造船工程焊接机器人自动化控制器的设计及应用

毛新红

（新疆生产建设兵团 兴新职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830074）

造船工程焊接机器人自动化控制器的设计及应用

毛新红

（新疆生产建设兵团 兴新职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830074）

描述移动焊接机器人在控制硬件和软件方面的发展。该机器人可以在双壳船舶结构中移动并执行焊接任务。控制硬件包括一个主控制器和一个焊机控制器。控制软件包括四层，每一层都由模块组成。合适的模块组合能够保证控制软件执行所需任务。控制软件是在QNX操作系统下用C语言编程开发。针对控制软件模块化的体系结构，将其设计为四层：任务管理、任务计划、任务操作和任务执行。移动焊接机器人运用嵌入式控制器和控制软件成功执行所需任务。

造船焊接工艺；移动焊接机器人；控制器

0 前言

近来，造船厂为提高生产力，增加了对自动焊接任务的需求。自20世纪90年代以来，使用多轴机器人的自动焊接任务就已出现在许多应用中。然而，机器人只能在一个固定的位置工作，通常用起重机把机器人从一个工作地点移动到另一个工作地点。在船的双壳结构中开发了一个自动驾驶的移动焊接机器人，不再需要起重机或吊架设备来移动[1]。在此描述了基于横纵方向移动的焊接机器人控制硬件和软件的发展，并在U形焊接区执行了焊接任务，装上了双壳船舶结构的支架，同时发现了焊接路径的起点和终点。

1 双壳船舶结构简介

1.1 船舶双壳船舶结构

油轮、集装箱运货船、液化天然气船、液化石油气船都应装有一个双壳结构来维持稳定，防止由意外碰撞或搁浅引起的环境污染。图1为一个非常大的原油轮的双壳结构。

出于环境安全的考虑，要增加区域的划分，由此产生的封闭区域使得双壳船舶结构制造过程的自动化难以实现。为此，许多研究都致力于实现双壳船舶结构制造过程的自动化。

图1 一个非常大的原油运输船的双壳结构VLCC

1.2 双壳结构焊接目标及可达性

一个双壳结构由顶板和底板、支架及横向网层组成。两个平板覆盖双壳结构的顶部和底部。支架及横向网层将双壳结构划分为若干封闭区域。每个部分都置有几个互相平行的纵向加劲杆，还包含许多小的加强杆。机器人的焊接目标（U型部分）如图2所示。部件的顶部和底部都是焊接处。若部件是开放的，则只需焊接一边，当部件变为封闭式时，再焊接另外一边。为此，需要在封闭部件中操作机器人。

图2 双壳船舶结构中的焊接目标及横向网络层的出入孔

自动驾驶焊接机器人可进行纵、横向移动，并在U型区域执行双壳船舶结构焊接。为了将机器人置于双壳结构中，需要穿过一个800mm（高）×600mm（宽）的出入孔。

2 研究现状

2.1 双壳结构焊接目标及可达性

许多船厂针对单一船体结构使用有固定多轴机器人的自动焊接系统[2]。DANDY的固定六轴机器人用于自动焊接单一船体结构如图3所示。安装在制造厂天花板上的高架门式起重机实现DANDY在各个焊接位置之间的移动。然而，由于起重机不能在这样一个封闭的环境中控制机器人，致使DANDY不能用于双壳结构。

图 3 韩国 Daewoo Shipbuilding和 Marine Engineering使用的固定焊接机器DANDY开孔块

日本造船公司Hitachi-Zosen开发了一个在双壳结构内部涂料的数控绘画机器人[3]。这个机器人由一个自动驾驶车、能扩张的装入机以及用于涂料的六轴操纵器组成。装入机把操纵器移到一个被地板和支架包围的合适位置。装上装入机和操纵器的自动驾驶车利用两套磁履带在两个纵向加劲杆的表面移动，无需轨道，如图4所示。

图4 日本Hitachi-Zosen船厂的数控绘画机器

该机器人有两个局限性。首先，冲积矿的横向范围限制了六轴操纵器的位置；第二，机器人的体积太大，不能穿过800 mm（高）×600 mm（宽）的出入孔，所以每个网络层需要800mm（高）×1600mm（宽）的永久性开放尺寸，这样就改变了原有的结构设计。

Kim等人开发了用于双壳结构焊接RRX3机器人系统[4]。为了实现焊接机器人的移动，专门研发了嵌入式控制器。

2.2 RRX3需要嵌入式控制器的缘由

为了完成焊接任务，焊接机器人需具备纵向和横向移动的能力。DSME开发的固定6轴焊接机器人DANDY，控制器位于距其50 m处。因此，控制器和机器人之间需要一个冗长的电动机电力电缆和电机编码器电缆，且门式起重机必须能够支撑电缆的重量。然而，在双壳结构中，RRX3可以在不使用起重机的情况下拖动电缆。因此，为减少电缆的数量和重量，发明了一种嵌入式控制器。RRX3和DANDY电缆的构成如图5所示。

