造船工程焊接过程中移动机器人控制器设计外文翻译资料

 2022-07-29 15:37:24

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造船工程焊接过程中移动机器人控制器设计

Namkug Ku 1，Sol Ha 2，*和Myung-Il Roh 3

1 船舶与海洋工程系，东义大学，176， Eomgwang - RO，镇区 - 顾，釜山614 - 714，韩国2 工程研究所，首尔国立大学，1，冠岳 - RO，冠岳 - 区， 首尔151 - 744，大韩民国

3 海洋建筑与海洋工程与海洋工程研究所海洋系统工程系，首尔国立大学，1， 冠岳 - RO，冠岳 - 区，首尔151 - 744，大韩民国

（收稿日期：2014年7月21日; 2014年8月8日修订; 2014年8月18日接受）

摘要

本研究描述了移动焊接机器人的控制硬件和软件的开发。该机器人能够在双层船体结构中移动和执行焊接任务。控制硬件由主控制器和焊接机控制器组成。控制软件由四层组成。每层由模块组成。模块的适当组合使得控制软件能够执行所需的任务。使用QNX操作系统下的C编程开发控制软件。对于控制软件的调制架构，我们设计了四个控制软件：任务管理器，任务计划器，任务操作和任务执行程序。将嵌入式控制器和控制软件应用于移动焊接机器人，以成功执行所需任务。

关键词：移动式焊接机器人; 模块化控制架构; 嵌入式控制器; 工业自动化

介绍

最近，自主焊接任务的需求在造船厂中增加，以提高生产率。自20世纪90年代以来，许多应用中使用了多轴机器人的自动焊接任务。然而，机器人仅在固定位置工作，通常使用起重机将机器人从一个工作位置移动到另一个工作位置[1-4]。因此，我们开发了一种自行车移动焊接机器人，它不需要起重机或龙门架装置来运输，在船舶的双层船体结构中。

本文介绍了在横向和纵向（移动任务）中移动的移动焊接机器人的控制硬件和控制软件的开发，在双壳体结构（焊接任务）中执行U形焊接区域和支架内的焊接任务，并检测焊接路径的起点和终点（感应任务）。

1.1船体双层船体结构

应提供油轮，集装箱运输船，液化天然气运输船和液化石油气运输船双层船体结构，保持结构稳定性，防止意外碰撞或绞合引起的环境污染。图1显示了非常大的原油载体的双层船体结构。

由于与环境安全性增加的分隔相关联的封闭区域，难以使双层船体结构的制造过程自动化。由于这些原因，许多研究集中在自动化造船厂双层船体结构的制造过程[5]。

1.2双壳体结构和可焊接性的焊接目标

双层船体结构由顶板和底板，桁材和横向网板组成。两个板覆盖双层船体结构的顶部和底部。大梁和横向腹板将双层船体结构分成多个封闭部分。在每个部分中，几个加固的纵向加强筋彼此平行设置，并且这些加强筋包含许多小的加强筋。图2示出了所提出的机器人（U形部分）的焊接目标。焊接目标位于块体的顶部和底部。当块是开放型时，只有一侧是焊接目标; 另一方成为焊接目标区块成为封闭式。因此，所提出的机器人需要在封闭块内进行操作。

图1.非常大的原油载体（VLCC）的双壳体结构。

图2.双层船体结构中双层船体结构和横向网板地板上的进入孔中的焊接目标。

图3. DANDY，大宇造船与海洋工程在韩国使用的固定焊接机器人。

图4.日本造船厂日立佐森的NC绘画机器人。

自行车移动式焊接机器人在纵向和横向方向移动，焊接双层船体结构中的U形区域。为了将机器人放置在双层船体结构中，机器人穿过尺寸为600mmtimes;800mm高度的进入孔。

2.工艺状况

2.1双层船体结构和可焊接的焊接目

具有固定多轴机器人的机器人焊接系统用于许多造船厂的单体船体结构。例如，如图3所示，使用称为DANDY的固定六轴机器，由韩国Geoje的大宇造船与海洋工程自动焊接单个船体结构

  1. （b）

图5.控制器与焊接机器人（DANDY，RRX3）之间的电缆：（a）控制器与固定式焊接机器人“DANDY”之间的电缆，（b）控制器与移动焊接机器人“RRX3”之间的电缆。

图6. RRX3嵌入式控制器的配置。

图7. RRX3的主控制器。

安装在制造工厂天花板上的顶置龙门起重机在焊接位置之间移动DANDY。然而，DANDY不能用于双层船体结构，因为龙门起重机在这样的封闭环境中不能处理机器人。

在日本的一家造船公司Hitachi-Zosen，开发了一种NC绘画机器人，用于在双层船体结构中绘制[5]。这个机器人由一个自驾车，一个可扩展的放置器和用于涂装的六轴操纵器。放置器将操纵器移动到由地板和桁材包围的部分中的合适位置。如图4所示，通过使用两组磁性履带，安装沉积器和操纵器的自驱动托架在没有轨道的两个纵向加强件的表面上延伸。

