（安川首鋼機(jī)器人有限公司技術(shù)中心，北京100176）

0 前言

噴涂機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)中重要的涂裝設(shè)備。與手工噴涂相比，機(jī)器人噴涂的精確度更高，可以提高涂料利用率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。另一方面，涂裝車間的涂料懸浮顆粒、揮發(fā)性溶劑等都對人工噴涂操作工的健康有害[1]。因此，充分利用噴涂機(jī)器人來提高效率、降低成本和減少危害是整個涂裝業(yè)的發(fā)展方向。

目前，大多采用手工示教的方法對噴涂機(jī)器人編程。該方法存在一些弊端：（1）對于小批量多品種的產(chǎn)品，示教工作量大；（2）噴槍的位姿選擇很大程度上取決于操作工人的涂裝經(jīng)驗(yàn)，對示教人員的技術(shù)要求較高；（3）示教過程中生產(chǎn)線需要暫停，對于較復(fù)雜的工件，可能需要花費(fèi)大量時間，降低了包括機(jī)器人在內(nèi)的整條生產(chǎn)線的使用效率。

針對以上弊端并結(jié)合工件形狀規(guī)則、僅尺寸變化的特點(diǎn)，安川首鋼機(jī)器人有限公司開發(fā)了一款專門用于移動懸掛箱體噴涂系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人自動離線編程軟件。在此介紹機(jī)器人運(yùn)動奇點(diǎn)問題以及軟件的設(shè)計和使用情況。

1 機(jī)器人奇點(diǎn)

1.1 機(jī)器人奇點(diǎn)問題產(chǎn)生的原因

6軸串聯(lián)機(jī)器人存在一個不可避免的特性，就是奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)時，無法通過逆向運(yùn)算將笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為軸的角度，如式（1）所示，并且笛卡兒坐標(biāo)系內(nèi)一點(diǎn)微小變化都會引起軸角度的劇烈變化[2]。

6軸串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人有3種奇點(diǎn)：腕部奇點(diǎn)、肩部奇點(diǎn)、肘部奇點(diǎn)。腕部奇點(diǎn)發(fā)生在4軸和6軸重合或平行時；肩部奇點(diǎn)發(fā)生在腕部中心（見圖1中C點(diǎn)）位于1軸旋轉(zhuǎn)中心線時；肘部奇點(diǎn)發(fā)生在腕部中心和2軸、3軸共面時（見圖2）[2-3]。本研究提及工況所涉及奇點(diǎn)問題以腕部奇點(diǎn)為主。

圖1 工業(yè)機(jī)器人各軸關(guān)節(jié)與腕部中心（C點(diǎn)）

當(dāng)機(jī)器人以笛卡爾坐標(biāo)系運(yùn)動并經(jīng)過奇點(diǎn)附近時，TCP點(diǎn)（Tool Center Point，工具中心點(diǎn)）的路徑速度會顯著減慢，某些軸的速度會突然變得很快。日本株式會社安川電機(jī)生產(chǎn)的Motoman工業(yè)機(jī)器人在奇點(diǎn)附近時，TCP點(diǎn)速度會有所減慢，若軸速過快會有段超出報警并停機(jī)。因此，需避免此類問題發(fā)生。

圖2 機(jī)器人奇點(diǎn)

1.2 解決機(jī)器人奇點(diǎn)問題的主要方法

為了避免機(jī)器人軌跡經(jīng)過奇點(diǎn)附近造成軸速的劇烈變化，主要采取以下兩種方法。

（1）插入脈沖示教點(diǎn)。

奇點(diǎn)只存在于軌跡運(yùn)動中，而由各軸脈沖值表示的示教點(diǎn)可控制機(jī)器人直接到達(dá)唯一位置和姿態(tài)，無需逆運(yùn)算，即不存在奇點(diǎn)問題。故根據(jù)規(guī)劃好的軌跡，通過選定合理的脈沖示教點(diǎn)，可以避免機(jī)器人在后續(xù)噴涂過程中發(fā)生奇點(diǎn)問題。

（2）修改MOVL指令為MOVJ。

MOVL是兩點(diǎn)間直線運(yùn)動的指令，MOVJ是兩點(diǎn)間軸關(guān)節(jié)運(yùn)動的指令。此方法僅適用于無需走直線的情況，機(jī)器人會按照內(nèi)部底層算法自行調(diào)整出合理的軌跡和姿態(tài)，避免運(yùn)動到奇點(diǎn)及其附近位置。

2 機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成

整套噴涂機(jī)器人系統(tǒng)主要由上位機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、噴涂設(shè)備以及工件傳送裝置構(gòu)成。

