廣西玉柴機(jī)器股份有限公司 （玉林 537000） 鄭海彪

一、概述

砂芯浸涂是鑄造行業(yè)中的重要工序之一。隨著現(xiàn)代鑄造業(yè)裝備自動(dòng)化程度的不斷提高，砂芯浸涂工序越來越多地應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。目前，在我公司鑄造廠砂芯浸涂的上下料等工序操作中，普遍使用工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人來替代人工浸涂工藝。機(jī)器人砂芯浸涂工作效率高，砂芯表面涂料均勻，同時(shí)可以大幅減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善員工的作業(yè)環(huán)境。

機(jī)器人的砂芯浸涂系統(tǒng)一般是在機(jī)器人末端（6軸）安裝夾持工件（砂芯）的夾具，機(jī)器人控制器按照砂芯的浸涂工藝要求，根據(jù)作業(yè)程序規(guī)劃運(yùn)行機(jī)器人的空間路徑，完成期望的砂芯自動(dòng)浸涂工序。同時(shí)，為了完成砂芯在浸涂后的涂料甩干動(dòng)作，機(jī)器人安裝夾持工件的夾具自身帶有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由伺服電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，即帶有外軸運(yùn)行的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)。一般來說，ABB機(jī)器人的外軸定義為機(jī)器人的第七軸（M7），而目前應(yīng)用于砂芯浸涂系統(tǒng)（包括許多的搬運(yùn)系統(tǒng)）的機(jī)器人多為有外軸的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。

有外軸的機(jī)器人砂芯浸涂系統(tǒng)，從應(yīng)用特點(diǎn)及工作性能上來看，一方面，使得機(jī)器人的位姿（位置姿態(tài)）、運(yùn)行路徑規(guī)劃得到簡(jiǎn)化，大幅提高了機(jī)器人作業(yè)的靈活性；另一方面，由于外軸與機(jī)器人本體整合在一起，由同一個(gè)機(jī)器人控制器控制，此類的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，就我廠的實(shí)際情況來看（工件重量大，夾持位置空間?。?，對(duì)外軸的結(jié)構(gòu)剛度、重復(fù)定位精度提出了較高的要求，因此，外軸的機(jī)械磨損、干涉碰撞等都可能引起機(jī)器人整體性能的下降甚至損壞。本文通過我公司鑄造廠的砂芯浸涂機(jī)器人作業(yè)程序的應(yīng)用特點(diǎn)，分析討論了有外軸機(jī)器人在砂芯浸涂作業(yè)中程序的優(yōu)化、位姿修改及外軸發(fā)生異常動(dòng)作時(shí)的一些操作應(yīng)用技巧。

二、砂芯浸涂機(jī)器人作業(yè)過程描述

1. 砂芯浸涂機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

我公司鑄造廠砂芯浸涂系統(tǒng)由ABBIRB7600型重載搬運(yùn)機(jī)器人及夾具、組芯旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、涂料池、放芯輥道托盤、清洗池等主要子系統(tǒng)組成。

2. 砂芯浸涂機(jī)器人的作業(yè)過程

在砂芯浸涂機(jī)器人系統(tǒng)中，IRB7600型機(jī)器人的作業(yè)動(dòng)作分為取芯、浸芯、放芯及清洗夾具等4個(gè)部分，并把4部分流程編寫為相應(yīng)的4個(gè)子程序來進(jìn)行控制機(jī)器人的動(dòng)作。首先分析我廠常用機(jī)型的砂芯浸涂作業(yè)過程，圖2描述了機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的整個(gè)作業(yè)過程，分別為：①完成取芯作業(yè)，并運(yùn)動(dòng)到涂料池上方（見圖2a）。②浸涂砂芯，甩干涂料后調(diào)整位姿準(zhǔn)備放芯（見圖2b）。③放芯，完成后調(diào)整位姿回程序原位，進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)循環(huán)（見圖2c）。④完成上述3步作業(yè)后（由程序數(shù)據(jù)設(shè)定），進(jìn)入清洗池清洗夾具上的涂料，完成后回原位（見圖2d）。這樣，機(jī)器人周而復(fù)始地按照作業(yè)程序運(yùn)行上述幾步過程，直到完成作業(yè)任務(wù)。

