船舶工程焊接机器人控制硬件与软件开发及应用研究.

计算设计与工程学报。号14（2014）243~255www.jcde.org船舶工程焊接过程移动机器人控制器设计Namkug Ku1、Sol Ha2、*和Myung-Il Roh31韩国釜山市釜山镇区Eomgwang-ro176，东义大学造船与海洋工程系2工程研究所，首尔国立大学，1，Gwanak-ro，Gwanak-gu，Seoul 151-744，Republic of Korea3韩国首尔国立大学造船与海洋工程系海洋系统工程研究所，首尔151-744，冠乐区冠乐路1号（2014年7月21日接收;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机控制器组成控制软件由四层组成每一层都由模块组成模块的适当组合使控制软件能够执行所需的任务。控制软件在QNX操作系统下采用C语言编程开发针对控制软件的模块化体系结构，将控制软件设计为任务管理器、任务规划器、任务执行器和任务执行器四个层次将嵌入式控制器和控制软件应用于移动焊接机器人，以成功执行所需的任务。为了对该嵌入式控制器和控制软件进行评价，进行了现场测试，验证了所开发的船厂移动式焊接机器人嵌入式控制器的设计和实现。关键词：移动焊接机器人;模块化控制体系结构;嵌入式控制器;工业自动化1. 介绍最近，造船厂对自主焊接任务的需求增加，以提高生产率。自20世纪90年代以来，使用多轴机器人的自主焊接任务已被用于许多应用然而，机器人只能在固定的位置工作，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]。为此，我们开发了一种自驱动移动焊接机器人，它不需要起重机或龙门架装置的移动，在船舶的双层船体结构。本文介绍了移动焊接机器人的控制硬件和控制软件的发展，在横向和纵向方向移动（移动任务），在U形焊接区域和双船体结构中的支架内执行焊接任务（焊接任务），并检测焊接路径的起点和终点（传感任务）。1.1 船舶中的双壳结构液货船、集装箱船、液化天然气船和液化石油气船应配备*通讯作者。联系电话：+82-2-880-8378电子邮件地址：hasol81@snu.ac.kr© CAD/CAM工程师协会Techno-Press doi：10.7315/JCDE. 2014. 024双船体结构，以保持结构稳定性并防止意外碰撞或搁浅造成的环境污染。图1显示了一艘超大型原油运输船的双壳结构。由于与环境安全的增加的分隔相关联的封闭区域，难以使双壳结构的制造过程自动化由于这些原因，许多研究都集中在自动化的制造过程中的双船体结构在造船厂[5]。1.2 双壳结构中的焊接目标和可达性双层船体结构由顶板、底板、桁梁和横向腹板底板组成。这两块板覆盖了双层船体结构的顶部和底部桁梁和横向腹板地板将双壳结构分成许多封闭的部分。在每个截面中，多个纵向加劲肋彼此平行布置，并且这些纵向加劲肋包含许多小的增强加劲肋。图2示出了所提出的机器人的焊接目标（U形部件）。焊接目标位于块的顶部和底部。当块体是开放型时，只有一侧是焊接目标;另一侧成为焊接目标。244N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255图1.超大型油轮的双壳结构。图2.双壳结构中的焊接目标和双壳结构中横腹板地板上的检查孔。图3. DANDY，韩国大宇造船海洋工程公司使用的固定式焊接机器人。N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255245图4.日本日立造船厂的数控喷漆机器人。在块变成闭合类型后，目标出于这个原因，所提出的机器人需要在封闭的块内操作。自驱动移动焊接机器人在纵向和横向方向上移动并焊接双船体结构中的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600 mm宽× 800 mm高的检修孔。2. 研究现状2.1 双壳结构中的焊接目标和可达性多轴机器人固定式焊接系统已被许多船厂用于单船体结构的焊接例如，如图3所示，韩国巨济大宇造船海洋工程公司使用一种名为DANDY的固定六轴机器人自动焊接单船体结构[6]。一个（一）（b）第（1）款图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）控制器与移动式焊接机器人“RRX3”之间的电缆。246N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255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厂天花板上的高架门式起重机在焊接位置之间移动DANDY然而，DANDY不能用于双船体结构，因为龙门起重机不能在这样的封闭环境中操纵机器人。在日本的一家造船公司日立造船，开发了一种数控喷漆机器人，用于在双层船体结构内部进行喷漆[5]。这个机器人由一个自动驾驶的车厢，可扩展的放置器，和一个六轴机械手用于油漆。