工業(yè)機(jī)器人是2臺日本安川電機(jī)生產(chǎn)的Motoman-EPX2050 Lemma（レンマ）型6軸噴涂機(jī)器人（見圖3b），配備標(biāo)準(zhǔn)NX100機(jī)器人控制柜，分別用于噴涂工件的內(nèi)外表面，工況如圖4所示。

當(dāng)不同尺寸的箱體或蓋板懸掛在傳送線上邊移動邊由機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)時，通過操作上位機(jī)軟件，在生產(chǎn)線保持運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，自動生成機(jī)器人程序并加載至機(jī)器人控制柜中依次調(diào)用。機(jī)器人會執(zhí)行傳送帶同步功能，使噴涂與工件移動同步[4]。

圖3 安川工業(yè)機(jī)器人Motoman-EPX2050

圖4 噴涂工況

2.2 Lemma型噴涂機(jī)器人奇點(diǎn)問題分析

與通用型噴涂機(jī)器人（見圖3a）相比，Lemma型噴涂機(jī)器人的使用優(yōu)勢在于：當(dāng)工件基本處于機(jī)器人正前方時，腕部三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特設(shè)計，使機(jī)器人出現(xiàn)腕部奇點(diǎn)的可能性很小（見圖5a）。然而，在噴涂箱體這類較復(fù)雜的工件時，隨著傳送線的移動，在噴涂左右箱體兩側(cè)時仍可能出現(xiàn)4軸和6軸平行的腕部奇點(diǎn)問題（見圖5b）。

圖5 Lemma型噴涂機(jī)器人腕部奇點(diǎn)分析

出現(xiàn)奇點(diǎn)問題時，在噴涂程序指定TCP點(diǎn)的軌跡恒速的情況下，某些軸的速度可能會突然變快以致段超出（某軸瞬間轉(zhuǎn)速過大）報警并停機(jī)，也可能為適應(yīng)程序內(nèi)容，出現(xiàn)“翻腕”動作（見圖6a、圖6b）。當(dāng)出現(xiàn)向上翻腕的動作后，噴涂箱體下部或向機(jī)器人左側(cè)噴涂時會發(fā)生機(jī)械干涉（見圖6c）。

2018年9月22日，朱易進(jìn)入了中國國家集訓(xùn)隊(duì)，這對于緊缺人才的中國花滑隊(duì)來說，無遺是個“爆炸性”的好消息。讓朱易頗感驚喜的是，她的新任主教練，正是自己的偶像——“冰上蝴蝶”陳露！

圖6 由于奇點(diǎn)問題出現(xiàn)的“翻腕”動作

因此，即使使用Lemma型噴涂機(jī)器人，在噴涂箱體這類復(fù)雜工件時仍需考慮如何避免奇點(diǎn)問題。

3 自動離線編程技術(shù)

3.1 編程軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分包括上位機(jī)軟件界面（由Microsoft Visual Studio編寫）以及連接上位機(jī)和機(jī)器人控制柜的通訊軟件MOTOCOM32[5]。

軟件操作界面主要由工件參數(shù)、位置調(diào)整、噴涂設(shè)置、功能選項(xiàng)、程序控制按鈕和程序序列顯示等幾部分構(gòu)成，如圖7所示?，F(xiàn)場軟件操作人員可根據(jù)實(shí)際工況輸入相關(guān)參數(shù)，選擇各項(xiàng)設(shè)置，點(diǎn)擊控制按鈕，實(shí)時按序地生成、加載、調(diào)用機(jī)器人程序。

圖7 軟件界面

3.2 仿真軟件的應(yīng)用

對于箱體這樣形狀規(guī)則的工件來說，離線編程完全可以省略圖形操作的部分，為現(xiàn)場軟件操作人員帶來顯著便利。因?yàn)樵谲浖O(shè)計過程中，離線編程的部分任務(wù)可以利用仿真軟件提前完成，3D動態(tài)模擬工況如圖8所示。

圖8 3D動態(tài)模擬工況

仿真軟件以3D動畫形式模擬驗(yàn)證編程軟件生成的機(jī)器人作業(yè)程序是否可以順利執(zhí)行，是否符合生產(chǎn)要求以及實(shí)現(xiàn)噴涂軌跡的最優(yōu)規(guī)劃，調(diào)用程序時TCP軌跡的動態(tài)模擬如圖9所示。

仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論箱體的具體尺寸如何，在噴涂流程中奇點(diǎn)問題發(fā)生的相對位置大致相同，編程軟件可以利用其共同特征生成具有相同格式的機(jī)器人作業(yè)程序。

