一种水火弯板智能机器人快速示教系统及方法与流程
本发明涉及造船业水火板加工领域，尤其涉及一种水火弯板智能机器人快速示教系统及方法。
背景技术：
水火弯板(线状加热成型(line heating或line heat forming))，是一种利用金属板局部受高温冷却后产生的局部热弹塑性变形而达到整体弯曲的一种成型工艺。广泛应用于船体外板加工成型。
水火板加工工艺长期靠工人凭经验的手工操作，存在对经验依赖性强、加工效率低，加工质量难于保证等问题。
现在船舶市场竞争日趋激烈，各国都开始数控水火弯板自动化装备的研发，很多大型的船厂都在开发具有专家系统功能的水火弯板自动化装备。该专家系统能够根据代加工板和目标板数据，自动生成加工火路数据，但现有的水火弯板专家系统还不完善，会出现计算出的数据不正确或不合理的现象，如加工火路超出板外，加工火路多余或不够，加工火路顺序不合理等情况，而且专家系统开发成本比较高。
现有的水火弯板智能机器人中，还未出现示教功能。如果将传统的示教方法应用在水火弯板机器人上，一块普通钢板的示教时间大概2个钟左右，耗时大。水火弯板机器人需要对不同的曲率的钢板进行加工，加工的轨迹是一条不规则的曲线，如果按照一般机器人的示教方法，一条火路需要示教8-10个点，而且每一次示教都需要调整好姿态。一块钢板有20条火路，总耗时2个多小时，影响实际工作效率。而且在加工过程中钢板会发生形变，形变之后会导致一开始示教的运动轨迹出现偏差。
现有的船体外板加工方式有两种：一种是完全靠工人凭经验的手工操作，存在对经验依赖性强、加工效率低，加工质量难于保证等问题。另外一种是开发具有专家系统的水火弯板智能机器人实现自动加工，但是现有的水火弯板专家系统还不完善，会出现计算出的数据不正确或不合理的现象，如加工火路超出板外，加工火路多余或不够，加工火路顺序不合理等情况，而且专家系统开发成本比较高。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种水火弯板智能机器人快速示教系统，包括：机架组件，设置在机架组件上的机头组件以及控制装置；
机头组件设有火枪头和激光测量装置；
控制装置包括：多轴运动执行单元，上位机；
所述上位机分别与所述多轴运动执行单元和激光测量装置连接，上位机用于通过人机交互方式，获取用户输入的示教数据信息及火枪头和加工钢板之间的预设距离范围，并将示教数据信息传输至多轴运动执行单元；
所述多轴运动执行单元分别与机架组件和机头组件电连接，用于根据获取的示教数据信息，控制机架组件和机头组件联动运行，通过控制机架组件的空间位置及机头组件的火枪头姿态，实现对钢板的线状加热成型；
所述激光测量装置用于获取火枪头与钢板之间的预设距离数据信息，并实时测量火枪头和加工钢板之间的距离，将测量的火枪头和加工钢板之间的距离传输至控制装置，使控制装置通过多轴运动执行单元控制机架组件和机头组件联动运行，将火枪头和加工钢板之间的距离保持在预设距离范围内。
优选地，机架组件包括：两架并列设置的门字梁，横跨在两架门字梁之间，并分别与两架门字梁连接的水平横向梁，水平横向梁上设有竖直纵向梁，机头组件设置在竖直纵向梁的端部；
两架门字梁上分别设有X轴导引机构，水平横向梁分别搭设在X轴导引机构上，使水平横向梁沿着两架门字梁的X轴导引移动；水平横向梁设有Y轴导引机构，竖直纵向梁设有Z轴导引机构，水平横向梁与竖直纵向梁之间设有搭接部，搭接部分别设置Y轴导引机构和Z轴导引机构上，搭接部使竖直纵向梁带动机头组件沿着Y轴导引机构做水平移动，使竖直纵向梁带动机头组件沿着Z轴导引机构做升降移动。
优选地，机头组件包括：RX轴导引机构和RZ轴导引机构；
RX轴导引机构和RZ轴导引机构分别与火枪头连接，RX轴导引机构用于导引火枪头沿着竖直方向转动调整火枪头姿态，RZ轴导引机构用于导引火枪头沿着水平方向转动调整火枪头姿态。
优选地，所述上位机包括：数据处理模块；
所述数据处理模块用于根据用户输入的示教数据信息及火枪头和加工钢板之间的预设距离范围，计算火路数据；其中火路数据包括：加工火路的条数，每一条加工火路的点数，火枪头运动到加工点的速度值，每一个加工点的位置信息；每一个加工点的位置信息包含有X轴、Y轴、Z轴空间坐标数据信息，火枪头的姿态数据信息；将上述信息传输至多轴运动执行单元。
