□ 馮 焱 □ 楊 振 □ 曾氫菲 □ 劉雪梅 □ 胡小才

1.同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804 2.上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 研究背景

在船舶工業(yè)中,涂料保護作為廣泛應用的船體鋼材免受腐蝕的簡易有效手段,具有重要作用。當前,在國內(nèi)船舶涂裝領域,船舶涂裝裝備的機械化、自動化程度不高,涂裝作業(yè)主要采用人工噴涂方式。人工噴涂需要長時間高強度工作,涂料揮發(fā)和噪聲等對現(xiàn)場工人的身心健康會有負面影響。人工噴涂的精度較低,會造成噴涂作業(yè)的返工率高,制約生產(chǎn)力的提高和生產(chǎn)能耗的降低。隨著人力成本的上升和環(huán)保意識的提高,使用機器人來完成噴涂作業(yè)已成為造船業(yè)的共識及關注焦點。

在進行噴涂作業(yè)前,需要對船舶噴涂機器人發(fā)出命令,規(guī)定其應執(zhí)行的動作和噴涂作業(yè)的內(nèi)容,這一過程涉及機器人的示教和編程。不使用實際作業(yè)機器人,脫離實際作業(yè)環(huán)境生成示教數(shù)據(jù)的方法稱為離線編程法[1]。離線編程法使用機器人的相關模型和智能算法對機器人進行仿真,通過計算機圖形學得到機器人的規(guī)劃軌跡,確定預定義的環(huán)境與設置的基本參數(shù)是否恰當,從而提高工作的安全性和效率,降低風險。當基本方案制訂后,可以優(yōu)化和改善機器人的動作順序,通過模擬技術(shù)完成測試和評估,輕松地進行維護、修改和記錄。伴隨著離線編程法的應用,產(chǎn)生了一批機器人離線編程系統(tǒng),筆者對船舶噴涂機器人離線編程系統(tǒng)進行研究。

2 船舶噴涂機器人離線編程系統(tǒng)功能

船舶噴涂機器人離線編程系統(tǒng)的功能是根據(jù)所導入的船舶噴涂面尺寸與幾何特征,進行噴涂路徑規(guī)劃及噴涂參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化,在人機交互界面中將噴涂的過程和效果可視化,并給出船舶噴涂機器人操作所需的指令文件,從而實現(xiàn)船舶噴涂機器人的離線編程與仿真,達到提高船舶噴涂質(zhì)量、效率,降低噴涂成本的目的。一般而言,船舶噴涂機器人離線編程包括幾何建模、基本模型庫建立、運動學建模、工作單元布局、路徑規(guī)劃與檢測、自動編程、多機協(xié)調(diào)編程、仿真與標定等內(nèi)容。

設計船舶噴涂機器人離線編程系統(tǒng),需要學習船舶噴涂機器人工作過程,以及幾何學、運動學、動力學知識[2],建立船舶噴涂機器人和工作環(huán)境三維模型,進行船舶噴涂機器人運動仿真,基于傳感器信息進行軌跡規(guī)劃,實現(xiàn)通信功能,并具有人機交互界面功能。

3 機器人離線編程系統(tǒng)分類

目前,國內(nèi)外常見的機器人離線編程系統(tǒng)有三種,分別為支持標準機器人的通用型機器人離線編程系統(tǒng)、針對專有機器人開發(fā)的專用型機器人離線編程系統(tǒng)、計算機輔助設計軟件插件。

3.1 通用型機器人離線編程系統(tǒng)

通用型機器人離線編程系統(tǒng)一般由第三方軟件公司負責開發(fā)和維護,可以支持多款標準機器人的仿真、軌跡編程和后置輸出。典型的通用型機器人離線編程系統(tǒng)功能見表1。

通用型機器人離線編程系統(tǒng)的優(yōu)點是可以支持多款標準機器人,但是對特種機器人的支持力度不如專用型機器人離線編程系統(tǒng)。

3.2 專用型機器人離線編程系統(tǒng)

