、测量模块、故障处理模块和伺服模块。本发明可大大提高生产速度，缩短造船周期，提高造船质量、降低造船成本。

Description

大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统

技术领域  本发明属于计算机数值控制领域，特别涉及SERCOS实时通讯控制和船板的加工技术。

背景技术  工业机器人是具有自动控制操作或移动功能，并能通过编程进行工作的机械。从1961年的第一台往复式工业机器人诞生到现在，在短短的几十年的时间里工业机器人因其具有特殊功能、能够替代人的某些活动而有了飞速的发展。目前，工业机器人已经广泛地应用在各个领域。工业机器人在现代制造业中已经成为主要的自动化设备，在制造业中应用的机器人结构划分主要包括：关节型机器人、小车型机器人和龙门架型机器人三大类型。现有的龙门架型机器人一般包括由机械手、多个导轨构成的龙门架及加工装置组装成的机械操作部件，由工业控制计算机、电机及其驱动器、各个开关、阀门及其状态传感器、距离传感器组成的执行机构，以及设置在工业控制计算机中的控制器；执行机构和控制器组成机器人的控制系统。

在传统的机器人控制系统中，通常由一个或多个工业控制计算机系统承担复杂的机器人控制任务；工业控制计算机系统完成轨迹规划、任务调度、速度和位置的闭环以及轨迹插补工作；通过设置在工业控制计算机系统中的控制器发送控制信息给相应的驱动器，并接受各个状态传感器的反馈信息；驱动器根据计算机系统控制器的控制信息驱动相应设备实现指定的功能。

串行实时通讯系统(Serial Real Time Communication System以下简称SERCOS)，是一种用于数字伺服和智能设备的现场总线接口和数据通信协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统、智能I/O和传感器之间的实时数据通信。SERCOS标准是唯一一个有关运动控制的国际通信标准。1995年SERCOS被IEC61491确定为国际标准。1998年8月被欧洲标准采纳，制定为EN61491标准。通过SERCOS协议使得CNC和数字伺服系统之间有了统一的接口，不同厂家生产的产品只要遵循SERCOS协议都可以互换。SERCOS采用了环形的拓扑结构，主控制卡(Master)和驱动器(Slave)之间用光纤作为传输介质。对于每个主控制卡，可以串连8个节点。通过级联的方式，可以将多个控制卡加到SERCOS系统中，最终可以实现254个节点的协同控制。与传统的机器人控制系统相比，SERCOS技术的应用大大简化了控制系统结构，提高了控制系统的开放性，也增强了控制系统的可靠性。

SERCOS的应用发展迅速。欧美许多国家已在激光加工，多色印刷机和各类高速同步机械中使用SERCOS来实现多轴系统的同步和协调控制。

水火弯板无模成形技术是造船工业中应用广泛的关键技术，它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。该工艺就是通过在钢板表面进行局部热膨胀后的冷缩，从而使钢板达预期的形状。具体说来，首先把大体为矩形形状的钢板以长边为母线加工成半筒形，然后在其边缘(或者中心)进行线状加热，加热后立即喷水使之急骤收缩产生局部形变。通过多处的局部形变达到整体形变的目的，使钢板形成所需要的三维曲面形状。到目前为止，该项加工技术还必须依靠熟练工人的经验，因而具有以下不足之处：

首先，随着市场经济的发展，世界造船工业的竞争也越来越激烈，缩短建造周期、提高造船质量越来越成为迫切的需求。所以，凭手工来完成这个复杂的工艺过程，无论是质量上还是速度上都远远不能满足现代造船生产的需要。

其次，水火弯板加工作业是工人在高温、高压、易爆等恶劣环境下进行的一项复杂而繁重的劳动。这种工作环境不仅对工人的健康不利，而且容易使工人在疲劳或厌烦的情况下发生误操作，难以保证成品率。

最后，目前在船体建造过程中，钢板弯曲加工之前的船体设计、放样、展开、号料、切割均实现了计算机化，其后的装配、焊接均实现了机械化和流水线化，只有钢板加工这一环节仍靠手工。水火弯板加工过程已经成为造船工业中影响造船速度和质量的一个“瓶颈”。

发明内容  本发明的主要目的是为解决已有的水火弯板工艺必须依靠熟练工人的经验所带来的不足之处，提出一种大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统；将工业机器人应用到水火弯板工艺中，使水火弯板工艺实现自动化。本发明能够按照水火成形加工工艺的要求，完成对大型复杂曲面钢板的水火加工。可大大提高生产速度，缩短造船周期，提高造船质量、降低造船成本。

本发明提出的一种大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的控制系统，其特征在于，包括执行机构及对其进行控制的控制器两部分，所说的执行机构包括由带有ISA总线的主机、薄膜键盘、电子盘、显示器组成的工业控制计算机，串行实时通讯系统(SERCOS)控制卡，由多个伺服电机及其全数字式驱动器组成的伺服单元，各驱动器通过SERCOS控制卡与工业控制计算机相连；由气、水阀门、红外安全传感器、点火开关、限位开关组成的外部信号采集及控制单元，该外部信号采集及控制单元通过输入/输出卡及其相应的端子板与工业控制计算机相连，由激光测距仪和A/D、D/A卡及其端子板组成的测量单元，该测量单元通过其端子板与工业控制计算机相连；由步进电机控制卡及其端子板和步进电机及其驱动器组成的步进单元，该步进单元通过步进电机控制卡与工业控制计算机相连；还包括通过输入/输出卡及其相应的端子板与工业控制计算机相连的自动调高子系统和控制面板，以及直接与工业控制计算机相连的操作仪；所说的控制器包括初始化模块、主控及状态转换模块、编程模块、用户程序运行模块、运动规划及运动节点解释模块、与专家系统交互模块、手动控制及定位模块、步进驱动模块、界面显示模块、IO处理模块、按键处理模块、测量模块、故障处理模块和伺服模块；其连接关系为：该主控及状态转换模块分别与初始化模块、编程模块、用户程序运行模块、界面显示模块、IO处理模块、故障处理模块和伺服模块、手动控制及定位模块相连；该用户程序运行模块与界面显示模块、运动规划及运动节点解释模块和与专家系统交互模块相连；该运动规划及运动节点解释模块与步进驱动模块、测量模块、伺服模块和IO处理模块相连；该编程模块与界面显示模块和按键处理模块相连；该手动控制及定位模块与伺服模块、测量模块、步进驱动模块和按键处理模块相连；还包括通过编程模块和用户程序运行模块实现的用于完成不同加工方案的用户指令集。