放置器将机械手移动到由地板和梁包围的分区中的合适安装有放置器和机械手的自动驾驶小车利用两组磁性履带在两个纵向加强件的表面上运行，而没有轨道，如图4所示。机器人有两个限制。第一，砂矿的范围N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255247（一）（b）第（1）款图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× 90 mm高× 20 mm深），（b）运动控制器（230 mm宽× 90 mm高× 20 mm深）。图9.焊机控制器与RRX3主控制器的连接。在横向上限制了六轴机械手的位置。第二，机器人的尺寸太大，无法通过600 mm × 800 mm的检修孔，因此每个腹板地板需要一个1600 mm × 800 mm的永久开口，从而改变了结构设计。Kim等人。[7]开发了用于双层结构焊接的机器人系统“RRX3”。为了保证焊接机器人的机动性，研制了嵌入式控制器相关机器人和系统亲的区别，本文中提出的问题见表1。2.2 为什么选择RRX3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方向上独立移动。在DSME开发的固定式6轴焊接机器人DANDY的情况下，控制器位于距离焊接机器人50 m处因此，在控制器和机器人以及机架表1.本研究分析了不同系统的特点。RRX3丹迪数控喷漆机器人开区组可能可能可能闭块运算可能不可能可能通过检修孔可能不可能可能检修孔600 mm × 800 mm-1，800 mm × 800 mm控制器嵌入式位于街区位于街区248N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255起重机必须承受电缆的重量然而，在双船体结构中，RRX3在不使用起重机的情况下拖动电缆。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示出了RRX3和DANDY的电缆的组成。2.3 模块化控制软件研究了机器人单元功能的模块化，以便于增加传感器[8]并有效地执行可重复的任务[9]。此外，一个三层体系结构已经研究了实时性能[10，11]。基于混合控制体系结构的软件体系结构也已研究[12]。在本研究中，控制软件采用[12]的混合控制架构此外，移动焊接机器人连接到多个硬件，包括伺服电机、传感器和焊接机。由于工业机器人需要高精度来防止错误和问题，因此控制软件必须强大。因此，本研究使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结构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，勒是安装在RRX3和控制交流伺服电机，tors和传感系统（接近传感器，激光传感器和冲击传感器）。焊接机控制器与焊接机相连，可进行精确控制（图6）。3.1.1 主控制器如果主控制器位于远离机器人的位置，则移动焊接机器人需要拖动冗长的电机电源和编码器电缆。为了避免这种情况，控制器安装在RRX3下方，如图7所示主控制器由CPU板、运动控制器（能够对所有12个轴执行线性插补）和12个AC伺服电机驱动器组成。CPU板是866 LCDM/mITX，由KONTRON制造的商业产品。它有机器人控制软件，已通过本研究的开发。运动控制器接收来自CPU板的命令，并控制12个AC伺服电机驱动器。通过本研究开发了运动控制器和交流RRX3采用松下制造的电机然而，松下商用交流伺服电机驱动器的体积太大，无法放置在嵌入式主控制器中，这促使我们开发运动控制器和交流伺服电机驱动器。驱动因素是增量型的。图8显示了RRX3控制器上使用3.1.2 焊接机控制器在DANDY的情况下，其是固定型焊接机器人，主控制器和焊接机彼此靠近因此，对于控制器操纵模拟电压没有限制，该模拟电压是焊机的输入和输出数据然而，随着主控制器和焊接机之间的电缆长度的增加，由于电压降和噪声的影响，主控制器正确地操纵模拟电压因此，在本研究中，开发了图9中控制焊接机的焊接机控制器，并将其连接到焊接机上。焊机控制器具有DSME开发的电弧传感器。因此，它可以确保焊炬遵循所需的焊接路径。焊接过程中的电流强度与焊炬和焊接区域之间的距离成反比。焊机控制器利用该电流计算焊炬与焊接区域之间的距离3.2 RRX3的控制软件架构RRX3执行移动任务和焊接任务，需要高精度（误差范围：0.5毫米以下为了控制焊接机器人，定义了焊接机器人的“动作”适当的“动作”组合使控制软件能够执行所需的各种任务3.2.1 模块化控制软件体系结构控制软件由四个层次组成：任务管理器，任务计划器，任务操作和任务执行器。 任务管理器：管理用户提供的任务列表，并与示教吊坠（TP）进行通信 任务计划器：从任务管理器接收任务，在任务的操作中选择“操作” 任务动作：从任务计划器接收动作，并通过使用环境数据和机器人状态数据生成机器人的轨迹，这些数据由任务执行器提供 任务执行器：控制运动控制器和执行器.