优选地，所述激光测量装置使火枪头和加工钢板之间的距离保持在35±3mm。
一种水火弯板智能机器人快速示教方法，方法包括：
S1:火路标记：将待加工的钢板放在加工平台上，并在待加工的钢板上标记加工火路；
S2:第一条火路起点至终点示教：用户通过上位机的人机交互方式，输入示教数据信息及火枪头和加工钢板之间的预设距离范围，并将示教数据信息传输至多轴运动执行单元，调整火枪头的姿态，使火枪头的姿态平行于第一条火路起点所在切平面的法向量，调整好姿态后，保存此时机架组件的起点坐标(X0,Y0,Z0)，保存机头组件的RX0轴状态信息，RZ0轴状态信息；完成起点示教之后再进行第一条火路的终点示教，将火枪头开到待加工钢板的第一条火路终点上方，调整好火枪头的姿态，使火枪头的方向与第一条火路终点所在平面的法向量平行保存此时机架组件的终点坐标(X’,Y’,Z’)，保存机头组件的RX’轴状态信息，RZ’轴状态信息；
S3:生成第一条火路运动执行文件：根据第一条火路起点至终点的示教，自动计算第一条火路数据；其中第一条火路数据包括：加工火路的条数，每一条加工火路的点数，每一个加工点的位置信息，火枪头运动到加工点的速度值；
S4:重复上述步骤生成所有火路的运动数据；
S5:对钢板进行加工，加工状态下激光测量装置实时调整火枪头与钢板距离，火枪头与钢板距离偏差为Δh，上位机根据测量出来的火枪头与钢板的距离偏差量，通过
Δz＝Δh×cos(RX)
Δx＝Δh×sin(RX)×sin(RZ)
Δy＝Δh×sin(RX)×cos(RZ)
分别转化成机架组件的X轴，Y轴，Z轴的运动偏移量Δx，Δy，Δz；
再通过多轴运动执行单元控制机架组件对三个轴偏移进行调整，调整后，火枪头与钢板的距离保持在预设距离范围，当加工过程中火枪头与钢板距离再次超过预设距离范围，重复上述调节过程根据偏差算出运动偏移量Δx，Δy，Δz，进行偏移调整。
优选地，步骤S3方法还包括：
S3.1生成第一条火路上每一个加工点的坐标数据，根据得到的起点坐标(X0,Y0,Z0)和终点坐标(X’,Y’,Z’)，进行一个线性插补，经过插补第一条火路共有N点；其中第n(1<n<N)个加工点的坐标信息为(Xn,Yn,Zn)；
S3.2对线性插补的数据进行修正：第一次插补完成之后还要对每一个加工点的Z坐标进行一次修正：
再将这N个点的Z坐标进行修正，加上修补值(α*β‘*Δz)，其中α为板型系数，
β为修正系数：
β‘＝1-((n-10.5)/10)
Δz为修正经验值，一般加工钢板的修正经验值为10，所以修正后的第n个加工点的坐标信息为(Xn，Yn，Z‘n)；
S3.3计算火枪头加工姿态：根据S3.2修正后的加工点，实时计算加工状态下，每两个修正后插补点之间连线的火枪头姿态，使火枪头保持与加工点所在切平面的法向量近似平行，并通过调节火枪头的RX轴位置和RZ轴位置，调整火枪头的姿态。
优选地，步骤S3.3方法还包括：
S3.3.1计算第一条火路所有修正后的插补点所在平面的法向量；
A(X0,Y0,Z0),B(Xn，Yn，Z‘n),C(X’,Y’,Z’)三点在同一个平面上，也就是火路所在的平面，该平面的法向量为
S3.3.2计算加工状态下火枪头的姿态；加工状态下，火枪头与向量垂直，而且与任意两个修正插补点连线垂直，设加工状态下火枪头的姿态(方向)为即有：
S3.3.3计算RXn,RZn的值；
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种水火弯板智能机器人快速示教系统及方法，本系统及方法能够将烧板工人的经验最快最直接有效得教给机器人，让水火弯板智能机器人的每次烧板效果达到熟练工人的水平，使水火弯板机器人能够稳定，高效得投入生产。该方法简单易用，开发成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为水火弯板智能机器人快速示教系统的整体示意图；
图2为机架组件结构图；
图3为机架组件的俯视图；
图4为图2的A部放大图；
图5为火枪头与钢板的配合图；
图6为设有标记火路的钢板示意图；
图7为第一条火路起点至终点示教示意图；
图8为线性插补的数据进行修正示意图；