專用型機器人離線編程系統(tǒng)一般由機器人本體設計公司、高校或其它機構(gòu)開發(fā),用于為用戶提供配套的技術(shù)支持和解決方案。

RobotStudio是瑞士ABB公司針對所生產(chǎn)的機械臂推出的離線編程系統(tǒng),建立在虛擬控制器上,復制有實際機器人控制器中的程序和配置文件,可以進行非常真實的仿真。用戶應用RobotStudio,不但可以在實際構(gòu)建機器人系統(tǒng)之前就進行設計和試運行,而且可以確認機器人是否能夠到達所有編程設定的位置。RobotStudio工作界面如圖1所示。

▲圖1 RobotStudio工作界面

RoboGuide是日本發(fā)那科公司針對所生產(chǎn)的機械臂推出的離線編程系統(tǒng),可以自動產(chǎn)生參考程序,校準仿真與實際機械臂的誤差,具有碰撞檢測功能,并釆用了虛擬控制器技術(shù)。RoboGuide常用的仿真模塊有ChamferingPRO、HandlingPRO、WeldPRO、PalletPRO、PaintPRO等。RoboGuide工作界面如圖2所示。

▲圖2 RobotStudio工作界面

KUKA SIM是庫卡公司針對所生產(chǎn)的機器人定制的離線編程系統(tǒng),特點是在項目早期階段可以為生產(chǎn)設備創(chuàng)建理想的布局圖。在KUKA SIM中,能夠用拖拽方式方便地將數(shù)據(jù)庫中的智能組件設置于所需位置上,可以基于較小的成本檢查、驗證方案?？蛻舨捎肒UKA SIM,基于虛擬現(xiàn)實插件,置身于虛擬現(xiàn)實中,體驗設備方案。KUKA SIM工作界面如圖3所示。

表1 典型通用型機器人離線編程系統(tǒng)功能

在國內(nèi),一些科研機構(gòu)針對自身設計的機器人開發(fā)了專用型機器人離線編程系統(tǒng)。相比國外已投入商用的專用型機器人離線編程系統(tǒng),國內(nèi)這些專用型機器人離線編程系統(tǒng)的應用對象較為具體,在系統(tǒng)構(gòu)建方面具有一定的相通性。國內(nèi)主要專用型機器人離線編程系統(tǒng)見表2。

▲圖3 KUKA SIM工作界面

表2 國內(nèi)主要專用型機器人離線編程系統(tǒng)

3.3 計算機輔助設計軟件插件

自行開發(fā)機器人離線編程系統(tǒng)是一個龐大工程,將耗費大量人力與資金,導致開發(fā)的重點不能全部放在軌跡提取、優(yōu)化等方面,極大提高了機器人離線編程系統(tǒng)的開發(fā)難度,限制了機器人離線編程系統(tǒng)的開發(fā)效率。近年來,計算機輔助設計軟件的功能越來越強大,實體模型的幾何信息越來越容易獲得,以現(xiàn)有成熟計算機輔助設計軟件為底層依托,以插件形式存在的機器人離線編程系統(tǒng)越來越具有可行性。

4 噴涂機器人離線編程系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1986年,Klein[3]首次將離線編程技術(shù)應用于噴涂機器人。1991年,Suh等[4]開發(fā)了ATPS,用于解決噴涂機器人的路徑規(guī)劃問題。RobotWorks是典型的以計算機輔助設計軟件插件形式存在的噴涂機器人離線編程系統(tǒng),基于SolidWorks軟件二次開發(fā),通過多個標準接口進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,具有生成軌跡方式多樣、支持多種機器人、支持外部軸等特點,可以生成多種機器人程序,功能強大。

在國內(nèi),北京航空航天大學吳瑞祥等[5]開發(fā)了機器人離線編程系統(tǒng),包含機器人圖形仿真系統(tǒng)、機器人運動學與動力學算法,以及機器人通信接口,可以對從傳送帶上抓取銷子插入孔中的動作和噴涂作業(yè)進行規(guī)劃。華南理工大學周青松聯(lián)合廣州數(shù)控設備有限公司[6-7],以SolidWorks軟件為平臺,開發(fā)了噴涂機器人離線編程系統(tǒng),能夠根據(jù)導入的工件和系統(tǒng)自動生成的機器人模型完成對工件表面噴涂點的設定,以及機器人關節(jié)運動指令文件的生成與傳輸。沈陽航空航天大學郭世輝[8]利用CATIA Automation和 CAA VC++技術(shù),提出一種噴涂機器人離線編程系統(tǒng),能夠?qū)娡繖C器人進行噴涂軌跡自動生成和運動仿真,可以用于飛機進氣道噴涂的離線編程。

