CN1544177A - 大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制方法 - Google Patents

大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制方法 Download PDF

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赵雁南
左锦宇
郑大念
王家廞
贾培发
慕强
操先良
李�杰
郝悍勇
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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的控制方法,包括:确定四个定位点的坐标值,并通过其确定钢板在机器人坐标系中的位置;测量整板以获得钢板的曲面形状;将钢板当前的曲面形状与目标形状进行比较,判断是否已经吻合,如果吻合就结束当前钢板的加工;否则根据加工工艺参数先进行局部测量和计算来寻找加工焰道的实际位置,然后控制机械手按照一定的时间要求和指定的轨迹匀速行走,同时控制加工设备进行加工,完成此次加工后转向测量整板继续进行。本发明能够按照水火成形加工工艺的要求,控制机器人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、提高造船质量和降低造船成本。

Description

大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制方法
技术领域  本发明属于计算机控制技术领域,特别涉及船板的加工技术。
背景技术  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。
船体外板按形状可以大致分为两类:帆形板(Concave Type)和鞍型板(Saddle Type)。它们的基本焰道分布情况和加工效果分别如图1和图2所示。图中A部分都表示水火加工前仅仅经过一次辊轧的情况,图中B部分分别表示经水火加工后的帆形板形状和鞍型板形状,图中,L为需要水火加工的焰道线,R为辊轧时的辊轧线。
到目前为止,该项加工技术还必须依靠熟练工人的经验,尺量目测,判断是否已经加工完成和寻找加工焰道的位置,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方法;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,控制机器人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、提高造船质量和降低造船成本。
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控制方法,用于加工如图1所示的帆形板,包括定位、整板测量、比较和加工四个步骤,分别说明如下:
1)定位:将机器人依次运动到被加工的矩形钢板的四个顶点附近的定位点位置,同时记录下该定位点的三维坐标值,进而通过四个定位点的坐标值确定钢板在机器人坐标系中的位置;
2)整板测量:根据已经定位过的钢板位置信息确定钢板的整板测量方案,再通过整板测量获得钢板的曲面形状;
3)比较:将钢板当前的曲面形状与目标形状进行比较,判断是否已经吻合,如果吻合就结束当前钢板的加工;否则,转向步骤4);
4)根据加工工艺参数进行加工:机器人将首先通过测量包括与焰道有交点的边来获取该交点的实际位置及该交点附近的局部钢板形状,进而按加工工艺参数中焰道与该边的夹角计算该焰道的位置,再通过沿计算出的该焰道位置的仿形测量获得该焰道的实际位置;控制机械手按照一定的时间要求和指定的轨迹匀速行走,同时控制气、水阀门和点火开关进行加工。加工过程完毕后,转向步骤2)继续循环进行。
步骤4)中所说的的工艺参数是由造船工艺方面的成熟软件生成或由工艺技术人员提供,不属本发明的保护内容。
本发明还提出一种大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制方法,用于加工如图2所示的鞍形板,包括定位、整板测量、比较和加工四个步骤,分别说明如下:
前三步与上述用于帆型板的方法相同;
4)根据加工工艺参数进行加工:机器人人将首先通过测量与辊轧线相交的两条边和中间一条线,再按加工工艺参数中加工线与所述三条线的交点在各自曲线上的位置计算得到这些交点的坐标,进而通过拟合计算得到加工线的位置,通过测量该加工线,得到焰道的实际位置,控制机械手按照一定的时间要求和指定的轨迹匀速行走,同时控制气、水阀门和点火开关进行加工;加工过程完毕后,转向步骤2)继续循环进行。
本发明的方法对加工末端可在加工范围(具体范围与欲加工的钢板大小和形状有关)内运动且可测量板上任意点坐标位置的常用的工业机器人结构均适用。
本发明的特点及效果:
本发明是针对于大型船舶的外船板水火加工而设计的,应用了大型复杂曲面钢板水火加工的技术。由于工艺技术原因,加工数据均是针对于平面钢板的。而实际加工的钢板基本都经过了辊轧成形,初步具有了一定的筒形曲面。在实际加工过程中,钢板又在不断扭曲、变形。本发明的采用了用局部测量来引导加工的方法解决了这个问题。最终实现了对不同形状、不同大小和不同厚度船体外板的机器人自动水火成型加工。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为帆型板的水火加工示意图。
图2为鞍型板的水火加工示意图。
图3为本发明的实施例所采用的智能机器人的总体机械结构示意图。
图4为本发明的实施例1的控制方法的流程图。
图5为本发明的实施例1的整板测量路线示意图
图6为本发明的实施例1的工艺平面图纸示意图
图7为本发明的实施例1的焰道定位方案
图8为本发明的实施例2的工艺平面图纸示意图
图9为本发明的实施例2的焰道定位方案
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方法结合实施例及附图详细说明如下:
本发明的实施例是基于如图3所示结构的机器人的基础之上的。该机器人为龙门架式结构,如图5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。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。
