LNG船標準絕緣箱打釘機器人軌跡規劃

祁偉民， 李 芳， 屈繼強， 金 鑫， 華學明

(1.滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129；2.上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；3.中國船舶電站設備有限公司，上海 200129)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)運輸船液貨圍護系統在-163 ℃環境中使用，為保證在如此低的溫度下安全運輸LNG，必須維持艙體的超低溫環境。超低溫絕緣箱是液貨圍護系統的關鍵部件，一方面有效隔熱，另一方面是LNG的承重載體，承受LNG的重量和沖擊。絕緣箱的使用數量巨大，如17.4萬m3的LNG船需要的絕緣箱超過60 000個[1]，且尺寸質量和位置精度均具有較高要求。標準絕緣箱外形為長方體，形狀規則，占絕緣箱總量的65%以上。針對標準絕緣箱的自動化制造設計機器人自動打釘生產系統，為實現標準絕緣箱的高效率、高質量制造進行探索和實踐。

1 標準絕緣箱

1.1 箱體結構

No.96型絕緣箱的材料為膠合板，由外框板、內部隔板及頂板、底板經卡釘固定連接組成，內部填充絕緣材料，如珍珠巖或玻璃棉等，從而達到熱絕緣的目的。以典型的1S型標準絕緣箱為例，其箱體結構、部件板打釘位置和頂板打釘位置如圖1所示。

圖1 1S型標準絕緣箱箱體結構及打釘位置

1.2 制造流程

制造絕緣箱所用的膠合板經過預切板、鉆孔、開槽、安裝楔塊等工序[2]，加工為內隔板或外板。標準絕緣箱制造分為箱體組裝和箱體填充：箱體組裝包括部件板組裝與固定→部件板打釘→頂板組裝與固定→頂板打釘→箱體翻轉等工序；箱體填充包括箱體整平、絕緣材料填充、底板組裝與固定、底板打釘等工序。

2 機器人自動打釘系統

2.1 系統組成

針對箱體組裝涉及的打釘工序，設計基于安川MOTOMAN工業機器人的自動打釘系統。系統由打釘機器人及機器人底座、釘槍、加釘站、機器人控制柜、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)及物流線等組成，如圖2所示。

圖2 機器人自動打釘系統平面布置

(1)打釘機器人。選用安川MOTOMAN ES-165系列六軸工業機器人，負載可達165 kg，運動范圍可達2 700 mm，重復定位精度為±0.05 mm。通過對機器人的運動模擬，確定機器人底座高度及放置位置。機器人控制柜型號為DX200。

(2)釘槍。選用自動氣動釘槍。彈夾裝滿釘子，在氣缸的推動下自動送入釘槍的槍口處，接通氣源，高壓空氣推動撞針運動，使釘子快速射向工件；斷開氣源，撞針回位，完成1次打釘[3]。在選擇釘槍時，應考慮其工作壓力、可靠性和安全性。在規定的工作時間內，撞針及釘槍的其他部件不能發生斷裂、變形及過度磨損。為保證釘槍使用的安全性，在釘槍上設置安全保險傳感器，只有安全保險信號接通，釘槍氣閥才能進行打釘。為提高打釘效率，可使用多把釘槍同時工作。該系統采用3把釘槍連接為一個整體，安裝在機器人第六軸上。

(3)加釘站。每把釘槍對應1組加釘部件。加釘站用來儲藏釘子。經自動檢測系統判斷需要加釘時，機器人運動至加釘站位置，釘槍釘槽與加釘站釘槽對準，儲藏艙內的釘子自動落下，并由推桿氣缸推動釘子，送入釘槍。

(4)物流線。在物流線上設置電機，以恒定的速度運動。在每個機器人工作站內均設置緩存工位和打釘工位。經人工裝配及固定的絕緣箱經物流線運動至緩存工位，在打釘工位空閑時，繼續運動至打釘工位，并由夾具固定絕緣箱，等待機器人打釘。若打釘工位其他絕緣箱正在打釘，則該絕緣箱停在緩存位等待。

(5)PLC。PLC是機器人自動打釘系統的控制中心，其主要功能包括：①自動打釘：輸入箱體型號，自動選擇打釘作業程序；②自動加釘：自動判定釘槍內的釘子數量，在數量低于預設值時自動加釘；③漏釘報警：在打釘過程中，若出現卡釘或重釘等異常，則自動發出提示信息與警報，及時停止機器人作業。