图9为计算火枪头加工姿态示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
本实施例提供一种水火弯板智能机器人快速示教系统，如图1、图2、图3、图4、图5所示，包括：机架组件1，设置在机架组件1上的机头组件2以及控制装置3；
机头组件2设有火枪头16和激光测量装置17；
控制装置3包括：多轴运动执行单元6，上位机7；
所述上位机7分别与所述多轴运动执行单元6和激光测量装置17连接，上位机7用于通过人机交互方式，获取用户输入的示教数据信息及火枪头16和加工钢板之间的预设距离范围，并将示教数据信息传输至多轴运动执行单元6；
上位机7实现人机的交互，通过该上位机，工人实现对水火弯板机器人的示教。工人通过与上位机进行交互，上位机再与多轴运动控制进行通讯，实现对水火弯板机器人的控制，可以将水火弯板智能机器人开到加工平台的任意一个地方(X,Y,Z)，也可以改变弯板机器人的火枪头的姿态(RX,RZ)。
所述多轴运动执行单元6分别与机架组件1和机头组件2电连接，用于根据获取的示教数据信息，控制机架组件1和机头组件2联动运行，通过控制机架组件1的空间位置及机头组件2的火枪头姿态，实现对钢板的线状加热成型；
多轴运动执行单元6实现对水火弯板智能机器人各个轴的联动控制。多轴运动控制模块分为两部分，一部分是X,Y,Z轴三轴联动控制实现机器人火枪头空间定位；另外一部分是RX,RZ轴联动实现机器人火枪头姿态控制。
所述激光测量装置17用于获取火枪头16与钢板之间的预设距离数据信息，并实时测量火枪头16和加工钢板之间的距离，将测量的火枪头16和加工钢板之间的距离传输至控制装置3，使控制装置3通过多轴运动执行单元控制机架组件1和机头组件2联动运行，将火枪头16和加工钢板之间的距离保持在预设距离范围内。
激光测量装置17测量火枪头和加工钢板之间的距离。由于烧板成型的关键影响因素是温度，火枪头与钢板的距离会直接影响到钢板的加工温度，所以水火弯板机器人在对钢板进行加工的时候，优选地，保持火枪头与钢板之间的距离处于35±3mm之间，使钢板达到理想的加工温度。
本实施例中，机架组件1包括：两架并列设置的门字梁11，横跨在两架门字梁11之间，并分别与两架门字梁11连接的水平横向梁12，水平横向梁12上设有竖直纵向梁13，机头组件2设置在竖直纵向梁13的端部；
两架门字梁11上分别设有X轴导引机构，水平横向梁12分别搭设在X轴导引机构上，使水平横向梁12沿着两架门字梁的X轴导引移动；水平横向梁设有Y轴导引机构，竖直纵向梁设有Z轴导引机构，水平横向梁12与竖直纵向梁13之间设有搭接部，搭接部分别设置Y轴导引机构和Z轴导引机构上，搭接部使竖直纵向梁13带动机头组件沿着Y轴导引机构做水平移动，使竖直纵向梁13带动机头组件沿着Z轴导引机构做升降移动。X轴导引机构、Y轴导引机构和Z轴导引机构分别采用伺服电机驱动，X轴导引机构、Y轴导引机构和Z轴导引机构分别采用链条传动，或采用丝杠传动，或采用齿轮传动。
机头组件2包括：RX轴导引机构14和RZ轴导引机构15；RX轴导引机构14和RZ轴导引机构15分别与火枪头61连接，RX轴导引机构14用于导引火枪头16沿着竖直方向转动调整火枪头16姿态，RZ轴导引机构15用于导引火枪头16沿着水平方向转动调整火枪头16姿态。
这里的，RX轴导引机构14用于导引火枪头16沿着竖直方向转动调整火枪头16姿态，RZ轴导引机构15用于导引火枪头16沿着水平方向转动调整火枪头16姿态是基于水火弯板智能机器人快速示教系统在基准状态下，以水平横向梁12为水平面，竖直纵向梁13为竖直面，RX轴导引机构14可使火枪头16相对于竖直纵向梁13为竖直面的做竖直方向的转动。RZ轴导引机构15可使火枪头16相对于水平横向梁12为水平面做水平方向转动。
所述上位机7包括：数据处理模块8；所述数据处理模块8用于根据用户输入的示教数据信息及火枪头和加工钢板之间的预设距离范围，计算火路数据；其中火路数据包括：加工火路的条数，每一条加工火路的点数，火枪头运动到加工点的速度值，每一个加工点的位置信息；每一个加工点的位置信息包含有X轴、Y轴、Z轴空间坐标数据信息，火枪头的姿态数据信息，即为RX轴和RZ轴方向上的数据信息。将上述信息传输至多轴运动执行单元6。
