脫機pos機,基于離線編程技術的噴涂機器人第七軸開發

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本文目錄一覽：

1、脫機pos機

脫機pos機

鄭 悠1，2，方丹丹2，曾春年2

（1.寧波工程學院 電子與信息工程學院，浙江 寧波315000；2.武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢430070）

基于離線編程技術的噴涂機器人軌跡生成已成為噴涂機器人控制方法的發展趨勢。通過對現有的六軸機器人軌跡生成方案的分析和研究，提出了在噴涂軌跡設計中增加第七軸的方案。該方案通過改變六軸機器人的運動方式擴展了機器人的可達空間，使其能夠完成復雜工件曲面的噴涂。實驗結果表明，與傳統的六軸機器人軌跡生成方案相比，所提出的方案對于復雜曲面的噴涂效果更好，更適于實際工業應用。

離線編程技術；噴涂機器人；第七軸

中圖分類號：TP241；TP249

文獻標識碼：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.003

中文引用格式：鄭悠，方丹丹，曾春年. 基于離線編程技術的噴涂機器人第七軸開發[J].電子技術應用，2017，43(5)：15-20.

英文引用格式：Zheng You，Fang Dandan，Zeng Chunnian. Development of 7th axis of spray robot based on off-line programming[J].Application of Electronic Technique，2017，43(5)：15-20.

0 引言

隨著“中國制造2025”的進一步深化，行業自動化生產線的改造將朝著智能化生產方向發展，而這其中工業機器人的行業應用開發至關重要^[1]。由于熱噴涂的工況極其惡劣，通常伴隨有高溫、高壓、有毒氣體，而且工藝上對工件上涂層厚度的均勻度有著很高的要求，因此機器人已被廣泛用于熱噴涂生產中，代替人工以保證涂層的質量與噴涂的效率。

工業機器人編程主要有在線編程(On-line Programming)和離線編程(Off-line Programming)兩種方式^[2]。與在線編程相比，離線編程技術可以脫離現場環境進行機器人控制程序開發，無需中斷生產，同時通過離線的仿真驗證和優化，提高生產效率和質量。因此，國外許多機器人制造廠商均為自己生產的機器人提供了離線編程仿真軟件，如瑞典ABB 公司的Robot Studio、德國KUKA公司的KUKA SimPro、日本Fanuc公司的RoboGuide、日本安川公司的motosim-EG等。也有一些自動化系統集成商提供了Robot Art、Robot Master、Robot Works等第三方工業機器人的離線編程軟件^[3-5]。

對于噴涂機器人離線編程的研究中，噴涂機器人噴涂軌跡生成與優化是一個非常具有挑戰的難題^[6]。國內外主流的離線編程軟件的發開商和機器人制造廠商只是提供一個離線編程開發平臺或僅僅針對一些普通行業提出了相關解決方案，并未給噴涂這類特殊行業提供專門方案設計。目前，噴涂機器人噴涂軌跡生成與優化的研究大多來自于高?；蛘哐芯克?，研究成果也集中在根據噴槍和涂料的特性建立噴涂模型、根據機器人運動學特點設計和優化噴涂軌跡生成算法和碰撞檢測算法等方面^[7-9]。

隨著噴涂技術越來越多應用于航天航空、生物醫療等領域，噴涂工件也越來越復雜，例如，噴涂在工件的背面或噴涂在一個狹窄的工作腔體內，而現有的方案都是基于六軸機器人提出的，由于機器人工作空間的限制，僅能完成一些較為簡單或者單一的工件曲面的噴涂軌跡，不能用于上述的復雜場景。因此，本文提出在噴涂軌跡設計中在外部增加機器人第七個旋轉軸的方案，通過改變六軸機器人的運動方式擴展機器人的可達空間，克服機器人在熱噴涂過程中軸的運動限制，使其能夠完成復雜工件曲面的噴涂。

1 噴涂機器人的坐標體系

為了更好地理解第七軸的運動特性，首先必須引入機器人的坐標系統。在機器人系統，機器人程序中的所有位置存儲相關系統的笛卡爾坐標系。本文討論的對象是ABB六軸機器人，圖1是坐標系定義^[10]。

在機器人軌跡設計中，軌跡被定義為工具中心點（Tool Center Point，TCP）的移動路徑。在噴涂中，工具中心點一般定義在噴槍嘴的正前方對噴涂表面產生影響位置。因此，噴涂軌跡上每個點的位置實際就是工具中心點的位置，也就是說機器人的位置及其運動總是與工具中心點相聯系。在機器人編程中，通常使用坐標系或用戶定義的坐標系進行元素和對象的相互關聯。機器人通常包括世界坐標系、基座坐標系、用戶坐標系和對象坐標系^[8]。

