47卷 第1期(总第172期)中 国 造 船
V o l
.47 N o .1(Serial N o .172)2006年3月
SH IPBU I LD I N G O F CH I NA M ar .2006
文章编号:100024882(2005)0420104207
收稿日期:2004203208；修改稿收稿日期:2005206209
郑绍春, 孙 超, 李慧明, 周永清
(武汉理工大学交通学院，湖北 武汉430063)
摘要
为了解决在造船、造桥、建筑等钢结构制造工业中，实现钢质型材弯曲机、焊接机和切割机自动搬运上
下料这一关键技术问题，本文提出了一种型材自动搬运上下料机器人的设计方案。作者较为详尽地阐述了它的主体结构设计原理，提出了计算机视觉定位及控制方法，并对重型超长钢质型材搬运机器人进行了技术探讨。关 键 词：船舶、
舰船工程；型材上下料；机器人；视觉定位；型材加工自动生产线中图分类号:U 671.99 文献标识码:A
1 概 述
我国船厂的型材加工设备(如焊接机、切割机、弯曲机等)，在加工型材上下料时，一般由操作工人借助车间的龙门吊车来完成。因为吊车与人协同，能利用一定长度的缆绳沿一定轨道在水平和竖直方向抓举、提升和运输型材。由于型材质重、型长，吊运时存在摇摆和旋转，欲控制型材、精确定位、完成上下料操作，通常是一件费时费力的事情；吊车启停与搬运路线人工控制，有时会带有一定的随意性与盲目性，使吊车运行的效率不高，导致电能的浪费，增加了造船成本；同时，工人要抓住重型型材来阻止其振荡、进行定位，这项工作对操作工人来说是危险的。为此，作者试图用机器人替代传统的吊车协同人上下料。借助机器人的超人功能，诸如出的可重复性、定位的精确性和快速的移动性，来提高型材加工的效率，降低船舶建造成本，并将操作工人从危险工作环境中解放出来。基于这一设想，国外有关科研机构业已作了大量研究工作[1,2]。借鉴国外的研究成果，作者尝试着对型材冷弯机自动上下料装置进行了研究，旨在全面实现型材加工自动化及型材加工自动生产线。
2 型材上下料机器人主体结构的设
计原理
根据型材加工设备加工范围和技术特征，型材上下料机器人应满足下述主要技术指标:
①操作型钢范围：球扁钢、扁钢、等边角钢、不等边角钢、T 型钢;
②操作型钢最大长度:12m ;③操作型钢线形：直线、曲线;
④活动工作空间X ×Y ×Z (长×宽×高):60m ×6m ×(0.7～2)m ;
⑤搬运最大尺寸的型钢计算重量：约600kg (以12m 长T 型材为例:⊥10mm ×400mm 20mm ×125mm );
⑥定位精度:±1mm 。
上述技术指标具有如下所述的几个技术特征:
①机器人工作的三维空间大，运动距离长，跨度大;
②搬运物体质重、型长;
③加工型材的机械加工面为一平面，机械手可平面定位，但非直线;
④定位精度要求不高。
综合上述特征，作者在最广泛使用的工业机器人的几种坐标系(直角坐标系、圆柱坐标系、球面坐标系、关节坐标系)中，选用直角坐标系作为构造型材上下料机器人主体结构的理论依据。其优点为:
①结构简单;②编程容易;
采光天窗③若采用直线滚动导轨，速度高、定位精度高;
④在X 、Y 和Z 三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，较容易控制;
⑤活动范围大。直角坐标系机器人至少有三个自由度。为了搬运曲线型材，其机械手的手指定位需增加一个绕Z 轴旋转的自由度，因而设计为四个自由度。
考虑到型材弯曲机、切割机和焊接机自动上
下料机器人(见图1，图2，图3)操作的对象是重
型超长型材，为使型材搬运在立体空间平稳地平移，运行轨迹光顺平滑，使型材在长度方向的各个质
点均受到电磁力的约束，避免产生振荡，故其设计应由下述部分组成:
①双固定导轨1(本例设为X 轴，长为60m ，见图1);
②多门架(本例设为四门架:2A ,2B ,2C ,2D ，见图1)，跨度为6m ，跨度方向设为Y 轴;
③行走传动机构7(由于定位精度要求不高，采用齿轮齿条传动，见图2);
④提升机械手:3A ,3B ,3C ,3D ，见图1(本例提升高度设为6m ，提升方向设为Z 轴);
⑤具有光学视觉定位功能的电脑装置8，见图2
。
图1 型材上下料机器人的俯视图
型材上下料机器人搬运的有效面积接近船体车间行车的工作区域，所以它能很好地利用车间的空间。它可根据操作对象的长短确定采用多至四门架(一主动2A ，三从动2B ,2C ,2D )，少到一门架(一主动2A )。门架与门架由左右侧推拉杠(4A 1,4A 2,4B 1,4B 2)联动，门架与推拉杠连接靠电磁离合器(5A ,5B ,5C )离合，因而它们之间相对间距可调。
