機器人切割鋼管引熄弧板軌跡規劃研究

趙 靜 周 超 曹宇航 茹 翔 于海峰

1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心 陜西 寶雞 721008

2.寶雞石油鋼管有限責任公司 陜西 寶雞 721008

0 引言

螺旋鋼管預精焊技術已成熟應用十多年,為保證焊接質量,防止焊縫始終端產生缺陷,在螺旋管預精焊過程中引入了引熄弧技術,引熄弧技術是在鋼管精焊前后鋼管端部設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。由于外協加工成本高、質量不易控制,焊接過程中必須采用與生產鋼管曲率相同的弧板,且從產線同步生產的預焊鋼管管端上制取為最佳方式。傳統的人工切割方式勞動強度大,切割質量不穩定,且對操作人員的工作經驗也有較高的要求,增加了生產難度和成本,不利于提高生產效率和市場競爭力。

經過幾十年的發展,工業機器人已經成為一種標準的自動化設備,其技術附加值高,應用范圍廣。作為現代制造業的重要裝備和信息化新興產業,工業機器人核心技術的發展和應用對生產制造業的發展具有不可忽視的影響[1]。近年來,焊管行業在技術裝備自動化提升方面已逐步應用工業機器人來實現生產線自動化和智能化改造,并取得了很好的應用效果。使用工業機器人制取引熄弧板,可以利用其自動化和柔性生產的技術特點,設備結構設計更加簡潔,通過機器人編程,實現不同管徑規格和尺寸的引熄弧板制取。

1 引熄弧板切割軌跡規劃模擬

本文通過對引熄弧板制取工藝研究,實現對鋼管表面等分切割,考慮到機器人正向反向的切割和機器人手臂伸展的最大范圍,建立了機器人運動的數學模型,研究出機器人軌跡正運動與逆運動算法,并使用MATLAB軟件實現了引熄弧板制取的計算和模擬,MATLAB呈現出來的軌跡規劃直觀的用圖形表示,對機器人的運動直接、直觀的表達,便于總結和發現機器人運動的規律,圖1為MATLAB模擬機器人制取引熄弧板運動軌跡圖。

(1)根據鋼管管徑,鋼管壁厚及鋼管螺距,卷板板弧長、卷板邊長,完成用戶輸入參數的設定,使用MATLAB軟件實現鋼管外徑、內徑建模。

(2)根據引熄弧板切割的尺寸,使用MATLAB軟件計算實現角度的自動劃分并繪制正方面切割的直線。確定正向切割的塊數和反向切割的塊數。

圖1 鋼管引熄弧板自動切割模擬圖

2 機器人上位機程序編寫

本文針對機器人運動軌跡規劃、程序編寫和機器人輪廓儀控制等關鍵技術展開研究,最終在LabVIEW程序開發環境下實現機器人自動制取引熄弧板的軌跡規劃。

本文使用安川機器人作為研究對象,型號為GP180,其本體具有六個自由度,各個關節均為旋轉關節,驅動方式為全伺服電機驅動,其重復定位精度可以達到±0.05mm[2]。每個軸都由伺服電機驅動,軸上安裝轉角編碼器,可隨時檢測到每軸的運動位置,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、安全規格等多樣化的需求,使得機器人能實現最優化的功能。

2.1 使用軟件

2.1.1 Lab VIEW Lab VIEW是一種程序開發環境,由美國國家儀器(NI)公司研制開發,類似于C和BASIC開發環境,但是Lab VIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼,而Lab VIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,產生的程序是框圖的形式。

Lab VIEW內部加入輪廓儀數據采集工具包,通過編寫程序可以實現對輪廓儀數據的采集。

2.1.2 Motocom32 Motocom32是日本安川電機公司為其Motoman32系列機器人提供的軟件開發工具包(Software Development Kit),該工具包包含了文件數據傳送功能、機器人控制功能、I/O信號讀寫功能等[3]。Motoman32本質是一種動態的鏈接庫(DLL),用戶可以根據自己的需要開發應用程序,輕松實現電腦與機器人之間的通信,完成機器人的遠程控制。

2.2 自主設計機器人運動控制程序 本文使用的是Lab VIEW軟件完成機器人運動軌跡編程,在運動控制程序開發之前,為驗證機器人運動軌跡算法的正確性,借助MATLAB完成切割引熄弧板的軌跡模擬,通過調用Motocom32實現工控機與機器人之間的交互,實現對機器人的實時控制,最終完成機器人自動切割引熄弧板軌跡規劃。

按照功能設計要求,首先通過Lab VIEW程序調用Motocom32函數完成機械臂伺服上電,調用QYD.JBI程序,用輪廓儀測定點位建立用戶坐標系,(以鋼管圓心為坐標原點,設定X、Y、Z軸的方向與機器人坐標系方向一致),調用BscGetCartPos@24運動控制函數讀取機器人當前位姿,建立用戶坐標系,讀取用戶坐標系原點位姿,通過對成型角、平行于焊縫的螺距、圓弧對應的角度的計算,完成機器人運動軌跡的規劃。

使用LabVIEW設計子VI,子VI為規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程序易于調試和維護,同時簡化了整體程序架構。

機器人制取引熄弧板運動控制上位機程序如圖2所示。其中第一幀使用了自主設計的子VI,規劃了在用戶坐標系中三個圓弧點的位姿；第二幀將三個位姿數組作為P變量發送給機器人；第三幀調用了一個清IO的JBI程序,將機器人的OUT9置0；第四幀調用了一個編寫好的機器人示教器程序YXHB.JBI,最終實現機器人制取引熄弧板的運動軌跡規劃。

圖2 機器人制取引熄弧板運動控制上位機程序

3 機器人示教程序

機器人示教編程是把機器人規定的動作轉變成機器人程序的過程,通過運行機器人程序來實現機器人動作展示,完成示教過程。

本文機器人示教編程選擇的是直角坐標值即(X,Y,Z,RX,RY,RZ)描述位姿,機器人以某一速度用關節的插補方式運動到某一位姿。整個示教內容包括：選擇坐標系、移動機器人、設置軌跡插補方式及再現速度設置程序參數,最后進行檢查試運行[5]。

YXHB.JBI程序的主要內容：

MOVC P0；MOVL為圓弧軌跡設置,P0的坐標

MOVC P1；圓弧中點

MOVC P2；圓弧終點

DOUT(9) ON；輸出高電平

即命令機器人按P0,P1,P2三個點的位姿運行軌跡。

4 結束語

本文根據實際需求,提出了使用工業機器人制取引熄弧板的技術方案,使用安川GP180機器人為研究對象,搭建了工業機器人切割工作站,使用LabVIEW軟件開發了上位機程序,并開展了試驗研究,試驗結果表明,工業機器人制取引熄弧板完全可以替代人工制取,彌補了人工生產中的劣勢,提高了產品質量和生產效率。