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。