機(jī)器人切割鋼管引熄弧板軌跡規(guī)劃研究

趙 靜 周 超 曹宇航 茹 翔 于海峰

1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心 陜西 寶雞 721008

2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721008

0 引言

螺旋鋼管預(yù)精焊技術(shù)已成熟應(yīng)用十多年,為保證焊接質(zhì)量,防止焊縫始終端產(chǎn)生缺陷,在螺旋管預(yù)精焊過程中引入了引熄弧技術(shù),引熄弧技術(shù)是在鋼管精焊前后鋼管端部設(shè)置焊縫引弧板和熄弧板。引熄弧板為焊接接頭端獲得正常尺寸的焊縫截面,即為焊前裝配的金屬板。由于外協(xié)加工成本高、質(zhì)量不易控制,焊接過程中必須采用與生產(chǎn)鋼管曲率相同的弧板,且從產(chǎn)線同步生產(chǎn)的預(yù)焊鋼管管端上制取為最佳方式。傳統(tǒng)的人工切割方式勞動(dòng)強(qiáng)度大,切割質(zhì)量不穩(wěn)定,且對(duì)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)也有較高的要求,增加了生產(chǎn)難度和成本,不利于提高生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化設(shè)備,其技術(shù)附加值高,應(yīng)用范圍廣。作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要裝備和信息化新興產(chǎn)業(yè),工業(yè)機(jī)器人核心技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展具有不可忽視的影響[1]。近年來,焊管行業(yè)在技術(shù)裝備自動(dòng)化提升方面已逐步應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化和智能化改造,并取得了很好的應(yīng)用效果。使用工業(yè)機(jī)器人制取引熄弧板,可以利用其自動(dòng)化和柔性生產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn),設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔,通過機(jī)器人編程,實(shí)現(xiàn)不同管徑規(guī)格和尺寸的引熄弧板制取。

1 引熄弧板切割軌跡規(guī)劃模擬

本文通過對(duì)引熄弧板制取工藝研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管表面等分切割,考慮到機(jī)器人正向反向的切割和機(jī)器人手臂伸展的最大范圍,建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,研究出機(jī)器人軌跡正運(yùn)動(dòng)與逆運(yùn)動(dòng)算法,并使用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了引熄弧板制取的計(jì)算和模擬,MATLAB呈現(xiàn)出來的軌跡規(guī)劃直觀的用圖形表示,對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)直接、直觀的表達(dá),便于總結(jié)和發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,圖1為MATLAB模擬機(jī)器人制取引熄弧板運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

(1)根據(jù)鋼管管徑,鋼管壁厚及鋼管螺距,卷板板弧長(zhǎng)、卷板邊長(zhǎng),完成用戶輸入?yún)?shù)的設(shè)定,使用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)鋼管外徑、內(nèi)徑建模。

(2)根據(jù)引熄弧板切割的尺寸,使用MATLAB軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)角度的自動(dòng)劃分并繪制正方面切割的直線。確定正向切割的塊數(shù)和反向切割的塊數(shù)。

圖1 鋼管引熄弧板自動(dòng)切割模擬圖

2 機(jī)器人上位機(jī)程序編寫

本文針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、程序編寫和機(jī)器人輪廓儀控制等關(guān)鍵技術(shù)展開研究,最終在LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)制取引熄弧板的軌跡規(guī)劃。

本文使用安川機(jī)器人作為研究對(duì)象,型號(hào)為GP180,其本體具有六個(gè)自由度,各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),驅(qū)動(dòng)方式為全伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),其重復(fù)定位精度可以達(dá)到±0.05mm[2]。每個(gè)軸都由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),軸上安裝轉(zhuǎn)角編碼器,可隨時(shí)檢測(cè)到每軸的運(yùn)動(dòng)位置,使其不但工作精度高,且靈巧。搭配使用的新型控制柜YRC1000,可以滿足電壓、安全規(guī)格等多樣化的需求,使得機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功能。

2.1 使用軟件

2.1.1 Lab VIEW Lab VIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境,由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā),類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但是Lab VIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼,而Lab VIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

Lab VIEW內(nèi)部加入輪廓儀數(shù)據(jù)采集工具包,通過編寫程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪廓儀數(shù)據(jù)的采集。