数据处理模块8的主要功能是：根据工人的示教点，自动计算火路数据。其中火路数据包括：加工火路的条数，每一条加工火路的点数，每一个加工点的位置信息。每一个加工点包含有6个维度的信息，分别是：水火弯板机器人火枪头的空间坐标(X,Y,Z)；水火弯板机器人火枪头的姿态(RX,RZ)；枪头运动到加工点的速度值V。
本发明还提供一种水火弯板智能机器人快速示教方法，其特征在于，方法包括：
S1:火路标记，如图6所示，将待加工的钢板放在加工平台上，并在待加工的钢板上标记加工火路；
S2:第一条火路起点至终点示教：如图7所示，用户通过上位机的人机交互方式，输入示教数据信息及火枪头和加工钢板之间的预设距离范围，并将示教数据信息传输至多轴运动执行单元，调整火枪头的姿态，使火枪头的姿态平行于第一条火路起点所在切平面的法向量，调整好姿态后，保存此时机架组件的起点坐标(X0,Y0,Z0)，保存机头组件的RX0轴状态信息，RZ0轴状态信息；完成起点示教之后再进行第一条火路的终点示教，将火枪头开到待加工钢板的第一条火路终点上方，调整好火枪头的姿态，使火枪头的方向与第一条火路终点所在平面的法向量平行保存此时机架组件的终点坐标(X’,Y’,Z’)，保存机头组件的RX’轴状态信息，RZ’轴状态信息；
S3:生成第一条火路运动执行文件：根据第一条火路起点至终点的示教，自动计算第一条火路数据；其中第一条火路数据包括：加工火路的条数，每一条加工火路的点数，每一个加工点的位置信息，火枪头运动到加工点的速度值；
S4:重复上述步骤生成所有火路的运动数据；
S5:对钢板进行加工，加工状态下激光测量装置实时调整火枪头与钢板距离，如图9所示，火枪头与钢板距离偏差为Δh，上位机根据测量出来的火枪头与钢板的距离偏差量，通过
Δz＝Δh×cos(RX)
Δx＝Δh×sin(RX)×sin(RZ)
Δy＝Δh×sin(RX)×cos(RZ)
分别转化成机架组件的X轴，Y轴，Z轴的运动偏移量Δx，Δy，Δz；
再通过多轴运动执行单元控制机架组件对三个轴偏移进行调整，调整后，火枪头与钢板的距离保持在预设距离范围，当加工过程中火枪头与钢板距离再次超过预设距离范围，重复上述调节过程根据偏差算出运动偏移量Δx，Δy，Δz，进行偏移调整。
在方法的步骤S3中，还包括：
S3.1生成第一条火路上每一个加工点的坐标数据，根据得到的起点坐标(X0,Y0,Z0)和终点坐标(X’,Y’,Z’)，进行一个线性插补，经过插补第一条火路共有N点；其中第n(1<n<N)个加工点的坐标信息为(Xn,Yn,Zn)；
N点可以根据钢板的尺寸以及具体的工艺要求设置。
S3.2对线性插补的数据进行修正：如图8所示，第一次插补完成之后还要对每一个加工点的Z坐标进行一次修正：
再将这N个点的Z坐标进行修正，加上修补值(α*β‘*Δz)，其中α为板型系数，
β为修正系数：
β‘＝1-((n-10.5)/10)
Δz为修正经验值，一般加工钢板的修正经验值为10，所以修正后的第n个加工点的坐标信息为(Xn，Yn，Z‘n)；
S3.3计算火枪头加工姿态：如图9所示，根据S3.2修正后的加工点，实时计算加工状态下，每两个修正后插补点之间连线的火枪头姿态，使火枪头保持与加工点所在切平面的法向量近似平行，并通过调节火枪头的RX轴位置和RZ轴位置，调整火枪头的姿态。
步骤S3.3方法还包括：
S3.3.1计算第一条火路所有修正后的插补点所在平面的法向量；
A(X0,Y0,Z0),B(Xn，Yn，Z‘n),C(X’,Y’,Z’)三点在同一个平面上，也就是火路所在的平面，该平面的法向量为
S3.3.2计算加工状态下火枪头的姿态；加工状态下，火枪头与向量垂直，而且与任意两个修正插补点连线垂直，设加工状态下火枪头的姿态(方向)为即有：
S3.3.3计算RXn,RZn的值；
通过该方法可以实现水火弯板智能机器人自动烧板，替代部分人工烧板，提高水火弯板工艺的自动化程度，提高生产效率。该方法能够实现水火弯板机器人的快速示教，相比传统机器人的示教方法，能够大大缩短示教时间。该方法简单易用，相比开发成套的专家系统成本较低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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