多自由度切割機器人控制系統研究

田麗欣,柳延領

（唐山學院信息工程系,河北 唐山 063000）

多自由度切割機器人控制系統研究

田麗欣,柳延領

（唐山學院信息工程系,河北 唐山 063000）

摘要：切割機廣泛應用于船舶制造業、機械裝備制造業等多種行業。在實際應用中，很多切割機存在切割精度低，自動化水平不高、加工效率低等問題。針對此問題提出一種由上位機生成切割數據，由PLC與定位單元組成的控制器以及服驅動系統等構建的高精度切割機運動軌跡控制系統，可用于管料相貫線切割。切割曲線數據由上位機生成，并建立與下位機PLC的數據通信，適用于工業常用切割類型的需求。采用此運動控制系統可大幅度提高切割質量以及設備自動化程度，滿足現代機械制造業對管料切割的大量需求。

關鍵詞：多自由度；相貫線；軌跡；切割；控制

0　序言

目前，我國船舶制造行業、海洋工程等發展迅速，機械裝備制造等工業領域也日益發展，導致對鋼結構管件的切割需求量急劇增加。為了實現各種尺寸不同形狀鋼管的搭接，需要對管端相貫線和坡口實現高精度切割控制。傳統切割多采用手動切割，耗時耗力，容易受人為因素影響，導致切割精度不高，直接影響到焊接質量。對傳統切割方式的改進能有效提高切割數量和切割質量。

隨著我國工業技術的快速發展，目前，工業機器人作為自動化行業的典型產品廣泛應用于工業生產中，比如切割、焊接、裝配、包裝等領域。針對管端相貫線的切割特點，本文研究了六自由度切割機器人控制系統，應用于管端相貫線切割控制。該系統采用計算機作為上位機，主要負責復雜數據的計算，生成相貫線切割軌跡曲線數據；PLC作為下位機，協調控制各軸，完成對多軸的聯動控制以實現管料加工需求的各種相貫曲線切割。采用多軸聯動的自動切割機器人可對相貫線和坡口實現高速度、高精度切割，滿足現代工業的需求。

1　機器人結構及工作原理

六自由度切割機器人機械結構主要由管料支撐裝置、自旋轉卡盤、割炬升降機構、割炬軸向擺動機構和旋轉機構、割炬徑向移動機構、切割系統等組成。自旋轉卡盤負責管料夾緊和輸送，可夾持待加工原料沿軸向輸送，割炬可以實現升降、左右擺動以及360度旋轉。切割機器人機械結構簡圖如圖1所示。

其中①為夾持原料旋轉軸，②為割炬升降軸，③為原料輸送軸，④為割炬徑向移動軸，⑤為割炬軸向擺動軸，⑥為割炬回轉軸。在PLC控制下結合定位模塊實現對六自由度切割機器人的控制。

圖1　切割機器人機械結構簡圖

機器人各軸采用伺服電機控制的閉環系統，控制精度高。切割時首先用自旋轉卡盤夾持住待加工管料并移動到待切割位置，割炬徑向移動并下降到原料最高點，切割機器人以最高點為切割起始點，割炬按照預先選擇相貫形式進行切割，相貫形式包括兩管相貫、管板相貫等。

2　控制系統硬件設計

六自由度切割機器人控制系統用計算機作為上位機，以PLC作為下位機核心控制器。上位機主要負責運動軌跡的規劃，運動學計算等非實時性任務，下位機主要負責對切割機器人多軸速度和位置的實時控制，以實現各軸的協調動作，從而完成對各種形狀管子相貫線的切割。

上位機生成相貫線軌跡移動點數據，將生成的六個軸的數據表通過串行通訊傳輸給下位機PLC并存儲到相應存儲區域。PLC根據數據表執行相應動作，實現對機器人各軸的伺服控制，協調六軸完成空間曲線切割，達到控制精度和控制速度要求。控制系統結構圖如圖2所示。

3　控制系統軟件設計

控制系統軟件設計包括上位機數據生成軟件、PLC控制程序設計和觸摸屏HMI人機畫面組態。

上位機數據生成軟件主要完成切割運動軌跡數據的計算。在上位機數據處理軟件進行相貫形式選擇和參數輸入后，算法程序根據輸入的待加工工件的外形參數對各軸的位移和速度等數據進行插補運算和處理，得出切割機各運動軸所需的脈沖數、脈沖速度和方向，并利用串口通信方式將各個軸的運動數據傳送給下位機PLC，在相應存儲區域進行存儲，作為PLC對各個軸運動控制的參數。

PLC控制完成切割機器人自動和手動兩種工作方式的控制。手動操作方式可實現對各個軸的單獨控制，可用于生產線初裝時的系統調試，檢測各個設備是否能正常運行。自動控制方式下，通過對割炬升降軸和徑向移動軸的控制、配合管料的旋轉和軸向移動可實現各種相貫曲線的自動切割，通過對割炬的軸向擺動以及旋轉可控制滿足對不同角度坡口的加工要求。自動方式的控制流程如圖3所示。

觸摸屏主要用于設備操作，實時參數修改，設備狀態監控。設計畫面生動形象，交互性強。

圖2　控制系統硬件結構圖

圖3　自動方式控制流程圖

4　結束語

該系統采用了PLC 控制技術、數控技術以及伺服驅動裝置，提高了設備的自動化控制水平，系統抗干擾能力強、穩定性高，運動誤差小。應用該控制系統可實現高精度切割，適應大批量生產需求，滿足船舶制造、海洋工程等領域對管料切割的控制要求。控制系統經濟實用、具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1]王振超,劉廣瑞，畢競鍇等.基于PLC 的切割機運動軌跡控制系統的設計[J]，機床與液壓，2012（02）：59-61.

[2]程衛權.基于PLC 的數控切割機控制系統[J]，電腦知識與技術，2011（30）：7534-7535.

[3]黃紹平.五自由度切割機器人軌跡規劃與控制研究[D]，哈爾濱工業大學，2011.

[4]苗東旭.基于DSP的管端切割機器人控制系統研究[D]，哈爾濱工程大學，2011（12）.