3.3 應(yīng)對同步跟蹤和奇點(diǎn)問題的軌跡規(guī)劃

圖9 調(diào)用程序時TCP軌跡的動態(tài)模擬

為了避讓奇點(diǎn)位置，糾正因奇點(diǎn)而產(chǎn)生的姿態(tài)異常，保證整個噴涂過程的順利完成，需根據(jù)箱體的幾何特征和隨傳送線移動到的大致相對位置來規(guī)劃合理的軌跡；又因負(fù)責(zé)噴涂箱體內(nèi)部的機(jī)器人的動作較復(fù)雜，遇到奇點(diǎn)問題的情況較多，故需在必要處增加脈沖控制點(diǎn)，以調(diào)整并糾正異常姿態(tài)。這些均可在仿真軟件中得到驗(yàn)證。

一臺機(jī)器人負(fù)責(zé)內(nèi)部的噴涂任務(wù)，包括左右外棱邊、底部外棱邊、上外表面和箱體內(nèi)部；另一臺負(fù)責(zé)外部的噴涂任務(wù)，包括除上外表面之外的各外表面。

內(nèi)部噴涂的軌跡規(guī)劃原則是：噴涂棱邊先左后右，噴涂平面先右后左、先上后下，底部外棱邊的噴涂穿插在上下內(nèi)表面噴涂之后。仿真試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，這是同步跟蹤噴涂時最合理的軌跡流程。

（2）脈沖控制點(diǎn)。

機(jī)器人向右噴涂左外棱邊和右內(nèi)表面時，由于TCP點(diǎn)上下恒速運(yùn)動會使機(jī)器人接近腕部奇點(diǎn)位置可能出現(xiàn)“翻腕”動作，故需在此兩步噴涂結(jié)束后插入脈沖控制點(diǎn)。另外，在下內(nèi)表面噴涂結(jié)束后為噴涂底部棱邊而“出箱”時，由于機(jī)器人姿態(tài)變化較大，同樣會出現(xiàn)段超出報警，故在此處也插入脈沖控制點(diǎn)增加過渡動作。

通過加入上述脈沖控制點(diǎn)，雖然看上去有一些“不必要”運(yùn)行軌跡和動作[6]，但能夠有效避讓奇點(diǎn)位置，糾正異常姿態(tài)，保證整個噴涂過程順利完成。

3.4 自動控制的實(shí)現(xiàn)

生成機(jī)器人作業(yè)程序所需要的各數(shù)據(jù)完全實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化，均可以由操作人員通過上位機(jī)軟件實(shí)時輸入，直接讀取或間接計算得到。操作人員點(diǎn)擊上位機(jī)軟件界面上的按鈕，通過內(nèi)部通訊軟件MOTOCOM32，控制機(jī)器人啟動并依次調(diào)用程序，最大限度地減少人為介入，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動離線編程。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，系統(tǒng)功能完全符合客戶需求，極大節(jié)約了人力成本，提高了生產(chǎn)效率。但由于靜電噴粉受重力影響自然下落，使工件上部的著粉量少于下部的著粉量，尤其在工件內(nèi)部棱角處表現(xiàn)較明顯（見圖10），一定程度上還需人工補(bǔ)噴上內(nèi)棱邊。如果再修改編程軟件，使生成的程序中加入重復(fù)噴涂箱體內(nèi)部上棱邊的動作，相應(yīng)減少對落粉堆積處的噴涂，能達(dá)到更理想的效果。

圖10 噴涂效果

該自動離線編程技術(shù)不僅可以用于規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，生成移動懸掛箱體噴涂機(jī)器人的作業(yè)程序，還重點(diǎn)分析機(jī)器人奇點(diǎn)問題產(chǎn)生的原因和解決方法，并利用仿真軟件來驗(yàn)證整個噴涂流程的合理性，形成最優(yōu)化的程序結(jié)構(gòu)。

本軟件系統(tǒng)不僅有簡潔直觀的人機(jī)交互界面，便于操作，還利用機(jī)器人控制方面的各種優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)對多尺寸、任意量箱體的噴涂，避免了現(xiàn)場對機(jī)器人的人工示教和離線編程時的圖形操作，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1] 祁文硯．噴涂機(jī)器人離線編程的研究和應(yīng)用[D]．江蘇：江蘇大學(xué)，2014．

[2] Singularities in six-axis vertically-articulated industrial robots[OL]./blog/?p=107．

[3]Hayes M J D，Husty M L，Zsombor-Murray P J.Singular Configurations of Wrist-Partitioned 6R Serial Robots：a Geometric Perspective for Users[J].Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2002，26（1）：41-55.

[4]株式會社安川電機(jī)．NX100コンベヤ同期運(yùn)転機(jī)能取扱説明書[Z]．2014．

[5] 張穎，曾孔庚．MOTOMAN機(jī)器人新型二次開發(fā)軟件介紹[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2012（4）：23-25．

[6] 葉暉．工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．