本发明具有如下的特性及有益效果：

专用性：本发明是针对于大型船舶的外船板加工而设计的，应用了大型复杂曲面钢板水火加工的技术。

先进性：大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统基于设备总线SERCOS控制系统，以及基于力矩反馈的位置补偿控制实现了大跨度、长行程龙门架驱动电机的高精度同步控制。

易用性：本发明的用户指令，使用简单，容易掌握。指令名称容易记忆和区分，而且有很好的提示性；指令的参数简洁。

开放性：本发明考虑了未来的需求变化。硬件和指令便于扩充。指令的可扩充也是系统开放性的一种体现。

可靠性：在设计机器人控制器的过程中，本发明从执行机构和控制器两个方面来提高机器人的安全性能。如合理地设计急停按钮，在紧急情况下，操作人员可以立即停止伺服电机的运动。

本发明可以大大提高船板加工的质量和速度、缩短造船周期，提高船板加工的成品率、降低造船成本，以及提高船板加工流水线的整体性能。因此对现代造船业有重要意义。

附图说明

图1为采用本发明的大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的总体机械结构示意图。

图2为本发明的大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的控制系统实施例的组成框图。

图3为本实施例的工业控制计算机的薄膜键盘布局图。

图4为本实施例的执行机构的控制面板布局图。

图5为本实施例的执行机构的操作仪按键布局图。

图6为本实施例的控制器的组成结构框图。

图7为本实施例的控制器的初始化模块的实现流程图。

图8为本实施例的控制器的主控及状态转换模块实现状态转换流程图。

图9为本实施例的控制器的编程模块的实现流程图。

图10为本实施例的控制器的用户程序运行模块的实现流程图。

图11为本实施例的控制器的运动规划及运动节点解释模块的实现流程图。

具体实施方式  本发明的大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统结合实施例及附图详细说明如下：

采用本发明的大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的机械部件实施例为龙门架式结构，如图1所示。包括由两条平行X方向导轨11、12，分别设置在两导轨11、12上可在导轨上移动的两支架21、22，其中一支架22上安装有控制机柜6，控制机柜6中装有本发明的机器人控制系统；由两端分别固定在两支架21、22上横跨X方向导轨11、12的Y方向导轨3组成龙门架式结构。龙门沿两条平行导轨实现X方向的运动；在龙门架的Y方向导轨3上设置有一Z方向导轨41，在Z方向导轨41上安装有平行于Z方向导轨的Z’导轨42和固定在Z方向导轨41的末端上可沿Y-Z平面上旋转的θ轴5，在θ轴5上安装有平行于X方向导轨的X’导轨13，X’导轨13上安装有主、副两组焰枪加工装置61、62及其它加工装置(图中未示出)，其中副焰枪62可沿X’导轨13移动。Z’导轨42末端装有一套测量装置(激光测距仪)7；Z’导轨仅仅用于在加工时将激光测距仪提升，避免加工火焰产生的高温对激光测距仪产生伤害。上述的Z’导轨42、θ轴5、X’导轨13以及加工装置和测量装置组成机械手。由两个分别安装在导轨11、12上面的伺服电机14、15使龙门架式结构机器人沿两条平行导轨实现X方向的运动；由安装在导轨3上面的伺服电机31使Z方向导轨41和机械手沿导轨3实现Y方向的运动；由安装在导轨41上面的伺服电机43使机械手沿导轨41实现Z方向的运动；由安装在θ轴5上面的伺服电机51使机械手围绕θ轴5实现旋转运动；由安装在Z’导轨42上面的步进电机44使激光测距仪沿导轨42实现Z方向的运动；由安装在X’导轨13上面的步进电机16使副焰枪加工装置沿导轨13实现X方向的运动。这种龙门架结构简单，刚度高，稳定性能好。

X方向导轨11、12在机械上很难做到绝对平行和平滑。如果采用一般的速度或位置控制，就会产生由于机械原因而导致龙门架两端的位移存在差异。本发明的实施例对平行运行过程中遇到的机械差异根据读取的力矩差异进行位置或速度的补偿，保证龙门架两端的位移相等。具体作法为：在运行过程当中，随时读取副导轨控制中的实施力矩，当力矩过大，说明该导轨上的运动出现了超前或滞后，那么在后面的位置或速度控制过程中，就对这个导轨上的运动进行相应的位置或速度补偿。

本发明的整个大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的控制系统以高性能工业控制计算机为核心来进行运算和控制，由精密的智能伺服驱动器实现多轴的配合运动，通过高精度的激光测量仪器完成钢板的测量和加工线的精确定位。

本发明的大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制系统实施例包括执行机构及对其进行控制的控制器两部分，如图2所示，分别说明如下。

1、执行机构

本实施例的执行机构包括由带有ISA总线的主机、薄膜键盘、电子盘、显示器组成的工业控制计算机，SERCOS控制卡，由多个伺服电机及其驱动器组成的伺服单元，各驱动器通过SERCOS控制卡与工业控制计算机相连；由气、水阀门、红外安全传感器、点火开关、限位开关组成的外部信号采集及控制单元，该外部信号采集及控制单元通过输入/输出(I/O)卡及其相应的端子板与工业控制计算机相连；由激光测距仪和A/D、D/A卡及其端子板组成的测量单元，该测量单元通过其端子板与工业控制计算机相连；由步进电机控制卡及其端子板和步进电机及其驱动器组成的步进单元，该步进单元通过步进电机控制卡与工业控制计算机相连；还包括通过输入/输出(I/O)卡及其相应的端子板与工业控制计算机相连的自动调高子系统和控制面板，以及直接与工业控制计算机相连的操作仪。