图5 控制器和焊接机器（DANDY，RRX3）之间的电缆

2.3 控制软件模块化

为了轻松添加传感器等新硬件并有效执行可重复任务，相关学者研究了机器人单元的模块化。为了实现实时性能，研发了一个三层体系结构和基于混合式控制系统体系的软件结构。

控制软件适应混合式控制体系结构。此外，移动焊接机器人连接到包括伺服电机、传感器和焊接机器在内的多个硬件。工业机器人为了防止错误和问题要求准确度高，相应的控制软件必须具备稳健性。为此，本研究开发了一种使用模块化控制体系结构的软件。

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觉系统（近距离传感器、激光传感器和冲击传感器）。焊机控制器连接在焊机上以实现精确控制，如图6所示。

图6 RRX3嵌入式控制器配置结构

3.1.1 主控制器

如果主控制器位于远离机器人的位置，移动焊接机器人需拖动冗长的电机功率电缆和编码器电缆。为了避免这种情况，控制器需安装在RRX3的下方，如图7所示。

图7 RRX3主控制器

主控制器由一个CPU插件、一个运动控制器和12个交流伺服电机驱动组成。CPU是由KONTRON生产的866LCDM/mITX中央处理插件，装有研究开发的机器人控制软件。运动控制器接收来自CPU插件的指令，控制12个交流伺服电机驱动。本研究同时还开发了运动控制器和交流伺服电机驱动。RRX3装有Panasonic生产的发动机。然而，Panasonic的商业交流伺服电机驱动尺寸太大，不能放置在嵌入式主控制器的内部，这意味着必须改善运动控制器和交流伺服电机驱动。驱动是增量型的。用于RRX3的控制器的交流伺服电机驱动和运动控制器如图8所示。

3.1.2 焊机控制器

DANDY作为一个固定轴承的焊接机器人，主控制器和焊接机的位置很接近。因此，控制器操纵模拟电压，即焊机的输入和输出数据是没有限制的。然而，随着主控制器和焊机之间电缆长度的增加，电压下降和噪音出现使得主控制器难以实现准确操纵模拟电压[5]。因此，本研究开发了焊机控制器，如图9所示。

图8 RRX3主控制器的电机驱动和运动控制器

图9 焊机控制器和RRX3主控制器之间的连接

焊机控制器有一个由DSME开发的电弧传感器，可以确保焊枪的运作遵循所需焊接路径。焊接过程中电流强度与焊枪和焊接区域之间的距离成反比。焊机控制器使用电流计算焊枪和焊接区域之间的距离，并以此判定焊接工作是否成功完成。

3.2 RRX3控制软件结构

RRX3执行高准确度的移动任务和焊接任务（误差范围低于0.5 mm）。为了控制焊接机器人，需要定义机器人的行动。一个合适的行动组合可以保证控制软件执行所需的各种任务。

3.2.1 模块化控制软件体系

控制软件包括四层：任务管理、任务计划、任务操作和任务执行。

任务管理——用于管理用户提供的任务列表，并与TP进行通信。

任务计划——接收任务管理器发出的任务，选择任务操作模块要执行的行为。

任务操作——接收来自任务计划的操作命令，使用由任务执行模块提供的环境数据和机器人状态数据生成机器人的运转轨迹。

任务执行——控制主控制器和致动器，控制机器人执行任务，接收来自传感器的环境数据和机器人状态数据。

可以通过任务操作中任务计划选择的操作组合执行任务。此外，为了方便添加新硬件，任务执行单元实现了模块化。组成控制软件的四个层次和模块的原理如图10所示。

图10 RRX3的四层体系及模块

3.2.2 任务计划

任务计划在任务操作模块组合一系列操作行为时，执行任务管理器提供的任务。任务计划模块生成的任务如下。

（1）横向移动和纵向移动（移动任务）。

任务计划模块通过在任务操作模块中激活传感器进行横向运动序列电机控制或纵向运动序列电机控制执行移动任务。移动任务的具体过程如4.1节和4.2节所示。

（2）直缝焊接、摆动焊接及支架焊接（焊接任务）。

任务计划通过组合任务操作模块的“焊炬直线运动”及“启动/停止焊接”指令执行直缝焊接和摆动焊接任务。摆动焊接任务的具体过程见4.3节。

（3）激光传感和触摸感应（传感任务）。

任务计划通过组合任务操作模块的“激活传感器”及“焊炬直线运动”指令执行传感任务。

3.2.3 任务操作模块

任务操作执行任务计划模块所需的指令，并生成焊炬轨迹。与此同时，这一层与激光传感器、近距离传感器及震动传感器进行通信，接收环境数据，如纵向加劲杆、焊接机器人与U形焊接区域的距离。当焊接机器人执行焊接任务时，任务操作模块执行其他指令而启动或停止焊接操作。