2 噴涂機器人第七軸的選擇

目前在噴涂行業，主要采用六軸機器人進行噴涂。以ABB六自由度的關節型工業機器人IRB2400/16為例，其機身結構圖如圖2所示^[11]。

Axis1、Axis2和Axis3控制著機器人末端執行器手腕的位置，而Axis4、Axis5和Axis6控制著機器人末端執行器手腕的姿態。因此如果要通過增加第七軸擴展噴涂機器人的工作空間，只能通過在機器人外部增加運動軸的方式實現。

常用的工業機器人第七軸有導軌型第七軸和變位機型第七軸兩大類。導軌型第七軸即由機器控制的傳送帶，如圖3所示，機器人與導軌能同步運動。帶導軌第七軸通常應用于搬運、制造等領域^[12]。

變位機型第七軸即由機器控制的變位機，如圖4所示，工件可放在變位機轉盤上，通過旋轉可改變工件的姿態，從而大大增加機器人的工作范圍。變位機型第七軸比較適用于噴涂行業，本文中用到的也是此類型的第七軸^[13]。

變位機型第七軸也存在兩種運動類型：(1)第一種運動類型是變位機型第七軸由一個單獨的電氣調節器驅動，不受機器人控制器控制；(2)第二種運動類型是變位機型第七軸受機器人控制器控制，其運動與機器人的運動協調進行。

在第一種運動類型中，第七軸只能以恒定的速度或預設的速度旋轉，這導致整個機器人運動空間的擴展極其有限，因此只能用于對簡單曲面的軸對稱工件的噴涂中，例如圓筒形工件、長方體工件等。對于自由度較高的非對稱的復雜曲面的工件，需要變位機型第七軸可以被完全編程為特定的速度或角度，即協調的變位機型第七軸。本文也針對于此運動類型的變位機型第七軸進行應用開發的研究。

3 噴涂機器人第七軸的開發

3.1 開發環境

根據項目的需求及實驗條件要求，文中所實現的噴涂機器人第七軸的開發針對于ABB六自由度的關節型工業機器人在熱噴涂中的應用，其離線編程開發環境是RobotStudio機器人仿真平臺。為了提高開發效率，噴涂機器人第七軸的開發基于熱噴涂工具軟件包進行，該軟件包的說明可以在文獻[14]中找到。該軟件包能根據預設的噴涂路徑參數，對于復雜的平面工件或簡單的曲面工件，在噴涂工件的CAD模型上自動生成針對ABB六自由度的噴涂機器人的噴涂軌跡。

3.2 影響噴涂質量的重要運動學參數

在設計和優化噴涂軌跡中，噴涂角度、噴涂距離、工具中心點速度和路徑間隔距離等幾個影響噴涂質量的重要運動學參數是首要考慮的因素。圖5描述了各個運動學參數的含義。

噴涂角度是指噴涂射流軸線與工件表面切線之間的夾角。噴涂角度不能夠小于45°，否則會產生“遮蔽效應”，降低涂層的結合度，影響噴涂效果，故噴涂角度一般控制為60°～90°。噴涂距離是指噴嘴端面到工件表面的直線距離。工具中心點速度也就是噴槍移動速度，是指在噴涂過程中噴槍沿工件表面移動的速度。為了得到最大的沉積效率，機器人工具中心點的方向應該與噴涂工件路徑上每個點的方向垂直，但有時迫于機器人自身六個軸的局限性，機器人無法到達個別點，可以適當調整工具中心點的方向，使噴涂角度略小于90°。噴涂的距離和機器人的移動速度由工件表面形貌參數和對工件涂層的要求來確定。路徑間隔距離直接影響涂層的厚薄。對于同一個噴涂工件，在噴涂過程中機器人的運動學參數的穩定性直接影響著涂層的質量和效果。

3.3 第七軸的編程

在對噴涂機器人第七軸編程之前，首先需要在RobotStudio中創建機器人的第七軸。對于與ABB機器人配套的第七軸，RobotStudio可自動創建。只需要在RobotStudio中創建一個新的工作站，然后導入相應虛擬機器人和第七軸型號即可，如圖6所示^[15]。

如果所使用的第七軸沒有在RobotStudio庫中，需要手動創建器人的第七軸。利用RobotStudio的建模功能，對機器人第七軸的部件如旋轉軸和旋轉盤進行3D模型創建；再利用RobotStudio里面“創建機械裝置”功能創建第七軸，然后將有機器人第七軸參數的文件添加到虛擬機器人系統里面，第七軸的坐標系中心一般設在旋轉盤正中間的位置，如圖7所示^[13]。