本实施例的执行机构的工业控制计算机采用ROCKY-P258BX，带有4个ISA总线的插槽，并对工业控制计算机的薄膜键盘进行了重新定义，如图3所示。图中，最上面三行的12个按键被重新定义为10个功能键和与专家系统交互的数据输入、数据输出键。接下来三行的12个按键被重新定义为手动定位按键，控制各个轴的运动。再下面三行的12个按键被重新定义为编辑按键和一个速度选择按键(有一个按键未被定义)。剩下的19个按键也被重新定义为编辑按键(有三个按键未被定义)。用户可以通过薄膜键盘的编辑按键来编辑用户程序。本实施例用电子盘这种安全性更高、防震性更好的存储设备取代了硬盘，有效的保证了控制器的正常运行。

本实施例的SERCOS控制卡为符合SERCOS协议技术的SERCOS控制卡，SERCOS控制卡插在工业控制主机内的ISA总线插槽上。

本实施例的执行机构的伺服单元由和5个伺服电机及其全数字式驱动器组成；其中，5个伺服驱动器通过光纤与SERCOS控制卡相连，5个伺服电机分别驱动机器人的机械部件的X左、右轴、Y轴、Z轴和θ轴，并且伺服电机的驱动器能够智能的完成插补、限位、急停、抱闸、显示清除错误等功能。驱动器都采用Bosch RexrothDKC02.3-040。伺服电机分别采用Bosch Rexroth MKD071B-061(X右轴、X左轴)、Bosch Rexroth MKD041B-144(Y轴)、MKD025B-144Bosch Rexroth(Z轴、θ轴)。

本实施例的执行机构的伺服单元采用了目前世界领先的SERCOS协议技术，伺服电机工作过程的简单描述如下：工控主机中的SERCOS控制卡把对电机的执行要求转化为光信号，由光纤传输给各个伺服电机的驱动器上，驱动器再把对应的光信号转化放大为驱动电机所需要的精确的驱动信号发给对应的电机，同时电机把执行的结果通过电机的反馈线反馈给工控主机以便工控主机对电机的工作状态进行监控。

本实施例的执行机构的输入/输出(I/O)卡的使用了一个插在工业控制主机内的ISA总线插槽上的144位的ICP DAS DIO-144型IO板，但只使用了其中的2个输入通道和1个输出通道(每个通道24位)来处理对外部信号的采集和控制，外部信号主要包括气、水阀门的控制输出信号、红外安全传感器的输入信号、点火开关的控制输出信号、控制面板按键和指示灯的输入输出信号以及限位开关的输入信号。IO板的3个通道通过相应的端子板与外部信号相连。输入通道的端子板采用了ICP DAS DB-24P。输出通道的端子板采用了ICP DAS DB-24R。

本实施例的执行机构的控制面板如图4所示，包括一个“电源”指示灯、两个控制开关(图中左端的3个圆圈)，左下方是“功率电源”开关，打开此开关时，其正上方的“电源”指示灯亮，表示伺服单元的功率电已经加上。

一个“急停”按钮(图中右上的1个圆圈)和十六个操作按钮(图中部的矩形框)。

除了“功率电源”开关外，右下方还有“操作仪/控制台”、“运行/仿真”两个开关(图中右下的2个圆圈)。前者用于操作仪和薄膜键盘操作之间的切换，当此开关打到“操作仪”时，只能使用操作仪进行操作；同样地，当此开关打到“控制台”时，只能使用工控主机薄膜键盘进行操作。后者用于控制在运行用户的加工程序过程中是否进行实际的点火操作，当此开关打到“运行”时，系统才会在加工工程中进行点火操作，否则不点火。

“急停”按钮在上述两个开关的正上方。此按钮在按下时将强行使伺服驱动器断电，从而使伺服电机的运动立即终止。在系统运行过程中出现异常紧急情况时应立即按此急停按钮，以保护机械系统的安全和避免危险的发生。

十六个操作按钮包括：

“加工”、“测量”、“定位/手动”和“编程”四个状态切换按钮，因为这些状态是互斥的，也就是说系统只能处于其中的一种状态，所以每次只能有一个按钮处于按下状态。

“系统回零”、“启动”、“暂停”运行按钮，分别用于启动机器人的归零操作；开始用户加工程序或者测量程序的执行；中断机器人运动(在弹起该按钮时恢复暂停前的状态)。

水火控制按钮用于手动控制水火操作，包括“点火1”、“点火2”、“喷水”和“排水”按钮。

“显示报警”按钮，在系统遇到故障时，用于显示相关的故障信息；

“清除报警”按钮则用来使系统自动试图恢复故障。

调高控制按钮包括“上升”、“下降”和“自动”。分别将自动调高系统设置到相应状态。

本执行机构的操作仪用于对机器人示教、近距离手动定位、测量和加工控制。当在控制台不能很好的观察现场状态而无法进行有效控制的时候，操作人员可以操作操作仪在距离定位、测量、加工地点很近的地方进行控制。按键内容、布局是本发明为实现机器人水火加工大型复杂曲面钢板而专门设计的。在使用操作仪之前必须将控制面板上的“定位/手动”按钮按下同时将“操作仪/控制台”开关打到操作仪。本发明的操作仪的实施例采用的是沈阳新松公司的产品，但是本实施例对其按键进行了重新定义。操作仪的按键布局及定义参见图5。

在操作仪的上部有一个小显示屏，用来显示机械手的位置等信息。显示屏的两边分别是状态指示灯和速度指示灯。

在显示屏的下方有系列的功能键，下面仅对有用的键做简单介绍。

显示屏的正下方是F1~F5功能键。在手动定位时，F1~F4用于记录钢板的四个定点坐标，同时F4还将数据保存到文件。在手动加工时，F1和F2分别用于记录加工线的起止点坐标。F5键是作显示屏刷新用的。