在任务操作中有两种类型的模块，即操作模块和运动生成模块。

3.2.3.1 操作模块

任务计划模块在操作模块中选择合适的指令。操作模块把该指令转移至任务执行中的其他模块，这些模块符合任务计划所选指令的需求[6]。每个指令的功能如下：

（1）焊炬直线运动。

操作模块将移动命令发送到运动生成模块，反过来，运动生成模块生成焊炬的轨迹，并将每个运动的角数据发送到任务执行中的伺服电机模块。焊炬直线运动对于执行相关焊炬运动的任务（摆动焊接、支架焊接、触摸感应）是必需的。

（2）连续电机横向运动控制和连续电机纵向运动控制。

操作模块使用来自感应模块的环境数据控制伺服模块。为执行与焊接机器人运动有关的任务（横向运动、纵向运动、支架焊接），必须进行连续的电机横向和纵向运动控制。

（3）启动/停止焊接。

操作模块将焊接电压和电流数据转移发送至焊机模块。

（4）激活传感器。

操作模块将传感命令转移发送至任务执行中的传感器模块。操作模块使用来自传感器模块的数据，生成焊接机器人的下一步运动。激活传感器对于执行移动、焊接和传感任务是必需的。

3.2.3.2 运动生成模块

当任务需要焊炬移动时，操作模块将移动指令发送至运动生成模块。运动生成模块使用正向运动学和逆向运动学生成焊炬轨迹，并将每个电机的角度数据发送至任务执行中的伺服模块。

3.2.4 任务执行模块

任务执行模块使硬件连接到RRX3的接口。任务执行控制交流伺服电机穿过USB，与运动控制器进行通信。任务执行模块与激光传感器、近距离传感器、震动传感器进行实时通信，并通过RS485通信将焊接数据(电压和电流）发送至焊机控制器。任务执行模块包括伺服模块、传感器模块、焊机模块以及开/关模块。

3.2.4.1 伺服模块

伺服模块将运动生成模块计算出的每次运动角度的数据发送至控制交流伺服电机驱动的运动控制器。伺服模块和运动控制器之间的通信通过USB接口实现。

3.2.4.2 传感器模块

传感器模块通过RS232或数字化输入/输出，将来自激光传感器、近距离传感器和震动传感器的环境数据发送至任务管理器或任务操作模块。

3.2.4.3 焊机模块

焊机模块将任务操作模块提供的焊接数据(电压和电流）发送至焊机控制器，并通过RS485接收焊机控制器发出的电弧传感结果。

3.2.4.4 开/关模块

开/关模块执行的是非周期函数，如激光传感器的伺服开/关和保护帽开/关。因此，开/关模块只是等待任务操作模块发出的信号。开/关模块只执行与任务操作模块发出信号一致的任务，并且在执行完所需功能后，返回到最初的等待状态。开/关模块对于激光传感任务是必需的，因为其控制激光传感器保护帽的打开和关闭。

4 实施及试验结果

为了实现移动焊接机器人的稳健控制，控制软件中的模块要在给定的时期内进行精确运转。因此,基于QNX系统可靠的实时性能，将其选为固定的操作系统。控制软件是用C语言开发的。为了验证硬件的配置及模块化控制体系的操作，要执行横向/纵向的运动和焊接测试。测试结果如图11所示。