2.1.2 Motocom32 Motocom32是日本安川電機(jī)公司為其Motoman32系列機(jī)器人提供的軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit),該工具包包含了文件數(shù)據(jù)傳送功能、機(jī)器人控制功能、I/O信號(hào)讀寫功能等[3]。Motoman32本質(zhì)是一種動(dòng)態(tài)的鏈接庫(kù)(DLL),用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)應(yīng)用程序,輕松實(shí)現(xiàn)電腦與機(jī)器人之間的通信,完成機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

2.2 自主設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序 本文使用的是Lab VIEW軟件完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡編程,在運(yùn)動(dòng)控制程序開發(fā)之前,為驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡算法的正確性,借助MATLAB完成切割引熄弧板的軌跡模擬,通過調(diào)用Motocom32實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與機(jī)器人之間的交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制,最終完成機(jī)器人自動(dòng)切割引熄弧板軌跡規(guī)劃。

按照功能設(shè)計(jì)要求,首先通過Lab VIEW程序調(diào)用Motocom32函數(shù)完成機(jī)械臂伺服上電,調(diào)用QYD.JBI程序,用輪廓儀測(cè)定點(diǎn)位建立用戶坐標(biāo)系,(以鋼管圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)定X、Y、Z軸的方向與機(jī)器人坐標(biāo)系方向一致),調(diào)用BscGetCartPos@24運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)讀取機(jī)器人當(dāng)前位姿,建立用戶坐標(biāo)系,讀取用戶坐標(biāo)系原點(diǎn)位姿,通過對(duì)成型角、平行于焊縫的螺距、圓弧對(duì)應(yīng)的角度的計(jì)算,完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。

使用LabVIEW設(shè)計(jì)子VI,子VI為規(guī)劃鋼管圓弧和焊縫螺旋方程的子程序,子VI程序的編寫使得Lab VIEW程序易于調(diào)試和維護(hù),同時(shí)簡(jiǎn)化了整體程序架構(gòu)。

機(jī)器人制取引熄弧板運(yùn)動(dòng)控制上位機(jī)程序如圖2所示。其中第一幀使用了自主設(shè)計(jì)的子VI,規(guī)劃了在用戶坐標(biāo)系中三個(gè)圓弧點(diǎn)的位姿；第二幀將三個(gè)位姿數(shù)組作為P變量發(fā)送給機(jī)器人；第三幀調(diào)用了一個(gè)清IO的JBI程序,將機(jī)器人的OUT9置0；第四幀調(diào)用了一個(gè)編寫好的機(jī)器人示教器程序YXHB.JBI,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人制取引熄弧板的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。

圖2 機(jī)器人制取引熄弧板運(yùn)動(dòng)控制上位機(jī)程序

3 機(jī)器人示教程序

機(jī)器人示教編程是把機(jī)器人規(guī)定的動(dòng)作轉(zhuǎn)變成機(jī)器人程序的過程,通過運(yùn)行機(jī)器人程序來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作展示,完成示教過程。

本文機(jī)器人示教編程選擇的是直角坐標(biāo)值即(X,Y,Z,RX,RY,RZ)描述位姿,機(jī)器人以某一速度用關(guān)節(jié)的插補(bǔ)方式運(yùn)動(dòng)到某一位姿。整個(gè)示教內(nèi)容包括：選擇坐標(biāo)系、移動(dòng)機(jī)器人、設(shè)置軌跡插補(bǔ)方式及再現(xiàn)速度設(shè)置程序參數(shù),最后進(jìn)行檢查試運(yùn)行[5]。

YXHB.JBI程序的主要內(nèi)容：

MOVC P0；MOVL為圓弧軌跡設(shè)置,P0的坐標(biāo)

MOVC P1；圓弧中點(diǎn)

MOVC P2；圓弧終點(diǎn)

DOUT(9) ON；輸出高電平

即命令機(jī)器人按P0,P1,P2三個(gè)點(diǎn)的位姿運(yùn)行軌跡。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際需求,提出了使用工業(yè)機(jī)器人制取引熄弧板的技術(shù)方案,使用安川GP180機(jī)器人為研究對(duì)象,搭建了工業(yè)機(jī)器人切割工作站,使用LabVIEW軟件開發(fā)了上位機(jī)程序,并開展了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,工業(yè)機(jī)器人制取引熄弧板完全可以替代人工制取,彌補(bǔ)了人工生產(chǎn)中的劣勢(shì),提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。