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        基于Robotmaster的半掛車機(jī)器人噴粉離線編程應(yīng)用研究

        2018-12-26 06:26:38張世煒吳沙李曉甫張智張修榮
        專用汽車 2018年12期
        關(guān)鍵詞:噴粉離線編程

        張世煒 吳沙 李曉甫 張智 張修榮

        中集車輛(集團(tuán))股份有限公司 廣東深圳 518067

        1 前言

        傳統(tǒng)的噴涂工藝采用人工操作,效率低下且粉末浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著工業(yè)機(jī)器人的普及和環(huán)保、安全要求的提升,工廠開始使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行噴涂。目前示教(控制機(jī)器人按照規(guī)劃的路徑行走,該過程進(jìn)行之后機(jī)器人將按照規(guī)劃的路徑自動(dòng)作業(yè))效率低下成為影響機(jī)器人利用率的主要因素,特別是對于半掛車這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型龐大的產(chǎn)品(普通車長即達(dá)到10 m以上,且包含眾多鋼結(jié)構(gòu)和板簧支架等子結(jié)構(gòu)),示教效率更低。通常,一臺半掛車的在線示教需要5個(gè)工作日,期間不能生產(chǎn),這嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。因此,探索效率更高的工業(yè)機(jī)器人示教方式是亟需解決的關(guān)鍵問題。

        2 工業(yè)機(jī)器人編程方式

        工業(yè)機(jī)器人編程包括在線示教和離線示教兩種方式[3]。目前,在線示教被絕大多數(shù)企業(yè)采用[2], 如上所述,在線示教影響生產(chǎn)且效率低下[1]。而離線示教是通過仿真的手段構(gòu)建整個(gè)工作場景的三維虛擬環(huán)境。根據(jù)待加工零件的大小、形狀,自動(dòng)生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后在軟件中調(diào)整軌跡,最終生成操縱機(jī)器人作業(yè)的程序。離線示教可在不用停產(chǎn)的前提下完成機(jī)器人的示教,因此優(yōu)于在線示教[4]。

        針對離線示教,國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)及廠家開展了大量的研究。江南大學(xué)田媛采用Robotmaster進(jìn)行管板焊接路徑仿真,利用生成的加工代碼完成了焊接空行程軌跡再現(xiàn)試驗(yàn)[5],驗(yàn)證了Robotmaster在路徑規(guī)劃與離線編程方面的準(zhǔn)確性與可靠性;同濟(jì)大學(xué)的馬淑梅、羅曦 、 李 愛平等人通過對船首外表面及平面、凹曲面、凸曲面、S型曲面的仿真分析,驗(yàn)證了噴涂機(jī)器人曲面噴涂軌跡離線規(guī)劃方法的可行性和有效性[6]。

        然而,對于半掛車這種體型龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,目前國內(nèi)外機(jī)器人離線示教方面的研究較少。一方面是由于產(chǎn)品加工工藝相對粗糙,產(chǎn)品質(zhì)量一致性難以保證,導(dǎo)致離線仿真失真率偏高;另一方面,以噴粉作業(yè)為例,產(chǎn)品隨著傳送鏈運(yùn)轉(zhuǎn),仿真過程中必須增加移動(dòng)的外部軸,要求仿真在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行示教編程。以上兩點(diǎn)是半掛車噴粉離線編程的主要難點(diǎn)。

        因此,本文針對以上兩點(diǎn),利用Robotmaster離線仿真軟件(試用版),以某半掛車的噴涂作業(yè)為研究對象,通過設(shè)置機(jī)器人與粉房的相對位置,定義工件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和設(shè)置外部軸等步驟,構(gòu)建了噴涂產(chǎn)線的三維虛擬模型,開展了半掛車噴粉的作業(yè)仿真,驗(yàn)證了噴粉機(jī)器人離線示教的可行性。本文提出的應(yīng)用Robotmaster軟件對機(jī)器人離線示教的方法,可為提高半掛車噴粉效率,降低示教成本提供借鑒。某工廠粉房布局圖如圖1所示。

        3 Robotmaster軟件及操作流程介紹

        RobotMaster是一款大型通用機(jī)器人離線編程仿真軟件,由加拿大Jabez軟件公司開發(fā)。這款軟件可以兼容絕大多數(shù)市面上主流的工業(yè)機(jī)器人[7],在Mastercam中集成了模擬機(jī)器人作業(yè)的編程、仿真和代碼生成等功能,可大幅提高機(jī)器人焊接、噴涂等作業(yè)的示教效率。

        圖 1 某工廠粉房布局圖

        Robotmaster中噴涂離線仿真編程的操作流程如圖2所示。首先將工件CAD圖紙導(dǎo)入Mastercam,然后根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)規(guī)劃加工路徑,再啟動(dòng)Robotmaster進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,生成運(yùn)動(dòng)軌跡,再根據(jù)仿真結(jié)果,優(yōu)化路徑,調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)。若出現(xiàn)奇異點(diǎn)、碰撞等現(xiàn)象,則需重新規(guī)劃路徑,最后導(dǎo)出程序并進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證。