在機(jī)器人的上述作業(yè)過程中，砂芯的準(zhǔn)確抓取及浸涂完成后的涂料甩干、砂芯平穩(wěn)放置和夾具夾頭的清洗均由外軸自主完成，機(jī)器人本體僅作位置姿態(tài)的調(diào)整和運(yùn)動(dòng)，并且通過更換外軸夾具的夾頭形狀，可以實(shí)現(xiàn)多種機(jī)型的砂芯浸涂作業(yè)任務(wù)。在本例中，完成整個(gè)作業(yè)循環(huán)過程，有賴于外軸的結(jié)構(gòu)剛度和其重復(fù)定位精度。夾頭及砂芯夾持位置形狀如圖3所示。

外軸的夾具兩端必須保證在同一直線上，這點(diǎn)由夾具的整體結(jié)構(gòu)剛度來實(shí)現(xiàn)，是比較容易的，而夾具夾頭上的榫頭與砂芯夾持位置要嚴(yán)格配合套在一起，則必須要涉及到外軸的重復(fù)定位精度了。

目前，表述機(jī)器人精度的指標(biāo)有機(jī)器人重復(fù)定位精度和絕對(duì)定位精度。IRB7600型機(jī)器人本體的重復(fù)定位精度為0.08~0.09mm，完全可以滿足砂芯浸涂的作業(yè)要求。機(jī)器人的絕對(duì)定位精度一般描述的是機(jī)器人末端器具（外軸）實(shí)際位姿與理想位姿的誤差。在本例中，在示教工作條件下，機(jī)器人的主要性能指標(biāo)為其外軸的重復(fù)定位精度，機(jī)器人夾具要求準(zhǔn)確地以一定姿態(tài)重復(fù)到達(dá)示教位置方能完成任務(wù)。在砂芯浸涂作業(yè)過程中，由于機(jī)型的更換、空間位置等的因素，機(jī)器人外軸位姿需不斷調(diào)整，因此，對(duì)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度即外軸的重復(fù)定位精度提出了較高的要求。

三、砂芯浸涂機(jī)器人作業(yè)程序分析

1. 作業(yè)程序描述

首先分析一種常用機(jī)型的砂芯浸涂機(jī)器人作業(yè)程序，本實(shí)例采用機(jī)體車間第3套砂芯浸涂程序?yàn)槔?，包括取芯、浸芯、放芯三個(gè)子程序（其中清洗夾具子程序動(dòng)作較為簡(jiǎn)單，在此不作探討）均為廠家按ABB機(jī)器人傳統(tǒng)編程模式編寫的作業(yè)程序：在每個(gè)子程序中均頻繁編寫了ActUnit M7（開啟外軸電動(dòng)機(jī)M7）、DeactUnit M7（關(guān)閉外軸電動(dòng)機(jī)M7）；同時(shí)在程序中對(duì)作業(yè)路徑的中間點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置較為簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行速度v、轉(zhuǎn)彎半徑z等程序數(shù)據(jù)處理不能適應(yīng)實(shí)際使用工況。其中的取芯子程序注釋如下（其余程序編寫格式基本一致不再列出）。

PROC rPickSand；取芯程序：

ActUnit M7； 開起外軸電動(dòng)機(jī)（M7）；

…；

DeactUnit M7; 關(guān)閉外軸電動(dòng)機(jī)；

MoveL p2,v800,z50, tGripper；

MoveL p3 ,v100 , f ine ,tGripper；

…；

MoveL Offs(p3,0,0,60),v100,z50, tGripper；

MoveL Offs(p3,0,-300,500),v200,z50,tGripper；

ActUnit M7； 開起外軸電動(dòng)機(jī)；

…；

DeactUnit M7； 關(guān)閉外軸電動(dòng)機(jī)；

ENDPROC； 取芯程序結(jié)束。

機(jī)器人在前期運(yùn)行上述的作業(yè)程序時(shí)，基本上無大的問題出現(xiàn)。但隨著浸涂的砂芯機(jī)型、重量的不斷更改，定位工裝更改和變形，砂芯表面涂料堆積，機(jī)器人外軸的長(zhǎng)期運(yùn)行帶來的機(jī)械磨損導(dǎo)致精度下降，以及機(jī)器人路徑點(diǎn)規(guī)劃的不合理等因素的出現(xiàn)，機(jī)器人在作業(yè)過程中出現(xiàn)了諸如：“程序執(zhí)行負(fù)荷過高”、“轉(zhuǎn)角路徑故障”、“關(guān)節(jié)速度錯(cuò)誤”、“程序執(zhí)行處自發(fā)性錯(cuò)誤狀態(tài)”等報(bào)警故障信息，甚至出現(xiàn)了外軸電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流過大導(dǎo)致機(jī)器人不能動(dòng)作的重大事故，嚴(yán)重影響機(jī)器人應(yīng)用的效率，使機(jī)器人應(yīng)用的整體性能明顯下降。