实施例1:结合如图3所示的机器人实施例结构对帆形板加工的流程如图4所示,包括以下步骤:
(1)定位:在该机器人系统中,设定在各个伺服电机码盘值均为0,且步进电机44使激光测距仪沿导轨42沿Z方向运动到最下方的时候,激光测距仪激光发射点的位置为坐标原点。将机器人依次运动到矩形钢板内的四个顶点附近(一般距离相邻的两个边都为20-30mm左右,有一定的选择范围,不用精确定值)的定位点位置,同时记录下该定位点的三维坐标值,结合本实施例的机器人,则当需要定位一个定位点的时候,首先控制伺服电机14、15、31,将机器人的测量部件(激光测距仪)移动到定位点的正上方,然后再控制电机43、44将激光测距仪下降到适当位置,使钢板进入到其距离测量范围,进而读取激光测距仪激光发射点当前在X、Y、Z方向上的坐标值(可分别从伺服电机15、31、43的码盘值获得)和激光测距仪的测量值。激光所打到的定位点的三维坐标值(x,y,z)中,x、y直接等于当前激光测距仪激光发射点在X、Y方向上的坐标值,z等于当前激光测距仪激光发射点在Z方向上的坐标值和激光测距仪的测量值的和。这样便可以通过四个定位点的坐标值确定钢板在机器人坐标系中的位置;
(2)整板测量:本实施例采用了如图5所示的整板测量方案。图5中,板的四个边为S1、S2、S3和S4,实线M1、M2、M3是测量过程,虚线b1、b2是空走(粗虚线b2表示的是一个沿原路返回的过程,实际上它是与实线相重合的,只是为了区别起见才将其做了偏转)。测量轨迹如图中箭头所示。首先,从起点S开始,测量近端的边S4,行走路线为M1,当机器人从钢板表面向外经过边沿时,激光的反馈面就由钢板的表面变成了地面,因此激光测量仪测得的距离就会发生一个跳跃式的变化(对于加工的钢板,一般都要求被垫起来一些),记录测量距离跳变前一个位置的坐标,本实施例设定这个位置就是钢板的边沿;然后,从靠近测量仪的一边S3开始(避免折回过程),走“弓”字形的多条测量路径M2;测量完钢板表面后,从靠近测量仪的一端(可能是S3,也可能是S1)开始,测量远端短边S2,行走路线为M3。之所以多了一个“沿原路返回”的冗余过程,目的是避免测量仪在钢板外部行走,防止发生碰撞。为了保证安全,以牺牲一定的效率为代价。根据规划好的轨迹,控制伺服电机14、15、31,并自动调节伺服电机43,使钢板始终在激光测距仪的测量范围内,并按照一定的采样密度进行采样,进而获得钢板表面上若干离散点的三维坐标。然后根据整板采样仿形测量所记录的数据,拟合钢板的曲面形状。对于拟合的方法,可以参照有关的文献中的一般方法。
(3)比较:将钢板当前的曲面形状与目标形状进行比较,判断是否已经吻合,如果吻合就结束当前钢板的加工;否则,转向步骤4)。
(4)根据加工工艺平面图纸给定的参数进行加工:由工艺参数预报系统(为造船工艺方面的成熟软件)生成加工工艺参数,一般以加工工艺平面图纸的形式给出,加工的工艺参数是根据钢板当前的形状和目标形状来决定的,一个典型的帆型板工艺平面图纸如图6所示,它的一般性特点是焰道L分布在辊轧线R的两边,且焰道L均有一个端点在钢板的边缘上面,V1、V2、V3和V4为帆型板的四个顶点。对于某一条焰道的定位,如图7所示,先根据工艺平面图纸参数求出加工焰道在边缘上的端点G在该钢板侧边上和参照点(参照点一般为该侧边两端的两个顶点中的一个,如V1)的相对位置,然后通过沿边界进行的折线测量运动,从而找到参照点V1的实际位置和焰道在边沿上的端点G的实际位置,由于测量和拟合的误差,拟合出的底边S4和侧边S1可能没有交点,但是可以它们在底平面上面的投影有交点,则V1(x1,y1,z1)的坐标值x1和y1可以采用投影交点在X、Y方向上的坐标值,z1采用两条曲线上相应点在Z方向上的坐标值的平均值;加上顶点V1计算值重新拟合侧边S1,G的坐标值可以通过其在加工图纸中沿边到顶点V1的距离在新拟合出的侧边S1上计算得到;进而根据焰道在加工图纸中与侧边S1的夹角确定焰道在实际钢板上的方向和计算出理论上的直线焰道轨迹方程和起点位置,由于实际生产中钢板曲面变化比较平缓,小的局部内可以看成平面,这个平面可以通过在测量边沿的时候确定合适的3个点来获得。在实际加工以前,先从理论的焰道起点沿计算出的焰道轨迹进行仿形测量一遍,以获取实际的焰道形状并进行实际加工的轨迹规划。然后按照一定的时间要求沿着规划好的轨迹行走,同时控制气、水阀门和点火开关进行加工。
加工过程完毕后,转向步骤2)继续循环进行。
实施例2:结合如图3所示的机器人实施例结构对鞍形板加工的流程如图4所示:
(1)定位:与实施例1的(1)相同。
(2)整板测量:与实施例1的(2)相同。
(3)比较:与实施例1的(3)相同。
(4)根据加工工艺平面图纸给定的参数进行加工:由工艺工艺技术人员提供加工工艺参数,一般以加工工艺平面图纸的形式给出,加工的工艺参数是根据钢板当前的形状和目标形状来决定的,一个典型的鞍型板工艺平面图纸如图8所示,它的一般性特点是要加工的焰道L分布在钢板内部,相对辊轧线R对称,且分为若干个组,一组焰道分布在一条加工曲线P上面,V1、V2、V3和V4为鞍型板的四个顶点。本实施例定位方案如图9所示。它将加工线P与两个侧边S1、S3和辊轧线R的交点D、F、E作为定位点;首先如图9所示通过测量底边S4、顶边S2和中间的一条线S5,获得两个侧边S1、S3和辊轧线R各自的两个端点和中间一点,分别为侧边S1的V1,V3和V5,侧边S3的V2,V4和V6,辊轧线R的V7,V9和V8。从而分别用抛物线拟合求得这3条曲线的方程(试验证明,用抛物线拟合可以获得较小的误差,同时,由于实际测量的三个点是三维空间中的点,不能直接用平面抛物线的方程拟合,但还是可以通过先将获得的三点通过坐标系旋转和平移使其到一个新坐标系的坐标平面中去以简化抛物线的方程。如果拟合所用的3个点共线,则直接采用该直线作为拟合出的曲线,),进而可以通过加工图纸中定位点D、E、F在各自线段上的位置确定出定位点D、E、F的实际坐标位置。利用定位点D、E、F的实际坐标位置同样用抛物线拟合求得加工线P的理论方程,机器人就可以进行沿计算出的加工线P的理论方程进行仿形测量,获得实际的加工线。从而可以根据加工工艺平面图纸给定的焰道在加工线P上的相对位置,推算出焰道的实际位置,从而确定焰道的加工路径并进行实际加工的轨迹规划。然后按照一定的时间要求沿着规划好的轨迹行走,同时控制气、水阀门和点火开关进行加工。加工过程完毕后,转向步骤2)继续循环进行。