（a）

（b）

图8. RRX3主控制器中的电机驱动器和运动控制器：（a）交流伺服电机驱动器（230 mm宽times;90 mm高times;20 mm深），（b）运动控制器（230 mm宽times;90 mm高times; 20毫米深）。

图9.焊接机控制器与RRX3主控制器的连接。

机器人有两个限制。首先是覆盖物的覆盖面在横向上限制六轴机械手的位置。第二，机器人的尺寸太大，不能通过尺寸为600mmtimes;800mm的通孔，因此每个网板需要1600mmtimes;800mm的永久开口，从而改变结构设计。

Kim等人 [7]开发了用于双重结构焊接的机器人系统“RRX3”。对于这种焊接机器人的移动性，嵌入式控制器已经专门开发。相关机器人与系统之间的差异本文提出的表格如表1所示。

2.2为什么是RRX3的嵌入式控制器？

为了执行焊接任务，焊接机器人需要能够在纵向和横向上独立地移动。在DANDY的情况下，由DSME开发的固定式6轴焊接机器人，控制器距离焊接机器人50米。因此，在控制器和机器人之间，以及龙门架之间需要冗长的电机电源电缆和电机编码器电缆

表1.本研究中分析的不同系统的特征。

RRX3

DANDY

NC绘画机器人

开放操作

可能

可能

可能

封闭运行

可能

不可能

可能

穿过通孔

可能

不可能

可能

通孔尺寸

600毫米times;800毫米

-

1800mmtimes;800mm

控制器

嵌入式

位于街区外

位于块外

起重机必须承受电缆的重量。然而，在双层船体结构中，RRX3不使用起重机拖动电缆。因此，已经开发了嵌入式控制器以最小化电缆的数量和重量。图5显示了RRX3和DANDY电缆的组成。

2.3模块化控制软件

已经研究了机器人单元功能的模块化，以便轻松添加诸如传感器[8]的新硬件，并有效地执行可重复的任务[9]。此外，已经研究了三层架构的实时性能[10,11]。还研究了基于混合控制架构的软件架构[12]。

在本研究中，控制软件适应[12]的混合控制架构。此外，移动焊接机器人连接到包括伺服电动机，传感器和焊接机的多个硬件。由于工业机器人需要高精度来防止错误和问题，因此控制软件必须坚固。因此，本研究利用模块化控制架构开发控制软件[8,9]。

3. RRX3嵌入式控制器的模块化控制架构

3.1 RRX3嵌入式控制器

RRX3的控制硬件由主控制器和焊机控制器组成。主控制器安装在RRX3上，控制交流伺服电机和感应系统（接近传感器，激光传感器和冲击传感器）。焊机控制器被焊接到焊接机上进行精确控制（图6）。

3.1.1主控制器

如果主控制器远离机器人，则移动式焊接机器人需要拖动较长的电机功率和编码器电缆。为了避免这种情况，控制器安装在RRX3的下方，如图7所示。

主控制器由CPU板，运动控制器（可对所有12个轴执行线性插补）和12个交流伺服电机驱动器组成。CPU板是由KONTRON制造的商业产品866LCDM / mITX。它具有通过本研究开发的机器人控制软件。运动控制器从CPU板接收命令，并控制12个交流伺服电机驱动器。本研究还开发了运动控制器和交流伺服电机驱动器。RRX3有松下制造的电机。但是，松下的商用交流伺服电机驱动器的尺寸太大，无法置入嵌入式主控制器，这促使我们开发运动控制器和交流伺服电机驱动器。司机是增量类型。
3.1.2焊机控制器

在作为固定式焊接机的DANDY的情况下，主控制器和焊接机彼此靠近。因此，控制器没有限制操纵作为焊接机的投入和输出数据的模拟电压。然而，随着主控制器与焊接机之间的电缆长度的增加，由于电压降和噪声的影响，主控制器更难以正确地操纵模拟电压。因此，在本研究中，焊接机控制焊接机控制器如图9所示，并被焊接到焊机上。

焊接机控制器具有由DSME开发的电弧传感器。因此，可以确保焊炬遵循所需的焊接路径。焊接过程中的电流密度与焊炬和焊接区域之间的距离成反比。焊机控制器使用该电流来计算焊炬和焊接区域之间的距离，并决定工件是否已成功完成。

3.2 RRX3控制软件架构

RRX3执行高精度的移动任务和焊接任务（误差范围：0.5 mm以下）。为了控制焊接机器人，定义了焊接机器人的“动作”。“动作”的合适组合使控制软件能够执行所需的各种任务。

3.2.1模块化控制软件架构

控制软件由四个层组成：任务管理器，任务计划器，任务操作和任务执

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