經(jīng)分析研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述問題的原因如下：

（1）作業(yè)程序中，頻繁執(zhí)行開起、關(guān)閉外軸電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，由于外軸電動(dòng)機(jī)啟停之間不可避免的滯后性，加劇了外軸的機(jī)械磨損，降低了外軸夾頭的重復(fù)定位精度。

（2）作業(yè)程序中，沒有考慮砂芯機(jī)型重量的變化對(duì)機(jī)器人搬運(yùn)過程中的離心沖擊力帶來的危害，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)器人的整體性能下降。

（3）作業(yè)程序中，機(jī)器人的中間點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃不夠合理，再者，在調(diào)整外軸夾具的位姿時(shí)，位置不合適，外軸受到壓逼，導(dǎo)致機(jī)器人應(yīng)用效率降低。

因此，根據(jù)砂芯浸涂機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際作業(yè)要求，有必要對(duì)其作業(yè)程序、作業(yè)位姿、作業(yè)路徑等進(jìn)行優(yōu)化及重新規(guī)劃，以使機(jī)器人在長(zhǎng)期運(yùn)行中仍能保證外軸的相應(yīng)精度及其良好的整體性能。

2. 作業(yè)程序優(yōu)化

對(duì)機(jī)器人作業(yè)程序的優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)是要消除機(jī)器人的錯(cuò)誤報(bào)警信息，保持機(jī)器人長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，同時(shí)，對(duì)有外軸運(yùn)行的這一類機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)來說，外軸的空間位姿、作業(yè)點(diǎn)（中間點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)）的規(guī)劃及調(diào)整，也是主要的優(yōu)化對(duì)象?；谏靶窘繖C(jī)器人的作業(yè)環(huán)境要求，其作業(yè)程序優(yōu)化、機(jī)器人本體、外軸空間位姿等的修調(diào)（調(diào)整）均是利用Flexpendant示教器用“示教編程”的程序生成方式生成機(jī)器人作業(yè)的動(dòng)作順序。

經(jīng)優(yōu)化后的砂芯浸涂機(jī)器人取芯作業(yè)子程序如下（其余子程序優(yōu)化方法一致）。

PROC rPickSand；取芯程序：

ActUnit M7；

AccSet 50, 50；增加Accset指令，使機(jī)器人運(yùn)行更平穩(wěn)；

…；

!DeactUnit M7；備注該程序段（機(jī)器人將不執(zhí)行該動(dòng)作，以下同）；

…；

MoveL Offs(p3,0,0,60),v100, f ine, tGripper；由中間點(diǎn)改為目標(biāo)點(diǎn)（f ine），因是線性偏移；

MoveL Offs(p3,0,-300,500),v200, f ine, tGripper;

由中間點(diǎn)改為目標(biāo)點(diǎn)（f ine），因是線性偏移；

!ActUnit M7；備注該行，已執(zhí)行；

…；

!DeactUnit M7；備注該行；

WaitTime 0.5；增加等待0.5s指令；

ENDPROC； 取芯程序結(jié)束。

砂芯浸涂機(jī)器人作業(yè)程序優(yōu)化的幾點(diǎn)說明：

（1）在作業(yè)程序中，特別是外軸電動(dòng)機(jī)關(guān)閉、夾頭氣缸開關(guān)的程序段等，一般來說，不作刪除處理，利用示教器的備注功能即可，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)執(zhí)行備注段的程序動(dòng)作，主要是考慮到在修調(diào)機(jī)器人位姿時(shí)有時(shí)會(huì)應(yīng)用到該段程序帶來的便利。

（2）在作業(yè)程序中，理論上來說，程序數(shù)據(jù)v值越大，機(jī)器人運(yùn)行越快，效率越高。對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人來說，還應(yīng)考慮程序數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)彎半徑z值，只要空間位置及外軸剛度足夠，z值越大，機(jī)器人的動(dòng)作路徑就越圓滑與流暢，相應(yīng)地，機(jī)器人的效率就越高。