Claims (2)

1、一种大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制方法,用于加工帆形板,包括定位、整板测量、比较和加工四个步骤,分别说明如下:
1)定位:将机器人依次运动到被加工的矩形钢板的四个顶点附近的定位点位置,同时记录下该定位点的三维坐标值,进而通过四个定位点的坐标值确定钢板在机器人坐标系中的位置;
2)整板测量:根据已经定位过的钢板位置信息通过整板采样测量获得钢板的整板曲面形状;
3)比较:将钢板当前的曲面形状与目标形状进行比较,判断是否已经吻合,如果吻合就结束当前钢板的加工;否则转向步骤4);
4)根据加工工艺参数进行加工:机器人将首先通过测量包括与焰道有交点的边来获取该交点的实际位置及该交点附近的局部钢板形状,进而按加工工艺参数中焰道与该边的夹角计算该焰道的位置,再通过沿计算出的该焰道位置的仿形测量获得该焰道的实际位置;控制机械手按照一定的时间要求和指定的轨迹匀速行走,同时控制气、水阀门和点火开关进行加工。加工过程完毕后,转向步骤2)继续循环进行。
2、一种大型复杂曲面钢板水火加工智能机器人控制方法,用于加工鞍形板,包括定位、整板测量、比较和加工四个步骤,分别说明如下:
1)定位:将机器人依次运动到被加工的矩形钢板的四个顶点附近的定位点位置,同时记录下该定位点的三维坐标值,进而通过四个定位点的坐标值确定钢板在机器人坐标系中的位置;
2)整板测量:根据已经定位过的钢板位置信息通过测量获得钢板的曲面形状;
3)比较:将钢板当前的曲面形状与目标形状进行比较,判断是否已经吻合,如果吻合就结束当前钢板的加工;否则,转向步骤4);
4)根据加工工艺参数进行加工:机器人将首先通过测量与辊轧线相交的两条边和中间一条线,再按加工工艺参数中加工线与所述三条线的交点在各自曲线上的位置计算得到这些交点的坐标,进而通过拟合计算得到加工线的位置,通过测量该加工线,得到焰道的实际位置,控制机械手按照一定的时间要求和指定的轨迹匀速行走,同时控制气、水阀门和点火开关进行加工;加工过程完毕后,转向步骤2)继续循环进行。
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