        圖2 Robotmaster操作流程

        4 建模、求解與優(yōu)化

        4.1 模型導(dǎo)入

        Robotmaster可兼容各種格式的三維模型,如IGES、STEP,同時(shí)包含UG、 SolidWorks等軟件的直續(xù)模塊。在仿真前必須將實(shí)際工況的場景導(dǎo)入軟件,包括機(jī)器人模型、障礙物模型、工具模型等。

        對于有外部軸的機(jī)器人,在建立模型時(shí)需要導(dǎo)入滑塊和軌道,如圖3所示。圖3中,機(jī)器人安裝于滑塊上,該部分為可動(dòng)部分;軌道為基座,為固定部分。

        圖3 滑塊和軌道

        4.2 路徑規(guī)劃

        路徑規(guī)劃就是設(shè)置合理的路徑,使機(jī)器人在噴粉的過程中根據(jù)路徑作業(yè)。對于噴粉,路徑規(guī)劃包括設(shè)置刀路、生成路徑、調(diào)整噴槍角度。軟件包含Moldplus和刀路設(shè)置兩種路徑規(guī)劃模式,前者簡單快捷,后者更多應(yīng)用于數(shù)控加工,適合特定應(yīng)用場景,比如銑削、鉆孔等。對于噴粉的應(yīng)用,一方面精度要求沒有數(shù)控加工那么高,另外很多噴涂盲區(qū)需要人工進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整,因此選擇Moldplus模式。該模式有三種設(shè)置方式:根據(jù)邊角設(shè)置、根據(jù)曲線設(shè)置以及人工手動(dòng)規(guī)劃。手動(dòng)規(guī)劃時(shí),選取起點(diǎn)和終點(diǎn)即可確定一條路徑,由于路徑有形狀要求,在選取過程中需要按住控制鍵(例如按下L生成直線)以保證路徑的成型。圖4中粗線部分為生成的路徑,細(xì)實(shí)線為進(jìn)刀和退刀(即工具進(jìn)入和退出路徑)路線。

        圖4 路徑規(guī)劃

        4.3 姿態(tài)調(diào)整

        路徑設(shè)置完成后,針對一些特殊曲面的噴粉作業(yè),需要對工具的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。Robotmaser姿態(tài)調(diào)整在Vector Tilt界面(如圖5所示)進(jìn)行,角度方向可以在Side和Lead/Lag里調(diào)整,其中Side值表示在XZ平面內(nèi)角度設(shè)定,如圖5(a)所示,Lead/Lag值表示在YZ平面內(nèi)角度設(shè)定,如圖5(b)所示。對于不同的零件結(jié)構(gòu)可以設(shè)置合適的角度組合。

        5 半掛車噴粉應(yīng)用解決方案

        5.1 機(jī)器人參數(shù)設(shè)定

        圖5 姿態(tài)調(diào)整

        為了保證噴粉仿真的正確性,需根據(jù)實(shí)際的工作條件,在軟件中設(shè)置機(jī)器人與工具的型號以及機(jī)器人與工件的相對位置。本文以某工廠半掛車的噴粉作業(yè)為例,對其進(jìn)行機(jī)器人離線編程示教,該實(shí)例中機(jī)器人的位置參數(shù)如表1所示。

        表1 某工廠機(jī)器人在粉房中的位置參數(shù)

        表1中,開洞尺寸為機(jī)械手在粉房活動(dòng)窗口的尺寸(如圖6(a)所示),該窗口一定程度上限制了機(jī)械手的活動(dòng)空間,因此,在導(dǎo)入模型時(shí),必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置障礙物模型,使得障礙物與機(jī)器人的位置關(guān)系和實(shí)際一致,否則生成的執(zhí)行程序與實(shí)際工況會有很大差異,發(fā)生碰撞的可能性極高。

        根據(jù)圖6(a)中的機(jī)器人布局和粉房窗口,在軟件中建立了如圖6(b)所示的模型。采集到機(jī)器人在粉房中的參數(shù)后,在全局窗口中定義工件與機(jī)器人的位置關(guān)系。令X、Y、Z為工件相對于以機(jī)器人為原點(diǎn)的坐標(biāo)系的偏移位置,W、P、R為工件相對于X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)角度,修改這些偏移位置和旋轉(zhuǎn)角度可以調(diào)整工件的姿態(tài)。為了保證半掛車架的姿態(tài)與實(shí)際工況一致,將W和R分別設(shè)置為90°和-90°。

        根據(jù)機(jī)器人與粉房的位置參數(shù)定義坐標(biāo)值:實(shí)際粉房的寬度尺寸D=2 280 mm,工件中心離地面高度H=1 200 mm,上述都為實(shí)際測量得到。Z的計(jì)算公式為:

        圖6 機(jī)器人布局

        X的計(jì)算公式為:

        以機(jī)械手RS50N為例進(jìn)行設(shè)置說明,將表1中的數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)可得Z=-460 mm,X=2 240 mm。