任务执行器控制机器人执行任务，并从传感器接收环境数据和机器人可以通过任务计划员在任务操作中选择的“操作”组合来执行任务此外，任务执行器的单元功能是模块化的，rized新的硬件很容易添加。图9是组成控制软件的四个层和模块的示意图。3.2.2 任务规划器N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255249图10.介绍了RRX3.任务计划器执行任务管理器提供的任务，同时将“操作”合并到任务操作中任务计划器的功能与每个任务相对应，如下所示：(a) ‘任务计划器通过组合“激活传感器”和“横向运动”或在任务操作中组合“激活传感器”和移动任务的具体步骤见4.1节和4.2节(b) 直焊、编织焊和焊接（焊接任务）任务规划器通过结合任务操作中的“焊枪直线运动”和“开始/停止焊接”来执行直焊任务和编织焊接任务编织焊接任务的具体程序见第4.3节。(c) 激光传感和触摸传感（传感任务）任务计划器通过组合以下各项来执行感知任务：任务操作中的“激活传感器”和“焊炬线性运动”3.2.3 任务的操作模块任务操作执行任务计划器所需的“操作”任务操作生成焊炬的轨迹同时，这一层与激光传感器、接近传感器和震动进行250N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255图11. RRX3的测试（移动和焊接）结果：（a）开始向横向移动，（b）向横向移动包括主控制器的子体，（c）向横向移动主体，（d）完成横向移动，（e）感应和焊接U形部件，（f）焊接U形部件的结果。传 感 器 ， 以 便 接 收 环 境 数 据 ， 例 如 纵 向 加 强 件（longi.）或者焊接机器人与U形焊接区域之间的当焊接机器人执行焊接任务时，任务操作开始或停止焊接，同时执行其他“操作”。任务动作中有两种类型的模块，动作模块和运动生成器模块。3.2.3.1 动作模块任务计划器在行动模块中选择合适的“行动”。然后，动作模块将命令传输到任务执行器中的其他模块，这些模块对应于由任务计划器选择的操作的功能与每个“行动”相对应的措施如下：(a) ‘动作模块将运动命令传输到运动生成器模块，运动生成器模块又生成焊枪的轨迹，并将每个电机的角度数据传输到任务执行器中的伺服模块“焊枪的线性运动是执行任务（编织焊接，焊接，触摸传感等）所必需的”动作“。与焊炬的运动有关(b) ‘‘动作模块控制伺服模块执行图12.横向移动过程中模块之间的数据传输顺序。N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255251图13.编织焊接顺序。图14.摆动焊接过程中模块之间的数据传输顺序。移动任务，使用来自传感器模块的环境数据。执行与焊接机器人移动相关的任务（横向移动、纵向移动、焊接）时，必须执行“横向移动顺序电机控制”和“纵向移动顺序电机控制”操作(c) ‘该动作模块将焊接电压和电流传输到将数据租给焊接机模块。(d) ‘动作模块将感测命令传送到任务执行器中的传感器模块。动作模块使用来自传感器模块的感测数据来生成焊接机器人的下一个动作。“激活传感器”是执行移动、焊接和传感任务所必需的“操作”252N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255图15.移动式焊接机器人焊接试验的焊接结果（电压：26V，电流：250A）。(a)（b）第（1）款图16.移动式焊接机器人的现场试验：（a）纵向移动前，（b）纵向移动后进行焊接.3.2.3.2 运动发生器模块当需要焊炬的运动来执行任务时，动作模块将运动命令传送到运动生成器模块。运动发生器模块利用正运动学和逆运动学生成焊枪的运动轨迹，并将各电机的角度数据传送给任务执行器中的伺服模块3.2.4 任务执行器的模块任务执行器的模块是连接到RRX3的硬件接口。任务执行器通过与运动控制器的USB通信控制交流伺服电机任务执行器与激光传感器、接近传感器和冲击传感器进行实时通信（RS232、数字I/O），并通过RS485通信将焊接数据（电压和电流）传输到焊接机任务执行器由伺服模块、传感器模块、焊接机模块和ON/OFF模块。3.2.4.1 伺服模块伺服模块将运动发生器模块计算的每个电机的角度数据传输到运动控制器，运动控制器控制交流伺服电机驱动器。伺服模块和运动控制器之间的通信通过USB进行。3.2.4.2 传感器模块传感器模块通过RS232或数字I/O将来自激光传感器、接近传感器和震动传感器的环境数据传输到任务管理器或任务操作。3.2.4.3 焊接机模块焊机模块将动作模块提供的焊接数据（电压和电流）传输到焊机控制器。焊接机模块N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255253还通过RS485接收焊机控制器的电弧检测结果3.2.4.4 开/关模块ON/OFF模块执行非周期性功能，例如激光传感器的“伺服开/关”和“打开/关闭保护帽”因此，ON/OFF模块仅等待来自任务动作的信号ON/OFF模块执行与任务操作信号对应的唯一功能，在完成所需功能后开/关模块对于激光传感任务是必需的，因为它打开和关闭激光传感器的保护盖4. 