一种水火弯板智能加工高度保持装置及方法与流程

本发明涉及大型复杂船体外板加工技术领域，具体涉及一种水火弯板智能加工高度保持装置及方法。

背景技术：

水火弯板也称线状加热成型(line heating或line heat of forming)，它是一种利用金属板局部受热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。水火弯板成形工艺方法于20世纪50、60年代起源于日本，由于加工快、操作灵活、不需要其他设备及适于复杂形状的成形加工等优点，被迅速而广泛应用于世界各地的船厂中，并成为了双曲度外板的主要加工方式。目前几乎所有的双曲度船体外板都是采用水火弯板工艺形成的。

水火弯板工艺过程实现自动化是提高生产效率、减轻工人劳动强度、降低能耗的必要手段。当今各种船舶的外表面大多都是由复杂的、不可展的空间曲面构成，把钢板加工成这样的曲面，目前在国内外大部分船厂主要还是采用燃气火焰在钢板表面局部进行加热，当加热区达到一定温度后再降温，利用金属的热弹塑性收缩变形原理，以获得良好的整体变形，这就是所说的水火弯板加工工艺。

在水火弯板过程中，火枪的高度变化会直接导致钢板焰道上受热的变化，从而严重影响钢板预期的成形效果。在水火弯板加工之前，采用激光测距装置对外板加工时的复杂曲面需进行大尺寸大范围的检测，虽然在加工时得到火枪的空间坐标数据，但加工过程中钢板会发生形变，与之前测量的数据有较大的误差，导致水火弯板过程中钢板受热的变化，影响加热成型效果，进而影响钢板的整体弯曲成型。

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加工高度保持装置，包括：智能机器人，智能机器人设有火枪平台，用于驱动火枪平台升降的Z轴升降机构，与Z轴升降机构连接的伺服电机以 及控制装置；火枪平台上设有火枪和测距传感器；

所述控制装置包括：测距数据获取模块、工作距离设置模块、高度差比较计算模块、电机控制单元；

所述工作距离设置模块用于在标准状态下，预设测距传感器与待加工钢板之间的预设间距；

所述测距数据获取模块与测距装置电连接，所述测距数据获取模块用于实时获取火枪在工作中，测距传感器与待加工钢板之间的工作间距；

所述高度差比较计算模块分别与测距数据获取模块、工作距离设置模块、电机控制单元电连接，高度差比较模块用于将工作间距与预设间距进行比较，当工作间距超出预设间距时，计算工作间距与预设间距之间的间距差值；

所述电机控制单元用于根据高度差比较计算模块计算的间距差值，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将测距传感器测量的与待加工钢板之间的工作间距调节到预设间距范围内。

优选地，所述控制装置还包括：倾角设置模块；

所述倾角设置模块用于设置测距传感器与水平面之间的夹角α；

所述工作距离设置模块还用于在标准状态下，测距传感器测量与待加工钢板之间的预设间距L₀，并通过L*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间火枪预设间距H₀；

所述测距数据获取模块还用于根据测距传感器与水平面之间的夹角α及测距传感器实时获取与待加工钢板之间的工作间距L₁，通过L₁*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间的火枪间距H₁；

高度差比较计算模块还用于比较火枪预设间距H₀与火枪间距H₁，当火枪间距H₁超出火枪预设间距H₀公差范围时，计算火枪间距H₁与火枪预设间距H₀之间的火枪间距差值ΔH；

所述电机控制单元还用于根据火枪间距差值ΔH，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将火枪与待加工钢板之间的间距调节到火枪预设间距H₀公差范围内。

优选地，所述电机控制单元包括：模糊控制模块、运行控制模块；

所述模糊控制模块用于根据高度差比较计算模块计算的间距差值，或火 枪间距差值ΔH转换成电机控制指令，发送至运行控制模块；

所述运行控制模块用于接收电机控制指令，对伺服电机进行控制。

优选地，所述运行控制模块包括：调制转换模块、SPWM模块、位置角度模块、反馈模块、逆变模块；

所述调制转换模块用于对接收的电机控制指令转换为电机运行参数；还用于接收所述反馈模块反馈的电机运行参数，并对接收的电机运行参数与反馈的电机运行参数进行调制，并将调制后电机运行参数输入给所述SPWM模块；

所述反馈模块用于对伺服电机进行运行参数采样，并将采样到运行参数反馈给所述调制转换模块；

所述位置角度模块用于获取反馈模块采样的运行参数中的电机转子位置角度，并将转子位置角度传送给SPWM模块；

所述SPWM模块用于根据接收的所述调制转换模块调制后的电机运行参数以及所述位置角度模块获取的转子位置角度，生成与正弦波等效的PWM波，控制所述逆变模块的通断，并通过改变PWM波的频率和幅值，调节所述逆变模块输出电压的频率和幅值；