（3）在作業(yè)程序中，合理規(guī)劃作業(yè)任務(wù)的中間點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，即把z指令點(diǎn)修改為fine點(diǎn)，是有效消除“轉(zhuǎn)角路徑故障”報(bào)警信息及降低機(jī)器人控制器CUP運(yùn)行負(fù)荷工況的手段之一。

（4）在作業(yè)程序中，Accset指令數(shù)據(jù)與工件的重量、體積有關(guān)，本文在此不逐一探討。

通過作業(yè)程序優(yōu)化后，機(jī)器人運(yùn)行的結(jié)果表明，是能滿足砂芯浸涂作業(yè)任務(wù)的各方面要求的。

四、砂芯浸涂機(jī)器人位姿修改操作技巧

1. 取芯方式位姿修改操作

隨著砂芯機(jī)型的增加、組芯工裝的改變、改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度的要求等因素的出現(xiàn)，對(duì)機(jī)器人取芯方式的靈活性要求也越來越高。這樣，在不同的取芯方式下，機(jī)器人的位姿也不斷地要求調(diào)整。經(jīng)分析總結(jié)，機(jī)體車間的機(jī)器人取芯方式主要是：外軸水平式夾持砂芯和豎立式夾持砂芯。其余的取芯方式基本是這兩種方式的變形而已，因此，對(duì)于機(jī)器人取芯方式位姿的修改主要是基于上述兩種方式的調(diào)整。值得注意的是，對(duì)于有外軸的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，因外軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)器人本體共用同一控制器，修改機(jī)器人位姿時(shí)，外軸電動(dòng)機(jī)必須是在開起狀態(tài)下進(jìn)行修改位置的設(shè)置才能被機(jī)器人接受，即要先運(yùn)行程序段“ActUnit M7”，才可進(jìn)行位姿的修改操作。

當(dāng)要求機(jī)器人取芯方式改變時(shí)，充分利用原來的取芯方式進(jìn)行快速調(diào)整姿態(tài)來滿足生產(chǎn)的需要，是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中經(jīng)常采用的手段。當(dāng)然，改變?nèi)⌒痉绞降奈蛔艘部梢宰寵C(jī)器人從原位開始，利用Flexpendant示教器在手動(dòng)控制下逐步調(diào)整取芯位姿。但這樣操作不僅耗時(shí)耗力，而且要考慮到機(jī)器人本體和外軸夾具的作業(yè)空間位置是否會(huì)出現(xiàn)干涉等一系列的問題，機(jī)器人操作應(yīng)用效率十分低下。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，往往是利用現(xiàn)有的取芯方式姿態(tài)通過一定的簡(jiǎn)便操作，取得新的取芯方式位姿。本文論述到的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的傾斜式取芯方式即是由水平式夾持砂芯動(dòng)作通過合適的微調(diào)修改而得到的，如圖4所示。芯的作業(yè)程序名，此時(shí)，機(jī)器人的位姿是在所期望的位置上，但不在原位上。若直接進(jìn)行更換作業(yè)程序名的操作，機(jī)器人將自動(dòng)回到原位后才執(zhí)行，這樣是無法套用機(jī)器人位姿來調(diào)整新的取芯位姿的。因此，在需要套用機(jī)器人位姿并更換作業(yè)程序名的操作而且機(jī)器人已經(jīng)運(yùn)行到所需位置時(shí)，利用Flexpendant示教器的手動(dòng)操控方式，控制機(jī)器人的位姿以線性運(yùn)動(dòng)方式（即X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)）往任意軸方向運(yùn)動(dòng)一定的行程（注意空間位置避免干涉），目的是破壞機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)程序運(yùn)行到的點(diǎn)的位置。這樣，在進(jìn)行更換機(jī)器人作業(yè)程序名時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)認(rèn)為此時(shí)是處于手動(dòng)操控狀態(tài)，機(jī)器人將不執(zhí)行回原位后再更換作業(yè)程序名的動(dòng)作，接著就可以進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)姿態(tài)的調(diào)整。