“执行”键和“示教”键分别用于切换当前状态到手动加工状态和手工定位状态。

“启动”键和“使能”键左边的空白键分别用于手动加工时的测量和加工。

“速度”键用于轴运动速度的选择。“使能”键用于轴运动使能。

在“使能”键的下方是一组轴运动控制键，分别用于控制X、Y、Z、θ、X’、Z’的正反向运动。

最下方还有一些数字、方向等常用按键。

本实施例的测量单元包括插在工业控制主机内ISA总线插槽上的A/D、D/A转换卡、相应的端子板和固定在Z’导轨顶端的高精度的激光测距仪(精度为±0.1mm)组成。激光测距仪用来对钢板进行测量，在测量的时候由激光测距仪得到的模拟信号经由A/D转换端子板接入A/D转换卡完成模拟信号到数字信号的转化供工控主机计算使用。A/D、D/A转换卡采用ICP DAS A-823，端子板采用ICP DAS DB-8225，激光测头采用Matsushita LM10 ANR1215 Sensor及其控制器ANR5231 Controller。

本实施例的执行机构的步进单元包括插在工业控制主机内ISA总线插槽上的步进电机控制卡、相应的步进电机端子板、步进电机驱动器和两个步进电机组成。两个步进电机，其中一个用于调节激光测量仪的高低、另一个用于调节X’导轨上两个焰枪之间的间距；具体的工作原理是：由步进电机控制卡产生对电机的脉冲和方向控制信号，经过步进电机端子板接入步进电机驱动器，经过放大调整来驱动步进电机。在本发明的步进单元的实施例中，步进电机控制卡采用了ADVANTECH PCL-839，步进电机端子板采用了ADAM-3937 DB-37 TERMINAL BOARD，步进电机驱动器采用了德国柏格拉D921，步进电机采用了德国柏格拉VRDM 368/50LHA。

本发明的自动调高子系统实施例采用了Messer TL17，其控制接口与输出通道的端子板相连，使工业控制计算机控制其使能和设置其工作模式。自动调高子系统可以自动补偿机械手末端位置，克服钢板变形误差，用于实现自动调节喷焰枪和钢板之间的距离，使之保持在工艺要求的范围内。

2、控制器

本发明的大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的控制系统的控制器实施例按照软件工程中层次化、模块化思想进行开发和设计，实现清晰的层次划分和模块分割。各层次之间任务明确，接口简洁。同时，按照功能将程序进行模块化封装，大大减小模块之间的耦合性，使得程序的可维护性能有很大提高。

本发明的控制器组成结构如图6所示，所说的控制器包括初始化模块、主控及状态转换模块、编程模块、用户程序运行模块、运动规划及运动节点解释模块、与专家系统交互模块、手动控制及定位模块、步进驱动模块、界面显示模块、IO处理模块、按键处理模块、测量模块、故障处理模块和伺服模块；其连接关系为：该主控及状态转换模块分别与初始化模块、编程模块、用户程序运行模块、界面显示模块、IO处理模块、故障处理模块和伺服模块、手动控制及定位模块相连；该用户程序运行模块与界面显示模块、运动规划及运动节点解释模块和与专家系统交互模块相连；该运动规划及运动节点解释模块与步进驱动模块、测量模块、伺服模块和IO处理模块相连；该编程模块与界面显示模块和按键处理模块相连；该手动控制及定位模块与伺服模块、测量模块、步进驱动模块和按键处理模块相连；还包括通过编程模块和用户程序运行模块实现的用于完成不同加工方案的用户指令集。

各个模块的功能说明如下：

一、初始化模块：主要用于初始化各个伺服电机，各个阀门、控制面板按键的状态(按下或是弹起)等等状态信息。

本发明的控制器的初始化模块实施例的具体实现流程如图7所示，包括以下步骤：

1)首先进行初始化IO，将输出通道置为初始化状态，检查两个输入通道的各位的状态是否与应有的初始化状态相符，如果不相符，给出相应的提示信息，直到所有的位都与应有的初始化状态相符；

2)初始化键盘，清空键盘缓冲区；

3)初始化测量系统，主要是初始化A/D、D/A转换卡；

4)初始化步进系统，主要是初始化步进控制卡；

5)最后初始化伺服系统，初始化SERCOS控制卡，设置控制模式和其它一些参数，同时打开周期中断和非周期中断。

本模块的其他具体功能均可以由一般计算机程序员参照相应的硬件编程手册实现。

二、主控及状态转换模块：用于根据目前控制器的运行状态和输入信息以及用户的按键进行状态切换、事件处理和调度用户程序执行。

本实施例的主控及状态转换模块的具体实现状态转换流程如图8所示，说明如下：

首先进行系统状态分析：

1)如果当前系统状态是初始化状态，则先进行初始化，如果初始化成功，则设置系统状态为待命状态；否则结束状态转换，转向错误处理。

2)如果当前系统状态是待命状态，则要继续进行子状态分析：

(1)如果当前子状态是测量，则先判断是否需要重新定位，如果需要，则将当前系统状态设为工作状态，子状态设为定位子状态；否则进行测量初始化，将当前系统状态设为工作状态，子状态设为测量子状态。

(2)如果当前子状态是回零，则进行系统回零，将各个轴都运行到初试零位，并恢复系统状态为待命状态。

(3)如果当前子状态是编程，则进行编程初始化，将当前系统状态设为编程状态，子状态设为编辑子状态。

(4)如果当前子状态是加工，则先判断是否需要重新定位，如果需要，则将当前系统状态设为工作状态，子状态设为定位子状态；否则进行加工初始化，将当前系统状态设为工作状态，子状态设为加工子状态。