实施和实验结果为了对移动式焊接机器人进行鲁棒控制，控制软件中的模块需要在给定的时间内精确地运行因此，基于其可靠的实时性能，QNX被选为操作系统。控制软件采用C语言开发为了验证硬件配置和确认模块化控制结构的操作，已经进行了横向/纵向运动和焊接试验。图11显示了测试结果。4.1 组合模块完成横移任务的实例图11（a）、（b）、（c）和（d）显示了向右横向移动如图12所示，横向移动的顺序如下：(1) 动作模块将“横向移动”命令传送到伺服模块。(2) 伺服模块将“提升机构”命令传送到运动控制器。(3) 在车身被提升后，伺服模块将向运动控制器发送“将子体向右移动”命令(4) 传感器模块接收“longi.检测到的错误信息并将其传输到操作模块。(5) 动作模块将“停止”命令传送到伺服模块。伺服模块然后停止电机。图11（b）示出了将子主体移动到下一个纵向的结果(6) 动作模块按顺序操作电机，直到RRX3完成横向移动。传感器模块检测经度并将结果传送到动作模块，然后动作模块将“停止”命令传送到伺服模块。4.2 通过组合模块(1) 动作模块将“纵向移动”命令传送到伺服模块。(2) 伺服模块将“向前移动”指令传送到伺服模块，向运动控制器发出指令(3) 当RRX3在纵向方向上移动时，传感器模块从激光传感器接收“U形区域检测到的确认信息”，并将该信息传输到动作模块。(4) 然后，动作模块将“停止”命令传送到伺服模块，并完成纵向移动。4.3 通过组合模块图11（f）示出了U形焊接区域的焊接结果。摆动焊接是指通过焊枪的Z字形运动进行的垂直焊接如图13所示，编织焊接的顺序如下：(1) 运动发生器模块将“将焊炬从A点移动到B点”命令传送到伺服模块。(2) 伺服模块将“启动电机”命令传送到运动控制器。然后，当焊炬从A点移动到点B时，焊机模块将“开始收集焊接电流”(3) 焊枪到达B点后，伺服模块等待0.3秒同时，焊接机控制器使用编译的电流数据检查焊炬是否成功地遵循所需的焊接路径(4) 运动发生器模块根据电弧传感的结果计算焊枪从点B到点C(5) 在等待时间（0.3秒）内，运动发生器模块将计算出的C点位置传输(6) 等待时间（0.3秒）后进入第二步。图14显示了编织焊接任务中因此，RRX3能够检测longi并在横向方向上移动此外，机器人执行焊接任务，同时感测焊接点，并遵循焊接路径。图15示出了移动焊接机器人的焊接测试的焊接结果为了提高焊接质量，对焊机的输入电压和电流进行了多次调整。图15中显示了一个焊接试验（26V和250A）测试结果表明，硬件配置合理，模块化的控制软件体系结构提供了预期的操作。4.4 现场试验结果为了评估所开发的嵌入式控制器的鲁棒性，在船厂进行了为期一个月的焊接试验图16显示RRX 3正在执行移动-254N. Ku等人计算设计与工程杂志1、不。4（2014）243~255图17. RRX3成功焊接焊接任务（图16（a））和焊接任务（图16（b））。图17显示了各种类型的焊接目标（U形部分）。RRX3移动到焊接目标并检测焊缝，并成功地执行了数百次焊接任务。现场试验表明，RRX3与现有的DANDY焊接质量相当。此外，准备焊接作业的总感测时间减少了约25%。由于DANDY不能处理U形零件上支架的焊接，RRX3可以执行此焊接工作。不用说，更方便的是，工人不需要移动焊接装置，因为其具有自移动的功能。通过现场测试，我们可以确认所开发的RRX3嵌入式控制器的设计和实现。5. 结论本文介绍了一种自主移动式焊接机器人嵌入式控制器硬件和控制软件的开发将嵌入式控制器和控制软件应用于自主移动焊接机器人，以成功执行以下任务：移动、焊接和传感任务。为了开发嵌入式主控制器，在有限的空间内安装了12个交流伺服电机驱动器和CPU板。针对控制软件的模块化体系结构，将控制软件设计为任务管理器、任务规划器、任务执行器和任务执行器四个层次为了对该嵌入式控制器和控制软件进行评价，进行了现场测试，证实了所开发的RRX3嵌入与现有系统相比，DANDY，RRX3可以减少移动焊接设备的繁重工作，并减少约25%的传感时间来准备焊接作业。我们预计该移动式焊接机器人可用于船厂双层船体结构致谢这项工作得到了（a）大宇造船海洋工程公司，有限公司、（b）由大韩民国知识经济部资助的工业战略技术开发计划（10035331，船舶和海上工厂的基于模拟的制造技术），（c）由大韩民国教育部资助的韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划（NRF-2013 R1A6 A3 A01065496），（d）首尔国立大学工程研究所(e) BK21 Plus、首尔国立大学海洋工厂工程师教育研究中心（COPE）、首尔国立大学海洋系统工程研究所（f）和（g）东义大学资助（2014AA443）。引用[1] 作者：J. 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