挂在每个门架上的提升机械手3可随门架横梁2在直角坐标系里作三维运动，机械手三个手指(12,15,13)中每个手指的末端连接一电磁铁吸
附块(11,10,14)，第一手指12与第三手指13可绕Z 轴旋转，满足型材弯曲机9加工成型后的曲线零件6搬运要求。
具有光学视觉(8)定位功能的电脑装置，可根据型材自动搬运、装配、进料工艺文件转换的输入输出定位指令来进行离线处理。在线根据鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图上型材的源方位坐标和目的方位坐标移动，当被搬运的型材进入机器人视觉范围时，机械手手指具体定位坐标可由视觉感知。
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图2
型材上下料机器人的主视图
图3 型材上下料机器人的侧视图
3 多机械手搬运着力位置与型材挠
度的分析
由于型材实现自动上料到型材弯曲机加工位，有一定的定位精度要求，在搬运过程中其型材挠度≤±0.1mm 。在多机械手的磁吸附力一定、运行速度不高时，型材的挠度主要取决于机械手
着力位置。
根据搬运不同长度型材，可确定采用多至四个少到一个机械手。除进料首端由于冷弯机特殊要求至少留出距机械手着力中心点1.5m 外，其余机械手按等间隔抓举型材。每只机械手有三个手指，每个手指的磁吸附块长0.3m ，两手指间隙0.15m ，总长1.2m (见图4)。
601中 国 造 船研究简报
图4 机械手抓取型材着力位置示意图
作者将被搬运型材留出端部的型材视为承受均布载荷的悬臂梁，而两只机械手之间的型材视为两端固定梁，据此来计算型材的挠度。依据材料力学中梁挠度的计算公式，可求得悬臂梁端点挠度y l 为 y l =
ql 4
8E
I
图5
悬臂梁模型
图6 两端固定梁模型
两端固定梁中点绕度y 为
y =
ql
4
384E I
式中q (x )为集度，即单位长度的自重;E 为型材
材料的弹性模量;I 为搬运时型材剖面的惯性矩;l 为长度(在两式中分别为留出端长度和两手之间的长度)。以规格为H P 200×9的球扁钢为例: q =181.986N m ,E =200GPa,I =941cm 4这样，利用上述公式便可计算出留出端以最大长度l =1.35m 时的静挠度为
y l =ql
4
8E I
=0.04mm
两只机械手之间以最大长度l =3.2-1.2=2m 型材中点静挠度为
y =ql
4
384E I
=0.004mm
而由提升引起的型材振荡，在上述跨度下，只要提升速度不致过快，振荡将小于静挠度，不会影响定位精度。
4 型材上下料机器人计算机的视觉
定位及控制方法
4.1 系统对各坐标系定义与摄影机标定
车间电子地图坐标系O w x y z 与机器人的导轨行走机构的坐标系重合，摄像机成像平面坐标系为O cx y z ，且像平面O cx y 平面与O w x y 物平面平行(见图7)。O w x y z 分为四个象限，型材上料零点设为O w x y z 的原点。被加工的原材料型材放在堆场 、 象限，加工成型后型材，反弯线形型材位于 象限，正弯线形型材位于 象限,S 弯线形型材位于 、 象限之间。被搬运型材腹板弯向边缘曲线上一点在O w x y z 中的坐标P (x w ,y w ,z w )，在像面上的成像点应为P (x c ,y c )。由于镜头存在畸变，实际像点应为P (x d ,y d )。光学中心O 点在计算机图像坐标系帧平面O euv 下的二维位置为O e (0,0)。由光学视觉装置采集，按常规摄像机变换模型标定(确定物空间三维坐标系与三维摄像机坐标系之间的关系，确定物点在摄像机坐标系中的三维坐标与计算机图像二维坐标系之间的关系[4])，进行坐标变换处理后形成计算机图像的二维坐标P (u e ,v e )。下面以机器人将位于下料区域内弯曲成形的型材搬运到下一个工区(或装配托盘中)这个过程为例，来说明搬运机器人依靠计算机视觉测量系统，机械手的电
磁吸附块实现自动定位抓取型材，自动吊运的方法。
4.2 型材腹板弯向边缘曲线数据的提取根据需搬运型材的末端方位，鼠标点击操作台显示器上的车间电子地图，读取型材末端的方位坐标P (x m ,y m )；或将型材上料零点P (0,0)(即O w x y z 的原点)作为下料零点P (0,0)，也可作为型材末端方位坐标P (x m ,y m )的参考坐标。以机器人的从动门架(2D )机械手(3D )为定位对象,