所述逆变模块用于根据所述SPWM模块生成的PWM波通断，并根据PWM波的频率和幅值，调节输出电压的频率和幅值，控制伺服电机运行。

优选地，测距传感器采用激光测距传感器。

优选地，智能机器人还设有X轴导引机构，与X轴导引机构垂直设置的Y轴导引机构；

所述X轴导引机构包括：两条平行设置的X轴轨道；Y轴导引机构包括：在两条平行设置的轨道上运行的龙门架，龙门架上设有横梁，横梁上设有Y轴滑轨，Z轴升降机构设置在横梁上，并在Y轴滑轨上滑动。

优选地，所述调制转换模块包括：比例调节单元和积分调节单元；

所述比例调节单元用于调节运行控制模块控制运行过程中的产生的偏差；所述积分调节单元用于消除运行控制模块控制运行过程中的静态误差。

优选地，所述反馈模块包括：速度计算单元、霍尔采样单元；

所述霍尔采样单元用于对伺服电机的转速进行采样；所述速度计算单元 用于根据所述霍尔采样单元采样到的转速，计算出速度值，并传送给所述调制转换模块。

一种水火弯板智能加工高度保持方法，其特征在于，方法包括：

S1：在标准状态下，测距传感器测量与待加工钢板之间的预设间距；

S2：火枪在工作中，测距传感器实时获取与待加工钢板之间的工作间距；并将工作间距与预设间距进行比较，当工作间距超出预设间距时，计算工作间距与预设间距之间的间距差值；

S3：根据计算的间距差值，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将测距传感器测量的与待加工钢板之间的工作间距调节到预设间距范围内。

优选地，方法还包括：

S11：在标准状态下，设置测距传感器与水平面之间的夹角α；测距传感器测量与待加工钢板之间的预设间距L₀，并通过L*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间火枪预设间距H₀；

S12：根据测距传感器与水平面之间的夹角α及测距传感器实时获取与待加工钢板之间的工作间距L₁，通过L₁*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间的火枪间距H₁；比较火枪预设间距H₀与火枪间距H₁，当火枪间距H₁超出火枪预设间距H₀公差范围时，计算火枪间距H₁与火枪预设间距H₀之间的火枪间距差值ΔH；

S13：根据火枪间距差值ΔH，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将火枪与待加工钢板之间的间距调节到预设间距H₀公差范围内。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

在加工过程中，智能机器人不断采集火枪高度数据，确定自适应参数的输入、输出变量，将获取到的外板加工前钢板的空间数据信息传输给控制装置，提取高度值，计算出高度偏差，并得出实际加工的取值区间；然后通过智能机器人火枪高度动态调整装置实现火枪高度的负反馈控制，成功实现水火弯板智能机器人火枪高度自动跟踪的功能，使其高度保持在工艺要求的范围内。

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为水火弯板智能加工高度保持装置的示意图；

图2为控制装置的示意图；

图3为电机控制单元的示意图；

图4为调制转换模块运行控制的电路图；

图5为调制转换模块运行控制的曲线图；

图6为智能机器人机构示意图；

图7为水火弯板智能加工高度保持方法流程图；

图8为水火弯板智能加工高度保持方法优选地流程图。

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加工高度保持装置，如图1、图2所示，包括：智能机器人，智能机器人设有火枪平台，用于驱动火枪平台1升降的Z轴升降机构，与Z轴升降机构连接的伺服电机以及控制装置；火枪平台1上设有火枪3和测距传感器2；

控制装置包括：测距数据获取模块22、工作距离设置模块21、高度差比较计算模块23、电机控制单元24；

工作距离设置模块21用于在标准状态下，预设测距传感器2与待加工钢板4之间的预设间距；在标准状态下为根据工艺及加工要求设置的在标准状态下的预设间距。这个间距可以满足工艺及加工要求。

测距数据获取模块22与测距装置2电连接，测距数据获取模块22用于 实时获取火枪3在工作中，测距传感器2与待加工钢板4之间的工作间距；

高度差比较计算模块23分别与测距数据获取模块22、工作距离设置模块21、电机控制单元24电连接，高度差比较模块23用于将工作间距与预设间距进行比较，当工作间距超出预设间距时，计算工作间距与预设间距之间的间距差值；