        工件相對于機(jī)械手沿Y向移動(dòng),因此Y的值為0。由于工件初始為水平放置,實(shí)際工況中工件以豎直狀態(tài)沿傳動(dòng)鏈移動(dòng),此處需要將其沿Y軸旋轉(zhuǎn)90°,因此P值應(yīng)該調(diào)整為90°。

        5.2 添加外部軸

        Robotmaster軟件不能對工件添加運(yùn)動(dòng)參數(shù),因此仿真時(shí)工件在整個(gè)虛擬環(huán)境中是固定的。然而,在實(shí)際加工過程中,工件是隨著傳送鏈勻速運(yùn)動(dòng)的。為模擬該加工過程,可在建模時(shí)將工件固定,將機(jī)器人設(shè)置為反向勻速運(yùn)動(dòng)來反映兩者的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系。據(jù)此,在對機(jī)器人建模時(shí),可以給機(jī)器人添加外部軸,賦予其一定的運(yùn)動(dòng)速度,如圖7所示,機(jī)器人的速度與實(shí)際加工過程中工件的運(yùn)動(dòng)速度大小相等,方向相反。

        圖 7 添加外部軸

        5.3 計(jì)算并生成運(yùn)動(dòng)軌跡

        參數(shù)設(shè)定完畢后,啟動(dòng)計(jì)算,Robotmaster自動(dòng)生成機(jī)器人噴粉的作業(yè)程序。但未經(jīng)優(yōu)化的作業(yè)程序常出現(xiàn)碰撞點(diǎn)和奇異點(diǎn)。碰撞點(diǎn)指的是機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中與零件或障礙物發(fā)生碰撞的點(diǎn);奇異點(diǎn)指的是機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)械臂在該點(diǎn)處失去一些自由度,無法實(shí)現(xiàn)某些運(yùn)動(dòng),或者角速度無限大,運(yùn)動(dòng)失控等。

        對噴粉作業(yè)進(jìn)行仿真,計(jì)算結(jié)果表明出現(xiàn)奇異點(diǎn),此時(shí)運(yùn)動(dòng)停止,根據(jù)該處機(jī)械手運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可發(fā)現(xiàn),機(jī)械手臂的4軸和6軸的軸線共線,如圖8所示。

        圖8 4軸和6軸軸線共線

        為了優(yōu)化路徑與機(jī)械手姿態(tài),可將噴槍傾斜的范圍調(diào)整到±20,重新啟動(dòng)計(jì)算,得到圖9中的結(jié)果。圖9中,中線表示點(diǎn)位序號,豎直軸(-180~180)表示工具角度,紅色區(qū)域表示出現(xiàn)奇異的區(qū)域??梢园l(fā)現(xiàn),圖中曲線與紅色部分依舊存在干涉現(xiàn)象,還存在奇異點(diǎn),因此必須進(jìn)一步解決奇異點(diǎn)問題。

        圖 9 調(diào)整工具姿態(tài)后狀態(tài)

        此時(shí),可以在奇異處增加跳轉(zhuǎn)點(diǎn),然后手動(dòng)拖拽曲線,避免紅色部分與曲線發(fā)生干涉,再次啟動(dòng)計(jì)算,直到線的顏色變?yōu)榫G色,即表示一切正常,解決了奇異點(diǎn),完成了路徑的優(yōu)化,結(jié)果如圖10所示。

        圖 10 優(yōu)化后狀態(tài)

        6 仿真程序驗(yàn)證

        路徑和機(jī)械手姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化后,重新計(jì)算,生成新的運(yùn)動(dòng)程序,點(diǎn)擊播放,執(zhí)行該程序代碼。程序運(yùn)行過程可以看到執(zhí)行機(jī)構(gòu)(噴槍)的運(yùn)動(dòng)軌跡,與設(shè)置路徑完全吻合,并顯現(xiàn)出噴涂處特征,如圖11所示,并且整個(gè)過程不再出現(xiàn)碰撞和奇異點(diǎn)。圖中工件有色部分為噴涂后的效果,效果良好。

        圖 11 仿真效果圖

        7 結(jié)語

        本文基于Robotmaster離線仿真軟件,對典型半掛車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真,初步證實(shí)了離線仿真在某工廠粉房實(shí)施的可行性。若將離線仿真軟件運(yùn)用在半掛車行業(yè),有望實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴粉的離線編程,提高自動(dòng)化生產(chǎn)的效率。

        然而,Robotmaster離線仿真在半掛車行業(yè)噴粉的應(yīng)用上,還有以下幾點(diǎn)有待研究:

        a.噴粉路徑規(guī)劃不合理可能會產(chǎn)生無法彌補(bǔ)的碰撞點(diǎn)和奇異點(diǎn)。如何開發(fā)路徑自檢模塊從而指導(dǎo)軟件用戶進(jìn)行全局路徑重規(guī)劃是一個(gè)待解決的關(guān)鍵問題;

        b.目前,Robotmaster軟件在模擬中發(fā)生碰撞時(shí)不能自動(dòng)規(guī)避碰撞并設(shè)計(jì)新的路線,只能通過人工干預(yù)的方法解決。如何開發(fā)自動(dòng)局部路徑重規(guī)劃從而避免碰撞是一個(gè)較好的研究方向。

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