另外，在修改機(jī)器人外軸夾具取芯方式的位姿時(shí)，先修改目標(biāo)點(diǎn)（終點(diǎn)）的位姿，再退出修改中間點(diǎn)（起點(diǎn)）的位姿，這樣的操作應(yīng)用，有效地提高了機(jī)器人外軸的重復(fù)定位能力，在自動(dòng)運(yùn)行作業(yè)程序時(shí)，只要在中間點(diǎn)的位姿正確，則在目標(biāo)點(diǎn)的位姿也一定正確。

2. 外軸數(shù)據(jù)丟失后的校準(zhǔn)操作

砂芯浸涂機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)在作業(yè)運(yùn)行時(shí)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的條件及其他客觀因素等的影響，機(jī)器人可能會(huì)出現(xiàn)軸數(shù)據(jù)莫名丟失的故障。當(dāng)軸數(shù)據(jù)丟失后，機(jī)器人的位置將停留在數(shù)據(jù)丟失處，在進(jìn)行校準(zhǔn)軸恢復(fù)軸數(shù)據(jù)的操作前，機(jī)器人是無法進(jìn)行任何動(dòng)作的。若是機(jī)器人本體的1～6軸中出現(xiàn)軸數(shù)據(jù)丟失的情況，可以就地進(jìn)行軸校準(zhǔn)再回軸的機(jī)械位置后，再次進(jìn)行軸校準(zhǔn)操作即可。但在有外軸的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著多種不同機(jī)型砂芯浸涂的作業(yè)任務(wù)，當(dāng)外軸的數(shù)據(jù)丟失后，按照常規(guī)的軸校準(zhǔn)方法進(jìn)行操作，則每種機(jī)型砂芯在浸涂作業(yè)時(shí)，都勢(shì)必要對(duì)作業(yè)任務(wù)中各個(gè)中間點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的位姿進(jìn)行重新示教修改，工作任務(wù)十分繁瑣，因此，有必要尋找一種更便捷的恢復(fù)外軸數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)操作方法。

在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)機(jī)器人外軸數(shù)據(jù)丟失后，應(yīng)保持此處的機(jī)器人位姿進(jìn)行外軸校準(zhǔn)，使得機(jī)器人能重新動(dòng)作，然后，手動(dòng)操控機(jī)器人外軸到達(dá)離此處最近的作業(yè)目標(biāo)點(diǎn)，在目標(biāo)點(diǎn)上進(jìn)行外軸位姿的

新的機(jī)器人位姿套用其他作業(yè)程序的中間點(diǎn)或者目標(biāo)點(diǎn)的位姿，涉及到了更換不同作業(yè)程序名的問題。機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)在作業(yè)程序的設(shè)計(jì)上，考慮到空間安全等因素，一般來說，當(dāng)要更換不同的作業(yè)程序名時(shí)，總是要求機(jī)器人自動(dòng)回到原位才能達(dá)到目的。本例中，在調(diào)整機(jī)器人傾斜式取芯位姿時(shí)，是使機(jī)器人先運(yùn)行水平式取芯的作業(yè)程序，讓外軸夾具到達(dá)合適位置，然后更換所要的傾斜式取精確修改調(diào)整，使其合乎作業(yè)任務(wù)要求，保持修改好的機(jī)器人位姿，再進(jìn)行外軸的軸校準(zhǔn)操作。這樣的外軸數(shù)據(jù)恢復(fù)操作，實(shí)質(zhì)上是找回軸數(shù)據(jù)丟失前外軸的比較準(zhǔn)確的位姿，因此，在更換其他機(jī)型砂芯進(jìn)行浸涂作業(yè)時(shí)，不必再對(duì)外軸位姿進(jìn)行修改調(diào)整，從而提高了有外軸機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用效率。

五、結(jié)語(yǔ)

通過描述有外軸機(jī)器人在砂芯浸涂作業(yè)任務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用，分析了機(jī)器人在該應(yīng)用中的作業(yè)程序，提出了有外軸機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的作業(yè)程序優(yōu)化、動(dòng)作操作應(yīng)用的方法。

當(dāng)然，有外軸機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的作業(yè)程序及作業(yè)過程有更豐富的內(nèi)涵。但實(shí)踐表明，上述有外軸機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的作業(yè)程序優(yōu)化及相關(guān)操作應(yīng)用，特別是外軸軸數(shù)據(jù)丟失后的數(shù)據(jù)恢復(fù)方法，只要外軸的重復(fù)定位精度要求不高，對(duì)有外軸的機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)具有普遍的操作應(yīng)用意義。