針對復雜曲面的噴涂,華南理工大學張莉[9]以SolidWorks軟件為開發(fā)平臺,構(gòu)建了噴涂機器人的設備模型,應用SolidWorks軟件提供的應用程序接口函數(shù)實現(xiàn)了模型的重構(gòu)和運動仿真。針對大型鋼結(jié)構(gòu)件噴涂作業(yè)任務,東南大學徐龍[10]基于Visual Studio環(huán)境,在SolidWorks軟件中開發(fā)了多機器人噴涂智能編程系統(tǒng),實現(xiàn)了多機器人噴涂作業(yè)建模、參數(shù)優(yōu)化、軌跡生成、任務規(guī)劃、效果顯示等功能。

5 船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng)

5.1 概述

當前,噴涂機器人在汽車工業(yè)涂裝領域應用較多,有關的理論研究和實踐也相對充分,但很多方法、設備及研究所依據(jù)的理論、所采用的模型、所得到的結(jié)論對船舶行業(yè)并不一定完全適用。船舶分段的目的是縮短造船周期?？梢愿鶕?jù)船體結(jié)構(gòu)特點、船廠生產(chǎn)條件和建造施工工藝要求,將船體合理劃分為若干個由板材和型材組合而成的,具有獨立裝配單元屬性的船體結(jié)構(gòu)區(qū)段。與汽車等噴涂對象不同,船舶分段具有尺寸大、通用性差、特殊結(jié)構(gòu)節(jié)點多等特點。在同一艘船舶中,各個部位的分段承擔了不同的功能,這些分段種類繁多,結(jié)構(gòu)、形狀各不相同,給標準化作業(yè)帶來諸多不便。另外,不同于船舶外板噴涂,船舶分段中有許多結(jié)構(gòu)密閉的艙室,噴涂時可能揮發(fā)的易燃易爆或有毒有害涂料、溶劑會對工人造成明顯的健康危害,并產(chǎn)生安全隱患。由此可見,開發(fā)一種能夠在大尺寸范圍內(nèi)活動,適應任務多樣性的船舶分段噴涂機器人及其離線編程系統(tǒng),替代人工噴涂,顯得尤為重要。

為了能夠最大程度提高系統(tǒng)性能和可靠性,縮短開發(fā)周期,船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng)以市場主流SolidWorks三維機械設計軟件的獨立插件形式進行開發(fā)。

在計算機輔助設計軟件中,SolidWorks軟件功能強大,成熟可靠,并且可以提供數(shù)量豐富的應用程序接口供用戶定制專屬的動態(tài)鏈接庫。SolidWorks軟件二次開發(fā)語言支持VBA、C++、C#。C#作為較新的可運行于.NET Framework框架的高級程序設計語言,既具備C++的強大功能,又具備VBA的簡潔特點,適用于船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng)的開發(fā)[6]。筆者采用Visual Studio作為C#語言的集成開發(fā)環(huán)境。

5.2 系統(tǒng)架構(gòu)

在對船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng)功能進行分析的基礎上,設計系統(tǒng)架構(gòu),如圖4所示。按照功能需求,船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng)由四個模塊組成,分別為噴涂設備建模模塊、噴涂過程建模模塊、噴涂軌跡規(guī)劃模塊、噴涂過程仿真模塊。

▲圖4 船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng)架構(gòu)

5.3 噴涂設備建模

船舶分段是組成船體整體的中間產(chǎn)品,按外形可分為平面分段、曲面分段、立體分段等,按部位可分為甲板分段、舷側(cè)分段、艙壁分段、底部分段、艏艉分段等。噴涂機器人為在三自由度移動桁架吊下的平臺上橫向安置的一款IRB-52型六軸機器人,在噴涂機器人末端安裝有同方向并列的四個噴槍。IRB-52型六軸機器人是一款緊湊型機器人,質(zhì)量為250 kg,體形小巧,工作范圍大,可以在狹小空間內(nèi)實施自動化噴涂,手腕部分最大負載為7 kg,能夠有效滿足多槍噴涂的需求。船舶分段及噴涂機器人建模如圖5所示。