电机控制单元24用于根据高度差比较计算模块23计算的间距差值，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台1升降，将测距传感器2测量的与待加工钢板4之间的工作间距调节到预设间距范围内。

这里测距传感器2，火枪3，待加工钢板4的加工点之间在同一条直线上，通过测距传感器2测量与待加工钢板4之间的工作间距以及通过高度差比较计算模块23将工作间距与预设间距进行比较，当工作间距超出预设间距时，计算工作间距与预设间距之间的间距差值；并由电机控制单元24根据高度差比较计算模块23计算的间距差值，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台1升降，将测距传感器2测量的与待加工钢板4之间的工作间距调节到预设间距范围内。

由于空间限制测距传感器2，火枪3，待加工钢板4的加工点之间在同一条直线上，并且钢板是一个曲面，也找不到垂直钢板的其他的等效测量点。调整火枪高度使激光测距仪光斑停留在零点(A点)，记录此时激光测量距离为L₀；

如果在数据加工过程中，火枪3与钢板4之间的高度发生变化，假设此时高度过高，光斑停留在B点，测量距离为L_B，可以计算出火枪高度偏差a,计算公式为a＝(L_B-L)sinα，同理如果光斑停留在A点，可以计算出A点高度偏差。

本实施例中，控制装置还包括：倾角设置模块；倾角设置模块用于设置测距传感器与水平面之间的夹角α；工作距离设置模块还用于在标准状态下，测距传感器测量与待加工钢板之间的预设间距L₀，并通过L*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间火枪预设间距H₀；

测距数据获取模块还用于根据测距传感器与水平面之间的夹角α及测距传感器实时获取与待加工钢板之间的工作间距L₁，通过L₁*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间的火枪间距H₁；

高度差比较计算模块23还用于比较火枪预设间距H₀与火枪间距H₁，当火枪间距H₁超出火枪预设间距H₀公差范围时，计算火枪间距H₁与火枪预设间距H₀之间的火枪间距差值ΔH；

电机控制单元24还用于根据火枪间距差值ΔH，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将火枪与待加工钢板之间的间距调节到火枪预设间距H₀公差范围内。

本实施例中，如图3、图4、图5所示，电机控制单元24包括：模糊控制模块11、运行控制模块；

模糊控制模块11用于根据高度差比较计算模块计算的间距差值，或火枪间距差值ΔH转换成电机控制指令，发送至运行控制模块；运行控制模块用于接收电机控制指令，对伺服电机进行控制。

为了能使电机控制单元24通过控制伺服电机15来实现调节间距差值ΔH本实施例中，运行控制模块包括：调制转换模块12、SPWM模块13、位置角度模块16、反馈模块17、逆变模块14；

调制转换模块12用于对接收的电机控制指令转换为电机运行参数；还用于接收反馈模块17反馈的电机运行参数，并对接收的电机运行参数与反馈的电机运行参数进行调制，并将调制后电机运行参数输入给SPWM模块13；

反馈模块17用于对伺服电机15进行运行参数采样，并将采样到运行参数反馈给调制转换模块12；

位置角度模块16用于获取反馈模块17采样的运行参数中的电机转子位置角度，并将转子位置角度传送给SPWM模块13；

SPWM模块13用于根据接收的调制转换模块12调制后的电机运行参数以及位置角度模块16获取的转子位置角度，生成与正弦波等效的PWM波，控制逆变模块的通断，并通过改变PWM波的频率和幅值，调节逆变模块输出电压的频率和幅值；

逆变模块14用于根据SPWM模块13生成的PWM波通断，并根据PWM波的频率和幅值，调节输出电压的频率和幅值，控制伺服电机15运行。

在本实施例中，调制转换模块包括：比例调节单元和积分调节单元；比例调节单元用于调节控制系统产生的偏差；积分调节单元用于消除控制系统 的静态误差。

具体的，调制转换模块12是同时具有比例和积分运算两种作用的放大器，输出电压ΔU₂可写成式中：K_p＝R₂/R₁--PI调节模块的比例系数；τ_r＝R₁C₂--PI调节模块的积分时间常数。

由式可知，调制转换模块12输入电压ΔU₁为—定值时，输出电压ΔU₂由一跃变量和随时间线性增长的两部分组成，变化规律图3所示。刚加上ΔU₁的瞬间，C₂两端电压不能突变，ΔU₂＝0，C₂相当于短路，调节器只起比例调节的作用，输出电压有一跃变，ΔU₂＝-K_pΔU₁。与此同时C₂充电开始积分运算，使输出电压ΔU₂在比例输出的基础上，叠加按积分增长的部分，增长的快慢取决于τ_r＝R₁C₂。若ΔU₁作用的时间足够长，则ΔU₂将上升到调节器的最大输出电压ΔU_max(限幅值)，然后保持不变。

