LNG船标准绝缘箱打钉机器人轨迹规划

祁伟民， 李 芳， 屈继强， 金 鑫， 华学明

(1.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129；2.上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海 200240；3.中国船舶电站设备有限公司，上海 200129)

0 引 言

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)运输船液货围护系统在-163 ℃环境中使用，为保证在如此低的温度下安全运输LNG，必须维持舱体的超低温环境。超低温绝缘箱是液货围护系统的关键部件，一方面有效隔热，另一方面是LNG的承重载体，承受LNG的重量和冲击。绝缘箱的使用数量巨大，如17.4万m3的LNG船需要的绝缘箱超过60 000个[1]，且尺寸质量和位置精度均具有较高要求。标准绝缘箱外形为长方体，形状规则，占绝缘箱总量的65%以上。针对标准绝缘箱的自动化制造设计机器人自动打钉生产系统，为实现标准绝缘箱的高效率、高质量制造进行探索和实践。

1 标准绝缘箱

1.1 箱体结构

No.96型绝缘箱的材料为胶合板，由外框板、内部隔板及顶板、底板经卡钉固定连接组成，内部填充绝缘材料，如珍珠岩或玻璃棉等，从而达到热绝缘的目的。以典型的1S型标准绝缘箱为例，其箱体结构、部件板打钉位置和顶板打钉位置如图1所示。

图1 1S型标准绝缘箱箱体结构及打钉位置

1.2 制造流程

制造绝缘箱所用的胶合板经过预切板、钻孔、开槽、安装楔块等工序[2]，加工为内隔板或外板。标准绝缘箱制造分为箱体组装和箱体填充：箱体组装包括部件板组装与固定→部件板打钉→顶板组装与固定→顶板打钉→箱体翻转等工序；箱体填充包括箱体整平、绝缘材料填充、底板组装与固定、底板打钉等工序。

2 机器人自动打钉系统

2.1 系统组成

针对箱体组装涉及的打钉工序，设计基于安川MOTOMAN工业机器人的自动打钉系统。系统由打钉机器人及机器人底座、钉枪、加钉站、机器人控制柜、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)及物流线等组成，如图2所示。

图2 机器人自动打钉系统平面布置

(1)打钉机器人。选用安川MOTOMAN ES-165系列六轴工业机器人，负载可达165 kg，运动范围可达2 700 mm，重复定位精度为±0.05 mm。通过对机器人的运动模拟，确定机器人底座高度及放置位置。机器人控制柜型号为DX200。

(2)钉枪。选用自动气动钉枪。弹夹装满钉子，在气缸的推动下自动送入钉枪的枪口处，接通气源，高压空气推动撞针运动，使钉子快速射向工件；断开气源，撞针回位，完成1次打钉[3]。在选择钉枪时，应考虑其工作压力、可靠性和安全性。在规定的工作时间内，撞针及钉枪的其他部件不能发生断裂、变形及过度磨损。为保证钉枪使用的安全性，在钉枪上设置安全保险传感器，只有安全保险信号接通，钉枪气阀才能进行打钉。为提高打钉效率，可使用多把钉枪同时工作。该系统采用3把钉枪连接为一个整体，安装在机器人第六轴上。

(3)加钉站。每把钉枪对应1组加钉部件。加钉站用来储藏钉子。经自动检测系统判断需要加钉时，机器人运动至加钉站位置，钉枪钉槽与加钉站钉槽对准，储藏舱内的钉子自动落下，并由推杆气缸推动钉子，送入钉枪。

(4)物流线。在物流线上设置电机，以恒定的速度运动。在每个机器人工作站内均设置缓存工位和打钉工位。经人工装配及固定的绝缘箱经物流线运动至缓存工位，在打钉工位空闲时，继续运动至打钉工位，并由夹具固定绝缘箱，等待机器人打钉。若打钉工位其他绝缘箱正在打钉，则该绝缘箱停在缓存位等待。

(5)PLC。PLC是机器人自动打钉系统的控制中心，其主要功能包括：①自动打钉：输入箱体型号，自动选择打钉作业程序；②自动加钉：自动判定钉枪内的钉子数量，在数量低于预设值时自动加钉；③漏钉报警：在打钉过程中，若出现卡钉或重钉等异常，则自动发出提示信息与警报，及时停止机器人作业。