3)如果当前系统状态是工作状态，则要继续进行子状态分析：

(1)如果当前子状态是定位，则进行定位，成功结束后置系统状态为待命状态。

(2)如果当前子状态是测量，则进行测量，成功结束后置系统状态为待命状态。

(3)如果当前子状态是加工，则进行加工，成功结束后置系统状态为待命状态。

4)如果当前系统状态是编程状态，则要继续进行子状态分析：

(1)如果当前子状态是编辑，则进行编辑操作，结束后判断是否进行仿真，如果进行仿真，则将当前系统状态设为编程状态，子状态设为仿真子状态。否则置系统状态为待命状态。

(2)如果当前子状态是仿真，则进行仿真，成功结束后恢复当前系统状态设为编程状态，子状态为编辑子状态。

继续进行系统状态分析，实现状态转换，直到用户结束程序或程序出错。

本模块的其他具体功能均可以由一般计算机程序员编程实现。

三、指令集：由于不同的待加工钢板在大小、形状方面存在差异，并且即使是同一大小、形状的钢板，由于目标形状的不同，加工方案也不尽相同。同时，针对同一块钢板的不同加工阶段，加工方案也不太一样。为了适应这些加工方案的差异，可以通过提供一系列的指令集来解决，用户针对不同的加工方案可基于该指令集编写特定的加工程序。当然，类似的加工方案可以采用相同的加工程序，具体加工参数的不同可以有限地由已有的专家系统提供不同的数据来解决。本实施例的指令集中的指令所编写的加工程序均在编程模块中编辑和编译，在加工程序运行模块中解释和执行。

本发明的控制器的指令集的实施例提供了一套比较完整的指令系统，用户可以根据需要利用这些指令进行灵活的编程。提供的用户指令系统共分为六大类：运动相关指令、控制指令、算术运算指令、加工相关指令、与专家系统交互指令和其他指令，分别详细说明如下：

1、运动相关指令如表1所示：

表1

指令名	参数格式	语法功能	例句
				MOV	[x坐标][y坐标][z坐标]<变量|立即数>	根据参数变量的内容(即坐标)，将机械手移动到指定点。	MOV V1  V2  V3MOV 100-100 100
MOVIN	[指定顶点]<变量|立即数>	移动到钢板的四个顶点：左下(1)，右下(2)，右上(3)，左上(4)。	MOVIN   2
				MSIDE	[指定边][测量点的密度]<变量|立即数><变量|立即数>	测量指定边；记录点的密度暂时分为两个等级：0和1，即低密度(点间距约50~60mm)和高密度(点间距约20~30mm)。	MSIDE  V0  0MSIDE  3   1
MFACE	[测量线编号]<变量|立即数>或者[x坐标][y坐标][z坐标]<变量|立即数>	测量表面。若有三个参数，表示是目标方式，以当前为起点以参数指定的坐标为终点测量一条曲线；若只有一个参数，则该参数指定“弓”字形测量线的编号。	MFACE V1 V2 V3MFACE  V 0
				PMEA	[左边/右边][加工线号]<变量|立即数><变量|立即数>	加工时边的测量。第一参数指定边。测量左边或者右边时，第二参数指定加工线编号；测量底边或者顶边时，第二参数指明是测量该边的左侧(0)还是右侧(1)。	PMEA  1  0PMEA  2  8PMEA  3  1PMEA  4  2
PMOV	[钢板类型][指定加工线]<变量|立即数><变量|立即数>	加工指令。目前第一参数为0；第二参数指定加工线编号，此编号与测量时的编号应当一致。	PMOV  0  2PMOV  V0 V1
				SPEED	[指定轴][速度]<变量|立即数><变量|立即数>	改变运动类指令的运行速度。运行速度参数范围：[1，100](当前设定的最大速度百分比)。当第一个参数为-1时，表示对所有轴进行设置。	SPEED 2  30SPEED V2 50
ACCEL	[指定轴][加速度]<变量|立即数><变量|立即数>	参数意义同上。	ACCEL 2  30ACCEL V0 40

MOV指令。MOV指令是控制机械手运动的指令，有三个参数，分别指明目标点的X、Y、Z坐标。参数可以是立即数也可以是变量。此指令的执行结果是机械手从当前位置移动到指定点。

MOVIN指令。与MOV指令类似，MOVIN也是机械手运动指令，所不同的是，MOVIN不能移动到任意指定位置，而是只能将机械手臂移动到钢板的四个示教顶点：左下点、右下点、右上点、左上点。MOVIN指令只有一个参数，用于区分上述四个点，这四个顶点对应参数值为1～4。参数可以是立即数也可以是变量。

SPEED和ACCEL指令。这两个指令是用来设置机械手臂运动时的速度和加速度。他们都有两个参数，参数一指明要设定的轴，参数二指明要设置的速度或者加速度的大小。参数一的值的范围是-1、1、2、3，用于指定轴，1～3对应X、Y和Z轴，-1表示对所有轴进行设置。参数二的取值范围是1～100，表示将指定轴的运动速度或者加速度设置为相应最大速度或者最大加速度的1％～100％。参数可以是立即数也可以是变量。

除了上述四条指令外，与运动相关的还有两条测量指令(MSIDE和MFACE)和两条加工指令(PMEA和PMOV)。

MSIDE指令。MSIDE是测量边指令，有两个参数，第一个参数用于指定测量的边，第二个参数用于指定测量点的分布密度。第一个参数范围是1～4，分别对应底边、左边、顶边和右边(面向控制面板方向)。第二个参数为0或1，分别表示两个等级的测量点密度：低密度和高密度。参数可以是立即数也可以是变量。与MSIDE指令相关的是SIDELEN指令。如果SIDELEN指令指定的测量长度比该边的实际长度小，MSIDE就只测量指定长度，否则MSIDE就测量整个边。