2.2 系統軟件設計

PLC系統軟件使用Siemens STEP7 V5.5開發，包括釘槍、加釘站、機器人、伺服、編碼器等控制模塊。

(1)釘槍控制模塊：主要負責釘槍的射釘流程控制。

(2)加釘站控制模塊：主要負責自動化的機器人加釘流程控制。

(3)機器人控制模塊：主要負責機器人的軌跡運動及程序調用等功能。

(4)伺服控制模塊：主要負責釘槍射釘間距的自動調整功能。

(5)編碼器控制模塊：主要負責釘條運動反饋脈沖值的檢測與計算，實現自動加釘及卡釘或重釘等系統故障判斷。

該系統采用模塊化設計理念、便于維護和二次開發；功能模塊算法簡單可靠，人機界面友好，操作直觀簡潔。動作流程為：機器人根據預設軌跡運動至打釘位置，向釘槍發出射釘請求，待釘槍安全保險傳感器信號正常、射釘閥通氣，將釘子射出，延時后釘槍縮回，向機器人發出射釘結束信號；此時，編碼器控制模塊自動運行，更新編碼器數值，與前一次數值進行比較；在出現異常(卡釘或重釘)時，進入射釘異常流程，系統發出報警信號，機器人停止；若數值正常，則機器人按照預設軌跡繼續運動至下一位置，直至打完所有位置，機器人返回作業原點。

3 機器人打釘軌跡規劃

根據標準絕緣箱需要打釘的不同位置，將機器人打釘劃分為不同的作業面，如圖3所示。在每個作業面上，機器人需要預先規劃運動軌跡，依次完成打釘作業。

圖3 機器人打釘作業面劃分

3.1 用戶坐標系及變量定義

在機器人系統中定義用戶坐標系及需要的變量：根據打釘作業面定義對應的用戶坐標系；定義標準絕緣箱每個作業面的坐標原點及坐標系；以釘距的數值作為為機器人用戶坐標系對應的坐標偏移量；定義機器人在每個標準絕緣箱打釘作業面的作業起始點；為補償機器人重復運動偏差、釘槍重復運動偏差、標準絕緣箱裝配偏差等，在機器人控制器中定義釘距坐標補償寄存器，包括面坐標補償寄存器、列坐標補償寄存器和點坐標補償寄存器，補償寄存器的值可由人工輸入，根據實際偏差進行設定。機器人作業面內的坐標點自動調整如圖4所示。

圖4 機器人作業面內的坐標點自動調整示例

3.2 打釘軌跡算法

在作業面坐標系內，打釘作業點坐標算法為

作業面起始點坐標=初始示教點+面坐標偏移寄存器+面坐標補償寄存器

(1)

作業列起始點坐標=作業面起始點坐標+列坐標偏移寄存器+列坐標補償寄存器

(2)

作業點坐標=作業列起始點坐標+點坐標偏移寄存器+點坐標補償寄存器

(3)

多模式調整策略如下：

(1)面調整模式。通過調整面坐標偏移寄存器和面坐標補償寄存器的值，可對當前作業面的所有作業點坐標一次性作出調整，調整值由面坐標偏移寄存器和面坐標補償寄存器決定。

(2)列調整模式。通過調整列坐標偏移寄存器和列坐標補償寄存器的值，可對當前作業列的所有作業點坐標一次性作出調整，調整值由列坐標偏移寄存器和列坐標補償寄存器決定。

(3)點調整模式。通過調整點坐標偏移寄存器和點坐標補償寄存器的值，可對當前作業點的坐標作出調整，調整值由點坐標偏移寄存器和點坐標補償寄存器決定。

3.3 打釘軌跡自動調整過程

機器人打釘軌跡自動調整過程如下：

(1)機器人運動至作業面起始點，設定釘槍垂直于待打釘的標準絕緣箱箱板。

(2)讀取當前機器人軸的脈沖值，利用轉換命令轉換為對應用戶坐標系的x、y和z坐標；機器人讀取釘距坐標偏移寄存器、釘距坐標補償寄存器的數據，并疊加當前的x、y和z坐標，得到新的x、y和z坐標，該坐標為機器人運動至下一個目標點的坐標。

(3)機器人執行運動命令，運動至下一個目標點。

(4)到達指定位置，釘槍打釘。

(5)打釘完成，釘槍發出打釘完成信號。

(6)重復步驟(2)～(5)，直至打完所有位置，機器人返回作業原點。

4 結 語

采用所提出的方法進行運動規劃，可方便、快速地生成機器人打釘作業程序，與傳統的示教方法相比，大幅提高系統的靈活性和現場效率。目前，機器人自動打釘系統已在滬東中華造船(集團)有限公司現場可靠運行，并通過法國GTT公司的認證，所生產的標準絕緣箱質量滿足相關標準的規定，日均生產標準絕緣箱超過200個，有效地提高生產效率。