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图7 摄影机标定及坐标变换示意图以P(x m,y m)为目的坐标，插补移动。当被搬运的
型材进入安装在机器人的机械手上的摄像头(3-
7)视觉范围时，机器人对型材进行扫描，完成对
型材腹板弯向边缘曲线数据G(x i,y i)的提取[3],
在计算机图像坐标系下为G(u i,v i)。计算型材两
端点坐标P(u0,v0)和P(u N,v N)之间的直线(后
面称弦线)距离:
L=R=(u N-u0)2+(v N-v0)2(1)
以及其与x轴的夹角:
Η=arctan v N -v0
u N-u0原材料检测
(2)
当确定了各机械手中心电磁铁吸附块的定位坐标X k后，电脑依X k在型材曲线坐标集G(u i, v i)中自动匹配出最接近的坐标点作为各中心电磁铁吸附块所需运动到的最终定位坐标P(u k, v k)。
4.3 所需门架个数和门架间距的确定
4个门架可搬运肋骨最长可达12m。如果在某批加工的是小型船舶的肋骨小于12m，可根据不同弦线长度L的肋骨，再按表1选择门架个数n和门架间距∃L。再将n与∃L代入下式
X k=-[L-(n-1)∃L] 2-(k-1)∃L 2≤n≤4, 1≤k≤4(3)
来确定第k个门架(2A)中心电磁铁吸附块的定
位坐标X k。
当确定了各机械手中心电磁铁吸附块的定位坐标X k后，电脑依X k，在肋骨曲线坐标集G(u i,
v i)中自动匹配出最接近的坐标点作为各中心电
磁铁吸附块所需运动到的最终定位坐标P(u k,
v k)。
表1 搬运不同弦线长度L的型材
的门架个数和间距
肋骨弦线
长度L(m)
门架个数
n
门架间距
∃L(m)
最小甩头
(m)
最大甩头
(m)
3～5
5～6
6～7
7～8
倍速链组装线8～9
9～10
10～11
11～12
2
2
3
3
3
3
4
继电器延时电路
4
1.2
2.4
1.8
2.4
自熟粉丝机3.0
3.6
2.4
3.0
0.3
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.8
0.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
1.3
0.9
4.4 起吊搬运型材到指定目标坐标的方法
根据P(u k,v k)与∃L=r=0.45m(机器人三手指电磁铁吸附块之间的中心间距)，在型材曲线
坐标集G(u i,v i)中自动匹配出最接近的坐标点
801中 国 造 船研究简报
作为每个机械手左右侧电磁铁吸附块的最终定位坐标P (u k -1,v k -1),P (u k ,v k )与P (u k +1,v k +1)，
并计算出其旋转角。
当各个机械手三个手指电磁铁吸附块均调至所需位置P (u k -1,v k -1),P (u k ,v k )与P (u k +1,v k +1)时，机械手Z 方向下降定位由接近传感器接近到型材为止。再启动电磁铁吸附型材，起吊搬运型材至指定的目标坐标P (u m ,v m )。4.5 型材搬运上下料机器人的工作流程
本型材搬运上下料机器人分离线编程工作方式与在线编程工作方式。工作在离线编程工作方式下，它就必须首先知道搬运型材的类型、数量，每根型材的长度、线型、源坐标与目的坐标。这些信息是由程序员事先编制的数控指令提供的。而在线编程工作方式，除搬运型材的数量外，其他信息是依靠视觉测量装置，基于电子车间图现场实时获取的。在线编程完成每一工作步骤，实现机器人智能化。一般操作流程见图8
。
图8 操作流程图
5 结 语
由于型材上下料机器人替代了操作工人，它可搬运大、中、小型船舶的各种型号、不同长度的型材。既能搬运直线型材又能搬运曲线型材。它可实现型材冷弯机、切割机和焊接机工位串联，使型材加工全面实现自动化，形成型材加工自动生产线成为可能。这样，势必提高了型材加工的安全性和生产效率。这一设备为改善传统的型材加工工艺不足之处创造了条件。
内置式永磁同步电机根据该设计方案申请的发明专利已获国家专利局批准。专利号为Z L 03254701.3。
参 考 文 献
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