完成第七軸的創建后，可在RobotStudio中編程實現第七軸的調用，具體算法和步驟如下：

(1)創建噴涂物體坐標系，并與機器人第七軸旋轉中心點位置重合。通過編程將該物體坐標系與機器人第七軸連接起來，確保第七軸移動過程中，機器人路徑跟隨被噴涂物體移動，從而路徑上每個點的三維坐標值保持不變。在RobotStudio中實現的核心代碼如下：

RsWorkObject wobj=stn.ActiveTask.ActiveWorkObject；

(2)接下來計算路徑上每個點的三維坐標值。假設pos1和pos2為噴涂路徑上相鄰的兩個點。軟件生成一條閉合曲線，利用API的GetPointOnBodyWire函數，可以得到第一個點pos1的三維坐標值。在RobotStudio中實現的核心代碼如下：

pos1=GetPointOnBodyWire(Edge, numbertarget,FirstStartPoint);

第二個點pos2的三維坐標可以通過空間關系由pos1計算得到，其代碼如下：

Pos2.x=pos1.x； Pos2.y=pos1.y；Pos2.z=pos1.z-H；

其中H為pos1和pos2在z軸方向的差值，噴涂面的剩余點坐標均可通過該辦法計算出。

(3)然后計算路徑上每個噴涂點的方向，噴涂點的方向(x，y，z)用3×3矩矩陣表示，其代碼如下：

Vector x=[0 0 -1]；Vector b=GetNormaltoSurface；

Vector z=-b；Vector y=z.cross(x)；

計算每個點的四元矩陣，確定點在空間的位置，pos1點實現代碼如下：

Matrix4 targetori1 = new Matrix4(x, y, z, pos1);

(4)計算第七軸值并設計第七軸角度。機器人第七軸總共可以啟用6個軸，即用來計算第七軸值API：

ExternalAxisValues(Eax_a Eax_b Eax_c Eax_d Eax_e Eax_f)；

本實驗中，啟用了第5個第七軸Eax_e，通過API函數設定第七軸旋轉的角度，其實現代碼如下：

ExternalAxisValues.Eax_e = Angle;

在使用協調第七軸時，為了使第七軸的轉動不影響噴涂質量，通常在工具中心點離開噴涂面時才轉動第七軸。也就是說第七軸的轉動角度可定義為器人路徑上在旋轉平面上相鄰兩點沿噴槍的方向的夾角。因為當工件固定在轉盤上時，相鄰兩點和工件的旋轉中心點的坐標軸即可已知，因此可通過余彌定理來計算相鄰兩點間第七軸應該轉動的角度。RobotStudio中基于第七軸的復雜曲面路徑生成的流程圖如圖8所示。

4 實驗和分析

為了分析第七軸的引入對噴涂效果的影響，設計了兩組實物噴涂對照實驗。兩組實驗的被噴涂工件一致，試驗場地、機器人運動學參數、熱噴涂工藝參數、熱噴涂材料等實驗條件也都保持一致，區別僅在于對工件進行噴涂中是否使用協調的變位機型第七軸。

被噴涂工件的結構如圖9所示，俯視呈水滴形，長為242 mm，最大寬為121 mm，高為96 mm。此工件僅在俯視面中心軸線對稱，噴涂面為不規則曲面，是一個較復雜的工件。工件的材質為鐵基材料，以方便利用鐵基涂層測厚儀測試非磁性涂層的厚度。

實驗場地如圖10所示，工件被放置在轉盤的中心，工件被噴涂的側面正對噴槍的噴嘴。實驗1是基于傳統六軸機器人的工作方式，即噴涂過程中不使用第七軸，轉盤保持不動；實驗2是基于使用機器人的自身的6個軸和外置的第七軸的工作方式，即噴涂過程中轉盤將通過變位機型第七軸與機器人其他6個軸聯動。機器人運動學參數和熱噴涂參數如表1所示。

在噴涂機器人工作過程中，由于粉末濃度、氣體流量等熱噴涂參數都基本保持固定，因此噴涂質量主要受噴涂角度、噴涂距離、工具中心點速度和路徑間隔距離等機器人運動學參數穩定性的影響，即保持機器人運動學參數的穩定能提高涂層厚度的均勻性。一般來說，噴涂距離和路徑間隔距離在噴涂軌跡設計中較容易控制穩定，而噴涂角度在實驗往往中無法實時地準確地獲取，因此通常把工具中心點速度的穩定性作為一個噴涂機器人噴涂軌跡優化效果的評價指標。

RobotStudio作為專業的ABB機器人仿真平臺，能提供與實際運行高度吻合的機器人運動學參數仿真結果。因此本實驗通過建立與真實實驗環境完全一致的虛擬實驗環境，如圖11所示，并仿真噴涂過程的方法來獲取近似的工具中心點的移動速度的變化。