2.2 系统软件设计

PLC系统软件使用Siemens STEP7 V5.5开发，包括钉枪、加钉站、机器人、伺服、编码器等控制模块。

(1)钉枪控制模块：主要负责钉枪的射钉流程控制。

(2)加钉站控制模块：主要负责自动化的机器人加钉流程控制。

(3)机器人控制模块：主要负责机器人的轨迹运动及程序调用等功能。

(4)伺服控制模块：主要负责钉枪射钉间距的自动调整功能。

(5)编码器控制模块：主要负责钉条运动反馈脉冲值的检测与计算，实现自动加钉及卡钉或重钉等系统故障判断。

该系统采用模块化设计理念、便于维护和二次开发；功能模块算法简单可靠，人机界面友好，操作直观简洁。动作流程为：机器人根据预设轨迹运动至打钉位置，向钉枪发出射钉请求，待钉枪安全保险传感器信号正常、射钉阀通气，将钉子射出，延时后钉枪缩回，向机器人发出射钉结束信号；此时，编码器控制模块自动运行，更新编码器数值，与前一次数值进行比较；在出现异常(卡钉或重钉)时，进入射钉异常流程，系统发出报警信号，机器人停止；若数值正常，则机器人按照预设轨迹继续运动至下一位置，直至打完所有位置，机器人返回作业原点。

3 机器人打钉轨迹规划

根据标准绝缘箱需要打钉的不同位置，将机器人打钉划分为不同的作业面，如图3所示。在每个作业面上，机器人需要预先规划运动轨迹，依次完成打钉作业。

图3 机器人打钉作业面划分

3.1 用户坐标系及变量定义

在机器人系统中定义用户坐标系及需要的变量：根据打钉作业面定义对应的用户坐标系；定义标准绝缘箱每个作业面的坐标原点及坐标系；以钉距的数值作为为机器人用户坐标系对应的坐标偏移量；定义机器人在每个标准绝缘箱打钉作业面的作业起始点；为补偿机器人重复运动偏差、钉枪重复运动偏差、标准绝缘箱装配偏差等，在机器人控制器中定义钉距坐标补偿寄存器，包括面坐标补偿寄存器、列坐标补偿寄存器和点坐标补偿寄存器，补偿寄存器的值可由人工输入，根据实际偏差进行设定。机器人作业面内的坐标点自动调整如图4所示。

图4 机器人作业面内的坐标点自动调整示例

3.2 打钉轨迹算法

在作业面坐标系内，打钉作业点坐标算法为

作业面起始点坐标=初始示教点+面坐标偏移寄存器+面坐标补偿寄存器

(1)

作业列起始点坐标=作业面起始点坐标+列坐标偏移寄存器+列坐标补偿寄存器

(2)

作业点坐标=作业列起始点坐标+点坐标偏移寄存器+点坐标补偿寄存器

(3)

多模式调整策略如下：

(1)面调整模式。通过调整面坐标偏移寄存器和面坐标补偿寄存器的值，可对当前作业面的所有作业点坐标一次性作出调整，调整值由面坐标偏移寄存器和面坐标补偿寄存器决定。

(2)列调整模式。通过调整列坐标偏移寄存器和列坐标补偿寄存器的值，可对当前作业列的所有作业点坐标一次性作出调整，调整值由列坐标偏移寄存器和列坐标补偿寄存器决定。

(3)点调整模式。通过调整点坐标偏移寄存器和点坐标补偿寄存器的值，可对当前作业点的坐标作出调整，调整值由点坐标偏移寄存器和点坐标补偿寄存器决定。

3.3 打钉轨迹自动调整过程

机器人打钉轨迹自动调整过程如下：

(1)机器人运动至作业面起始点，设定钉枪垂直于待打钉的标准绝缘箱箱板。

(2)读取当前机器人轴的脉冲值，利用转换命令转换为对应用户坐标系的x、y和z坐标；机器人读取钉距坐标偏移寄存器、钉距坐标补偿寄存器的数据，并叠加当前的x、y和z坐标，得到新的x、y和z坐标，该坐标为机器人运动至下一个目标点的坐标。

(3)机器人执行运动命令，运动至下一个目标点。

(4)到达指定位置，钉枪打钉。

(5)打钉完成，钉枪发出打钉完成信号。

(6)重复步骤(2)～(5)，直至打完所有位置，机器人返回作业原点。

4 结 语

采用所提出的方法进行运动规划，可方便、快速地生成机器人打钉作业程序，与传统的示教方法相比，大幅提高系统的灵活性和现场效率。目前，机器人自动打钉系统已在沪东中华造船(集团)有限公司现场可靠运行，并通过法国GTT公司的认证，所生产的标准绝缘箱质量满足相关标准的规定，日均生产标准绝缘箱超过200个，有效地提高生产效率。