MFACE指令。MFACE是测量钢板表面指令，有两种参数格式。第一种格式只有一个参数，该参数指明钢板表面测量线的序号。测量线的次序固定，从靠近底边开始，编号从1开始，测量线之间的间隔由MEAWIDTH指令设定，默认是800mm。这种参数格式的指令执行结果是完整测量指定的测量线，包括钢板的左右两个边沿。第二种格式有三个参数，指明终点坐标。这种参数格式的指令执行结果是从当前点测量到指定点。运用指令的第二种格式时，需要保证测量的起点和终点都必须在钢板上，否则指令返回错误。以上两种格式的参数都可以是立即数也可以是变量。

PMEA指令。PMEA是加工程序中的测量指令，用于加工过程中边的测量。该指令有两个参数，第一参数指定边。当测量底边或者顶边时，第二个参数为0或者1，用于指定是测量底边(或者顶边)的左侧还是右侧。当测量左边或者右边时，第二个参数指定加工线的序号，用于定位相应的加工线。加工线的编号次序固定，从靠近底边开始，编号从1开始。加工线的数目以及有关加工线的其他参数由专家系统以文件的形式给出，机器人将自动读取。在定位加工线或者加工之前，必须首先测量底边或者顶边，而且测量相应的一侧，即，加工左侧时必须测量底边或者顶边的左侧，加工右侧时必须测量底边或者顶边的右侧。参数可以是立即数也可以是变量。

PMOV指令。PMOV是加工指令，有两个参数。第一个参数指明钢板的类型，目前第一个参数只能为0。第二个参数指明加工线的序号。在加工之前，必须通过PMEA指令定位此加工线，并由CAL指令完成相关计算。参数可以是立即数也可以是变量。

2、控制指令如表2所示：

表2

指令名	参数格式	语法功能	例句
				COMP	<变量名1>|<立即数1><变量名2>|<立即数2>	比较参数一与参数二的大小，根据比较结果对PSW寄存器赋值，参数一大于参数二PSW＝1；参数一小于参数二则PSW＝-1；两者相等则PSW＝0。	COMP V1 V2COMP V1 0
JZJNZJBJBEJLJLE	L<标号>	根据COMP指令比较结果，即状态寄存器PSW的值，控制程序的跳转。JNZ表示不等则跳转，JB表示大于(这时PSW＞0)，JBE表示大于等于，JL表示小于，JLE表示小于等于。	COMP V0 12JZ L1
				JMP	L<标号>	无条件转移到标号处	JMP L20
PAUSE		当前指令执行完毕后，程序暂停，等待用户敲击任何键后再恢复运行
				DELAY	T＝<延时时间>T：0.1～999.0s	延时	DELAY 5.2
QUIT		停止，退出用户程序	QUIT

控制指令是用于控制用户程序的执行流程，和一般程序运行控制指令类似。

COMP指令与跳转指令。COMP指令由两个参数，参数类型可以是立即数也可以是变量。COMP指令的执行结果是根据两个参数的大小对PSW寄存器进行赋值，当参数一大于参数二时，PSW＝1；当参数一小于参数二则PSW＝-1；当两者相等则PSW＝0。跳转指令则是根据PSW的值来控制程序的流程。跳转指令主要包括JZ、JNZ、JB、JBE、JL、和JLE，分别表示跳转条件是等于、不等、大于、不小于、小于和不大于。他们的参数都只有一个，即跳转标号。COMP指令常和跳转指令结合使用。

JMP指令。JMP是无条件跳转指令。该指令只有一个参数，即跳转标号。

PAUSE指令。当用户程序执行到PAUSE指令时，系统就会等待用户按键。用户按任意键后，用户程序才会继续执行下一条指令。PAUSE指令没有参数。

DELAY指令。延时指令。该指令只有一个参数，指明延时长度，单位时秒。参数类型可以是立即数也可以是变量。

QUIT指令。退出用户程序。

3、算术运算指令如表3所示：

表3

指令名	参数格式	语法功能	例句
				ADDSUBMULDIV	[变量]       [变量]<变量名><变量名|立即数>	这四条指令是对<变量名1>做对应的算术运算，其中ADD：加法运算；SUB：减法运算；MUL：乘法运算；DIV：除法运算。结果保存到参数—指定的变量中。变量为带符号的十进制数。	ADD V10  V20SUB V10  20MUL  V1  V2DIV  V1  2

算术运算指令ADD、SUB、MUL和DIV分别完成加、减、乘、除四则运算。他们都有两个参数，第一个参数必须是变量，第二个参数可以是变量也可以是立即数。指令的执行结果是将两个参数的运算结果存放到第一个参数指定的变量。

4、加工相关指令如表4所示：

表4

指令名	参数格式	语法功能	例句
				CAL	[钢板类型]<变量名|立即数>	加工时候的计算，不同类型的钢板用不同的算法。	CAL  0
DRAIN	[参数]<0>|<1>	开始排水(控制排水阀)	DRAIN 0DRAIN 1
				COOL	[参数1][参数2]<1>|<2><0>|<1>	开始冷却(控制冷却阀)	COOL 1 0COOL 1 1

与加工相关的指令主要有三条：CAL、DRAIN和COOL。CAL指令用于加工前的相关计算，该指令只有一个参数，用于指明钢板的类型。在PMOV指令之前必须由CAL指令来完成相应的计算。DRAIN和COOL指令用作排水和冷却控制。

5、与专家系统交互指令如表5所示：

表5

指令名	参数格式	语法功能	例句
				DATAIN	[变量][加工边]<变量><变量|立即数>	根据第二参数，系统从文件读取加工线参数，0读取左边的加工参数，1读取右边的加工参数；第一参数是用户定义的一个变量，返回加工线数。	DATAIN V1  0
DATAOUT		数据输出给专家系统	DATAOUT

与专家系统交互指令有两个：DATAIN和DATAOUT。DATAIN指令从专家系统提供的文件中读取加工线的参数。该指令有两个参数，第一个参数为变量；第二个参数(0或1)指定文件，该参数类型可以是变量也可以是立即数。该指令的执行结果是将指定文件的加工线参数读到系统，并将加工线数存到第一个参数指定变量。DATAOUT指令用于数据输出到文件。