在RobotStudio開發平臺中，基于熱噴涂工具軟件包，分別生產了實驗1和實驗2兩個不同條件下的噴涂機器人涂軌跡。機器人的涂軌跡通?？蛇x擇沿垂直路徑移動或沿水平路徑移動。對于本實驗中的工件，沿垂直路徑移動的方案較好。因為通過RobotStudio仿真發現，當噴槍的運動是上下直線運動時，其運行速度相對會保持平穩。此外，根據程序的設定，當協調的第七軸轉動時，工具中心點正處在工件的外面的運動緩沖區中，因此機器第七軸的旋轉不會影響噴涂的效果。

圖12是實驗1的噴涂軌跡。由于機器人六軸的運動空間的限制，無法一次性完成全部曲面的噴涂工作。因此只能在完成一側曲面的噴涂工作后，人工將工件旋轉180°，再以同樣的方法完成另一側的噴涂。

圖13是實驗2的噴涂軌跡。由于加入了協調的第七軸，機器人的運動空間被擴大，因此可以一次性完成整個曲面的噴涂工作。

在噴涂實驗前，工具中心點的移動速度的變化已通過RobotStudio平臺仿真近似得到（根據測試，工具中心點的移動速度在仿真中軟件平臺的輸出值與在實際運動中機器人控制器的輸出值之間的偏差不超過5%）。圖14是在實驗2中15個噴涂周期的工具中心點速度的變化情況，采集時間的45 s左右。從圖中可以看出，在噴涂時，大部分的工具中心點的速度都能保持在預設值500 mm/s左右，僅有少部分點低于500 mm/s。通過進一步細節分析發現，這些工具中心點的速度基本都是機器人在工件外緩沖區內加速或減速時采集的，因此不會對噴涂質量造成影響。

圖15是在實驗1中工具中心點速度的變化情況。為了更好地闡述現象，特地選取了一個水平往返運動（即2個噴涂周期）的數據行進分析。從圖中可以看出，在噴涂時，由于機器人運動空間的限制，工具中心點運動至工件兩側時，其速度大幅下降至400 mm/s左右。通過進一步分析發現，當工具中心點位于工具噴涂曲面上時，所有采集的速度中有近一半的值低于500 mm/s。而且根據以往的經驗，當工具中心點速度下降時，其噴涂角度也往往無法保持90°的最優值。因此通過以上分析可以預測，在實驗1中工件兩側的涂層質量應該會比較差。

為了驗證以上分析，在實物噴涂實驗結束后，利用Elcometer 456涂層測厚儀測量工件上涂層的厚度。工件的側面水平周長約為58 cm，每間隔0.5 cm取一點，可獲得在水平邊沿均勻分布的115個間隔點。由于噴涂時工具中心點是沿垂直方向的軌跡運動，因此在每個間隔點沿垂直方向的涂層厚度大致一樣。為了降低實驗誤差和測量誤差，在涂層厚度計算中分別選取每個間隔點沿垂直方向上高、中、低3個位置點，每個位置點的涂層厚度測量5次，最后把這15個厚度測量值取平均即為該間隔點的平均測量厚度。由于起始時噴槍相對于工件表面是從右至左移動，因此在實驗數據分析中，定義工件左側的尖端為數據起始端。

圖16和圖17分別是實驗1中的涂層厚度分布情況和實驗2中涂層厚度分布情況。由圖可見，實驗1中，工件中央的涂層厚度較為均勻，而兩側由于機器人運動空間限制的影響，涂層質量大幅下降。而實驗2中涂層厚度較為均勻，厚度基本保持在630 μm左右，僅在工件右側尖峰處涂層質量有明顯的下降，這是因為在工件右側尖峰處垂直噴涂面極為狹窄，涂料無法有效地附著。這個結論也與之前在工具中心點速度仿真中的分析結論相符。實物噴涂實驗結果表明與傳統的六軸機器人軌跡生成方案(實驗1條件)相比，本文提出的方案(實驗2條件)復雜曲面的噴涂效果更好，更適于實際工業應用。

5 結論

本文提出了一種基于離線編程技術的噴涂機器人第七軸的噴涂軌跡生成優化方案，旨在通過引入協調的第七軸擴展噴涂機器人的運動空間，使其能夠完成復雜工件曲面的噴涂。

文中介紹了該方案在RobotStudio ABB機器人仿真平臺上的應用開發方法，并通過兩個熱噴涂的對照實驗說明了在面對復雜曲面工件時，噴涂機器人第七軸的引入確實能優化工具中心點的速度，從而提高工件的噴涂質量。因為本文提出的噴涂軌跡生成優化方案是基于機器人運動學的特點，因此也適用于其他公司的噴涂機器人，因此具有較高的工程實用性。

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