调制转换模块12能实现比例、积分两种调节功能，既具有比例调节器较好的动态响应特性，又具有积分调节器的静态无差调节功能。只要输入有一微小信号，积分就进行，直至输出达限幅值为止；在积分过程中，输入信号突然消失(变为零)，其输出还始终保持输入信号消失前的值不变。这种积累、保持特性，使积分调节器能消除控制系统的静态误差。

这样，计算火枪间距H₁与火枪预设间距H₀之间的火枪间距差值ΔH，可能是很小的一个尺寸范围，通过调制转换模块12既能够实现对伺服电机15的控制，达到调节高度的目的。

反馈模块17包括：速度计算单元、霍尔采样单元；霍尔采样单元用于对伺服电机的转速进行采样；速度计算单元用于根据霍尔采样单元采样到的转速，计算出速度值，并传送给调制转换模块。

霍尔采样单元用于对伺服电机15的转速进行采样；速度计算单元用于根据霍尔采样单元采样到的转速，计算出速度值，并传送给调制转换模块12。

具体的，霍尔采样单元采用霍尔元件；霍尔元件设置在伺服电机15绕组的端部，并超前于伺服电机15其中任意一相绕组90°的电角度，且与伺服电机15的铁芯和绕组设有间隔距离。

在伺服电机15中，在定子适当位置放置一个霍尔元件，测定转子转速，转子匀速旋转时，霍尔元件就会输出一个上升沿和下降沿与转子磁场强度B₀ 的过零点相对应的方波信号，将方波信号分频处理，便得到数字式的转子位置信号θ，用这个数字量去查表，经D/A转换和放大后即得正弦波参考电压。将霍尔元件安装在距离伺服电机15任一一相绕组超前绕组轴线90°电角度位置最近的齿旁中间。

霍尔元件的安装位置位于绕组端部，距离铁芯和绕组有一定的距离，克服了电枢反应磁场和绕组漏磁场对位置信号的影响。

测距传感器2采用激光测距传感器。如图6所示，智能机器人还设有X轴导引机构5，与X轴导引机构5垂直设置的Y轴导引机构6；

X轴导引机构5包括：两条平行设置的X轴轨道；Y轴导引机构包括：在两条平行设置的轨道上运行的龙门架，龙门架上设有横梁，横梁上设有Y轴滑轨，Z轴升降机构7设置在横梁上，并在Y轴滑轨上滑动。

本发明还提供一种水火弯板智能加工高度保持方法，如图7和图8所示，方法包括：

S1：在标准状态下，测距传感器测量与待加工钢板之间的预设间距；

S2：火枪在工作中，测距传感器实时获取与待加工钢板之间的工作间距；并将工作间距与预设间距进行比较，当工作间距超出预设间距时，计算工作间距与预设间距之间的间距差值；

S3：根据计算的间距差值，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将测距传感器测量的与待加工钢板之间的工作间距调节到预设间距范围内。

方法还包括：

S11：在标准状态下，设置测距传感器与水平面之间的夹角α；测距传感器测量与待加工钢板之间的预设间距L₀，并通过L*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间火枪预设间距H₀；

S12：根据测距传感器与水平面之间的夹角α及测距传感器实时获取与待加工钢板之间的工作间距L₁，通过L₁*sin(α)计算出火枪与待加工钢板之间的火枪间距H₁；比较火枪预设间距H₀与火枪间距H₁，当火枪间距H₁超出火枪预设间距H₀公差范围时，计算火枪间距H₁与火枪预设间距H₀之间的火枪间距差值ΔH；

S13：根据火枪间距差值ΔH，控制伺服电机运行，使Z轴升降机构带动火枪平台升降，将火枪与待加工钢板之间的间距调节到预设间距H₀公差范围内。

本实施提供基于MC464运动控制系统，结合激光测量传感器、伺服电机，控制装置，模糊控制器等几部分，在水火弯板智能机器人上进行实施。

首先，校准火枪高度，使激光测量仪光斑刚好停留在火枪的正下方，记录此时激光测距仪L₀，并且测量出此时激光的倾斜角度α。

然后，在加工过程中，激光测量传感器采集测得的距离L，经过公式Δh＝(L-L₀)sinα计算出高度偏差Δh。

最后，将偏差数据转化成对应的控制指令，发送给控制装置，模糊控制器，驱动Z轴升降机构运动，减少偏差，从而保证高度在合理的范围内。

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。