6、其他指令如表6所示：

表6

指令名	参数格式	语法功能	例句
				SET	<变量名1><变量名2>|<立即数2>	将<变量名2>|<立即数2>值赋给<变量名1>，此指令执行后，<变量名1>值应与<变量名2>或<立即数2>的值相等。变量名必须以v开头，后面用数字。	SET V10  V8SET V10  9
MEAWIDTH	[测量线间宽度]<变量名|立即数>	设置测量线之间的宽度。	MEAWIDTH 600
				SIDELEN	[边的测量长度]<变量名|立即数>	指定测量边指令MSIDE的测量长度。	SIDELEN 300
LABEL	[标号名称]	标号命名规则：必须以L开头，后面用数字	LABEL  L1
				CLKWISE	orient＝<0>|<1>	设置测量边时顺时针(1)还是逆时针(0，默认)旋转；视角是从钢板上方朝下看。	CLKWISE  1
GETXGETYGETZ	[坐标变量]<变量>	得到当前坐标，并将其保存到变量。	GETX    V0GETY    V1

SET指令。该指令是赋值指令，将第二个参数的值赋给第一参数指定的变量。变量命名必须以字母V开头，后面加数字。

MEAWIDTH指令。该指令用于设置钢板表面测量线之间的间距。

SIDELEN指令。该指令设置MSIDE指令的测量长度。

CLKWISE指令。CLKWISE指令用来设置测量边时MSIDE指令的行走方向。该指令只有一个参数(0或1)，指明MSIDE走逆时针方向还是走顺时针方向(视角为从钢板上方朝钢板看)，默认值为0。

LABEL指令。用于定义标号。该指令只有一个参数。标号的命名必须以字母L开头，后面加数字。

GETX/GETY/GETZ指令。该组指令用于获取当前坐标。他们的参数都只有一个，参数类型为变量。该组指令的执行结果是将机器人当前坐标存到参数指定的变量。

四、编程模块：提供用户编程操作界面，为用户提供方便的文件生成、修改、删除等功能。编程模块还提供用户编译功能，分析和检查用户程序的指令(指令格式、参数等)，并生成系统默认格式的obj文件。包括用户程序编辑及相关的文件打开、文件关闭、字符插入、字符删除、语句合法性检查等。

本实施例的编程模块的具体流程如图9所示，包括以下步骤：

首先进入编程模块主菜单界面。

1)如果用户选择“新建”菜单，首先检查是否有未保存的已打开文件，如果没有直接新建一个文件并进入编辑界面；如果有，则询问是否直接关闭该文件，如果是则直接关闭该文件并新建一个文件后进入编辑界面，如果否则回到主菜单界面；

2)如果用户选择“打开”菜单，首先检查是否有未保存的已打开文件，如果没有直接新建一个文件并进入编辑界面；如果有，则询问是否直接关闭该文件，如果是则直接关闭该文件并打开已有文件列表，在选择一个文件后进入编辑界面，

3)如果用户选择“编辑”菜单，首先检查是否有已打开的文件，如果有则进入编辑界面，进行字符的添加和删除；如果没有则回到主菜单界面；

4)如果用户选择“编译”菜单，首先检查是否有已打开的文件，如果有则对其进行编译，同时进行语句合法性检查；然后回到主菜单界面；

5)如果用户选择“存盘”菜单，首先检查是否有已打开的文件，如果有则对其进行存盘；然后回到主菜单界面；

6)如果用户选择“重命名”菜单，首先检查是否有已打开的文件，如果有则对其进行重命名；然后回到主菜单界面；

7)如果用户选择“另存为”菜单，首先检查是否有已打开的文件，如果有则对其以另外一个名称存盘；然后回到主菜单界面；

8)如果用户选择“仿真”菜单，首先检查是否有已编译的文件，如果有则再检查在上次编译以后是否又做了改动；如果做了改动，则询问是否继续仿真，如果是则进行仿真，仿真结束后回到主菜单界面，如果否则直接返回到主菜单界面；如果没有做改动，则直接进行仿真，仿真结束后回到主菜单界面；如果没有已编译的文件，则直接返回到主菜单界面；

9)如果用户选择“关闭”菜单，首先检查是否做了改动；如果做了改动则询问是否保存所做的修改，如果是则先保存该文件然后关闭当前文件，再返回到主菜单界面；；其他情况直接关闭当前文件，然后返回到主菜单界面；

10)如果用户选择“删除”菜单，首先询问是否删除当前文件，如果是则删除当前文件，然后返回到主菜单界面；否则直接返回到主菜单界面；

11)如果用户选择“退出编程”菜单，首先询问是否确定退出编程界面，如果是则退出编程界面，返回控制器主界面；否则返回到主菜单界面。

本模块的其他具体功能均可以由一般计算机程序员参照一般的编辑、编译系统编程实现。

五、用户程序运行模块：实现用户程序的调入、预处理、运行和结束运行功能。

用户程序运行模块的具体实现流程如图10所示，包括以下步骤：

1)首先调入用户；

2)然后进行运行前的预处理，初始化相关运行环境；

3)判断：如果通过指令指针检测到还有指令没有执行完，执行当前用户指令(每条用户指令都对应一系列的指令解释函数)，然后根据运行情况设置指令指针，有可能继续执行该指令，有可能指针加一；

如果用户指令已经执行完毕，做运行结束处理，结束用户程序的执行。

本模块的其他具体功能均可以由一般计算机程序员参照一般的解释语言的解释程序编程实现。

六、运动规划及运动节点解释模块：用于根据不同的运动相关命令，进行梯形或者波形的运动规划，并按照规划结果配置中断处理程序的内容。包括梯形规划，样条逼近、运动节点添加、删除、解释等功能。