將船舶分段的計算機輔助設計模型導入,然后使用SolidWorks軟件的實體重建功能,對通用中間格式模型進行轉(zhuǎn)換,并導入噴涂機器人裝配體文件。根據(jù)船舶分段的輪廓特征點計算工件實際位置相對于離線編程系統(tǒng)位置的偏移量,將偏移量換算至軟件系統(tǒng)坐標系,以實現(xiàn)工件在離線編程系統(tǒng)中與實際環(huán)境中的位置標定,完成噴涂過程顯示及指標數(shù)據(jù)測算。在確定噴涂機器人各單元的相對位置后,提取工件模型的幾何特征,為后續(xù)工作做好準備。

▲圖5 船舶分段及噴涂機器人建模

5.4 噴涂過程建模

在給定噴涂方式下分析噴涂環(huán)境參數(shù)、涂料特性參數(shù)、噴槍參數(shù)、工件幾何參數(shù)、噴涂軌跡參數(shù)對噴涂效果的影響,建立貼近實際情況的漆膜厚度分布模型。在實際噴涂過程中,噴涂環(huán)境參數(shù)、涂料特性參數(shù)、噴槍參數(shù)一般是固定的,對噴涂效果產(chǎn)生影響的主要是工件幾何參數(shù)和噴涂軌跡參數(shù)。通過對模型各待定參數(shù)進行擬合,完成漆膜厚度分布模型的建立[11-13]。通過試噴試驗來驗證模型中各參數(shù)的設置合理與否,并根據(jù)噴涂面幾何參數(shù)對模型進行適當修正,從而在離線編程系統(tǒng)中模擬出工件表面的涂料分布情況。

5.5 噴涂軌跡規(guī)劃

在噴涂作業(yè)中,由于船舶分段的尺寸通常很大,而噴涂機器人的可達范圍有限,因此需要在噴涂表面上進行分片操作,分割出多個結(jié)構(gòu)簡單且適合路徑規(guī)劃的子片。中間格式的船舶分段模型經(jīng)過SolidWorks軟件轉(zhuǎn)換,得到的是基于非均勻有理B樣條造型方式的參數(shù)化曲面。通過SolidWorks軟件應用程序接口對工件特定噴涂面提取點、線、面等的幾何參數(shù),進行加工處理,便可以得到子片的幾何信息,完成對噴涂面的曲面分片。在每個子片上規(guī)劃出初始路徑,根據(jù)平行次數(shù)、轉(zhuǎn)折點數(shù)、最短分段長度三個標準判斷初始路徑的優(yōu)劣,再根據(jù)噴涂目標對初始路徑上的噴涂參數(shù)采用多目標進化算法進行調(diào)整優(yōu)化[14-16],最后根據(jù)優(yōu)化后的噴涂參數(shù)在噴涂面上生成噴槍路徑點。

5.6 噴涂過程仿真

在噴涂過程仿真中,根據(jù)所生成的噴槍路徑點,通過機器人逆運動學理論解算出噴涂機器人各個關節(jié)的角度[17-18]?；赟olidWorks軟件的運動功能對噴涂機器人的運動進行仿真,檢測出奇異點,對噴涂軌跡微調(diào)以通過這些奇異點。噴涂過程仿真時,顯示噴涂機器人的運動參數(shù),為噴涂機器人的功耗和機械損耗等指標提供判斷依據(jù)。噴涂過程仿真結(jié)束后,對原噴涂目標函數(shù)進行計算,進而判定噴涂質(zhì)量是否滿足要求。

6 結(jié)束語

近年來,噴涂機器人的結(jié)構(gòu)設計和電氣控制技術(shù)日益成熟完善,憑借著高質(zhì)量、高效率、低成本的優(yōu)勢,噴涂機器人已經(jīng)應用于制造業(yè)的各個領域。筆者對現(xiàn)有船舶噴涂機器人離線編程系統(tǒng)進行研究,提出了一種船舶分段噴涂機器人離線編程系統(tǒng),設計了系統(tǒng)架構(gòu)和各模塊功能,以達到提高噴涂質(zhì)量、噴涂效率和節(jié)約噴涂成本的目的。