4.1 通过综合模块执行横向移动任务的实例

如图12所示，横向运动的顺序如下：

图11 RX3测试结果（移动和焊接）

（1）操作模块将“横向移动”指令发送至伺服模块。

（2）伺服模块将“升起机器”的指令发送至运动控制器。

（3）机器升起后，伺服模块将“移动子体至右边”的指令发送至运动控制器。

（4）传感器模块接收检测到的“纵向加劲杆”，并将其发送至操作模块。

（5）操作模块将“停止”指令发送至伺服模块。伺服模块停止电机运作。图11b为将机器子体移动至下一个纵向的结果。

（6）操作模块按顺序运行电机，直到RRX3完成横向运动。传感器模块检测到纵向加劲杆，并将结果发送至操作模块，操作模块再将“停止”指令发送至伺服模块。

4.2 通过综合模块执行纵向移动任务的实例

（1）操作模块将“横向移动”指令发送至伺服模块。

（2）伺服模块将“向前移动”的指令发送至运动控制器。

（3）当RRX3纵向移动时，传感器模块接收激光传感器发出的“检测到U形区域”的信息，并将其发送至操作模块。

图12 横向移动模块之间的数据传送序列

（4）操作模块将“停止”指令发送至伺服模块，完成纵向运动。

4.3 通过综合模块执行摆动焊接任务的实例

U形焊接区域的焊接结果如图11所示。摆动焊指的是焊炬锯齿形运动而形成的垂直焊接，如图13所示。摆动焊顺序如下：

（1）运动生成模块将“焊炬从A点到B点”的指令发送至伺服模块。

（2）伺服模块将“启动电机”的指令发送至运动控制器。然后，当焊炬从A点到B点时，焊机模块将“开始聚集焊接电流”的指令发送至焊机控制器。

（3）伺服模块在焊炬到达B点后等待0.3 s。同时，焊机控制器检查焊炬是否使用当前编译的数据成功遵循了所需路径。

（4）运动生成模块基于电弧传感的结果，计算焊炬从B点到C点的路径。

（5）在0.3 s的等待时间内，运动生成模块将计算出的C点位置发送至伺服模块。

（6）0.3 s等待时间过后，执行第二步。

摆动焊接任务中模块的通信序列如图14所示。结果显示，RRX3能够探测到纵向加劲杆并在横向方向移动。此外，当感应到焊接点后，机器人遵循焊接路径，执行焊接任务。

移动焊接机器人焊接试验结果如图15所示。为改善焊接质量，中途需数次调整焊机的输入电压和电流。

测试结果证明，硬件配置准确，且模块化的控制软件体系发挥了预期作用。

图13 摆动焊接顺序

图14 摆动焊模块之间的数据传送序列

图15 移动焊接机器人焊接测试结果（电压26V，电流250A）

4.4 现场试验结果

为评估所开发嵌入式控制器的稳健性，在船厂进行了为期一个月的焊接试验。图16显示的是正在执行移动任务（见图16a）和焊接任务（见图16b）的RRX3。

图16 移动焊接机器人现场试验

各种类型的焊接目标（U形部件）如图17所示。RRX3移动至焊接目标，探测焊缝，成功执行数百次焊接任务。

图17 RRX3成功焊接的不同类型的焊接目标

现场试验表明，与现有系统DANDY相比，RRX3的焊接质量与其相同，但准备焊接工作的总感应时间却减少约25%。DANDY不能在U形部件区域执行支架焊接，而RRX3可以完成该操作。更为方便的是RRX3的自动功能使工人不需要移动焊接设备。通过现场试验，可以确定开发的RRX3嵌入式控制器经过精心设计，并获得完美实施。

5 结论

嵌入式控制器和控制软件应用于自主移动焊接机器人，使其成功执行移动、焊接和感知的任务。为开发嵌入式主控制器，在一个有限的空间内安装了12个交流伺服电机驱动和1个CPU插件。此处将控制软件设置为四层以实现其结构的模块化，分别为任务管理、任务计划、任务操作和任务实施。为评估此嵌入控制器和控制软件，进行了实地测试。测试证明，所开发的RRX3嵌入式控制器经过了精心设计，并获得成功。与现有系统DANDY相比，RRX3可以移动焊接设备，减少约25%的准备焊接工作所需的感应时间，降低了工作强度。期望该移动焊接机器人可应用于船厂双壳结构的焊接任务。

[1]李婧.大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用[D].上海：上海交通大学，2011.

[2] 桂赤斌.高效率焊接条件下船体焊接接头的韧化[J].电焊机，2008，38（12）：1-5.

[3] 林春香.浅谈船体焊接工艺方法的改进[J].科技资讯，2013（06）：99.

[4]Kim JW，LeeKY，KimTW，etal.Railrunning mobile welding robot‘RRX2’for the double hull ship structure（I）[C]. Korea：Proceedings of the 17th IFAC world congress;2008.

[5]毛春利，周国荣.基于USB的通用机器人控制器[J].自动化技术与应用，2005，24（1）：43-46.

[6]谢之柱，张铁，李琳，等.移动机器人控制器的模块化设计[J].机电工程技术，2006，35（9）：83-86.

Design and application of welding mobile robot controller in shipbuilding engineering

MAO Xinhong
（NewCareer Technical College，XinjiangProduction and Construction Corps，Urumqi 830074，China）

This paper describes the development of mobile welding robot control in the aspects of hardware and software.The robot can move in the double hull ship structure and perform welding tasks.The control hardware consists of a main controller and a welding machine controller.The control software includes four layers.Each layer is composed of modules.The appropriate module combination can ensure control software to perform the required task.The control software is under the QNX operating system programming language developed by C.Aiming at the control system architecture of modular software design,the four layer:task management,task planning,task operation and task execution.Welding mobile robot using embedded controller and control software can perform required tasks successfully.

shipbuilding welding process；welding mobile robot；controller

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0082-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.18

2014-10-19；

：2015-01-08

毛新红（1977—），女，江苏泰州人，工程硕士，讲师，主要从事电气自动化的教研工作。