运动规划及运动节点解释模块的实现流程如图11所示，包括以下步骤：

1)在控制器初始化的时候初始化伺服系统就做了节点队列相关的运行环境的初始化；

2)开启周期中断；

3)判断在每个周期中断中，中断处理函数检查节点队列是否为空？

(1)如果不为空，从队列头上取下头节点进行解释，进行相应的运动规划，然后将规划的结果转化为实际的控制指令发送给电机控制器。同时检测节点是否执行完毕，对节点队列做相应的更新(运动节点队列中的节点是在用户程序的解释执行中动态添加的)；结束本次中断处理，

(2)如果为空，则直接结束本次中断处理。

本模块的其他具体功能均可以由一般计算机程序员参照一般的轨迹规划、中断处理函数编程实现。

七、与专家系统交互模块：实现机器人系统和参数预报系统(非本发明内系统)之间的数据交换功能。包括读取参数预报系统的各种有关加工线的参数，生成交给参数预报系统的测量数据文件等。以及数据输入和数据输出。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员编程实现。

八、手动控制及定位模块：直接将各个轴的电机设置成速度模式，然后通过手动使各个轴按照预设的几档速度中的一种运动。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照相应的硬件编程手册编程实现。

九、步进驱动模块：负责实现步进电机的驱动。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照步进电机驱动卡的编程手册编程实现。

十、界面显示模块：实现主界面显示、提示信息刷新、位置图象刷新以及字符显示功能。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照一般的SVGA编程手册编程实现。

十一、IO处理模块：将I信号转换成需要的实际意义值，将有意义的输出信息转成成O信号进行输出。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照IO板的编程手册编程实现。

十二、按键处理模块：实现对键盘、薄膜按键、控制面板按键和操作仪按键进行处理的功能。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照相应的编程手册编程实现。

十三、测量模块：实现对激光测距仪测量的结果进行单位转换、坐标转换等功能。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照A/D、D/A转换卡的编程手册编程实现。

十四、故障处理模块：实现对现存故障进行相应的处理的功能。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照相应的硬件编程手册编程实现。

十五、伺服模块：实现伺服初始化和伺服中断处理等功能。

本模块的具体功能均可以由一般计算机程序员参照SERCOS的编程手册编程实现。

上述各模块的调用关系说明如下：

主控及状态转换模块根据需要调用不同的功能模块。它从IO处理模块和伺服模块获得系统状态信息和用户的输入信息。它调用用户程序运行模块运行用户的程序；它调用界面显示模块显示相关信息；它调用编程模块编制用户程序，它调用初始化函数进行初始化；它调用故障处理模块处理运行中产生的故障；它调用手动控制及定位模块进行手动控制和定位点的定位；

编程模块除了和主控及状态转换模块有联系以外，还调用按键处理模块进行编辑和操作；调用界面显示模块显示编程主界面和编辑界面等。

用户程序运行模块调用与专家系统交互模块与专家系统进行交互；调用界面显示模块显示测量和加工的情况；调用运动规划及运动节点解释模块进行运动规划和底层控制的实现。

运动规划及运动节点解释模块从测量模块获得机械手距离钢板的高度信息；与IO处理模块交互，获取限位信息和控制阀门和点火等；调用伺服模块控制伺服电机运动；调用步进驱动模块驱动步进电机运动。

手动控制及定位模块从按键处理模块获取用户按键信息；调用伺服模块和步进驱动模块使相应电机按指定速度运动；同时可以从测量模块获得机械手距离钢板的高度信息。

以上所述各个模块之间相对比较独立，单个模块的改动对其他模块的影响小，有利于系统的维护和升级。

本实施例控制机器人最终达到的性能参数如下：

加工对象大小(长、宽、厚)：14000mm(最大)×4500mm(最大)×(12～24)mm

最大工作速度：X轴：0.3m/s，Y轴：0.3m/s，Z轴：0.3m/s

加工定位误差：X方向±5mm，Y方向为±2mm

测量误差：±1mm

加热时喷火嘴线速度：1～15mm/s

加热时喷火嘴离钢板距离：6～60mm

加热时喷火嘴与钢板法线的夹角：0°～10°

整板测量时间：小于15min

Claims (1)

1、一种大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人的控制系统，其特征在于，包括执行机构及对其进行控制的控制器两部分，所说的执行机构包括由带有ISA总线的主机、薄膜键盘、电子盘、显示器组成的工业控制计算机，串行实时通讯系统控制卡，由多个伺服电机及其全数字式驱动器组成的伺服单元，各驱动器通过串行实时通讯系统控制卡与工业控制计算机相连；由气、水阀门、红外安全传感器、点火开关、限位开关组成的外部信号采集及控制单元，该外部信号采集及控制单元通过输入/输出卡及其相应的端子板与工业控制计算机相连；由激光测距仪和A/D、D/A卡及其端子板组成的测量单元，该测量单元通过其端子板与工业控制计算机相连；由步进电机控制卡及其端子板和步进电机及其驱动器组成的步进单元，该步进单元通过步进电机控制卡与工业控制计算机相连；还包括通过输入/输出卡及其相应的端子板与工业控制计算机相连的自动调高子系统和控制面板，以及直接与工业控制计算机相连的操作仪；所说的控制器包括初始化模块、主控及状态转换模块、编程模块、用户程序运行模块、运动规划及运动节点解释模块、与专家系统交互模块、手动控制及定位模块、步进驱动模块、界面显示模块、IO处理模块、按键处理模块、测量模块、故障处理模块和伺服模块；其连接关系为：该主控及状态转换模块分别与初始化模块、编程模块、用户程序运行模块、界面显示模块、IO处理模块、故障处理模块和伺服模块、手动控制及定位模块相连；该用户程序运行模块与界面显示模块、运动规划及运动节点解释模块和与专家系统交互模块相连；该运动规划及运动节点解释模块与步进驱动模块、测量模块、伺服模块和IO处理模块相连；该编程模块与界面显示模块和按键处理模块相连；该手动控制及定位模块与伺服模块、测量模块、步进驱动模块和按键处理模块相连；还包括通过编程模块和用户程序运行模块实现的用于完成不同加工方案的用户指令集。

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