基于Robotmaster的半挂车机器人喷粉离线编程应用研究

2018-12-26张世炜吴沙李晓甫张智张修荣

专用汽车 2018年12期

张世炜吴沙李晓甫张智张修荣

中集车辆（集团）股份有限公司广东深圳 518067

1 前言

传统的喷涂工艺采用人工操作，效率低下且粉末浪费严重。随着工业机器人的普及和环保、安全要求的提升，工厂开始使用工业机器人进行喷涂。目前示教（控制机器人按照规划的路径行走，该过程进行之后机器人将按照规划的路径自动作业）效率低下成为影响机器人利用率的主要因素，特别是对于半挂车这种结构复杂、体型庞大的产品（普通车长即达到10 m以上，且包含众多钢结构和板簧支架等子结构），示教效率更低。通常，一台半挂车的在线示教需要5个工作日，期间不能生产，这严重影响生产效率。因此，探索效率更高的工业机器人示教方式是亟需解决的关键问题。

2 工业机器人编程方式

工业机器人编程包括在线示教和离线示教两种方式[3]。目前，在线示教被绝大多数企业采用[2]，如上所述，在线示教影响生产且效率低下[1]。而离线示教是通过仿真的手段构建整个工作场景的三维虚拟环境。根据待加工零件的大小、形状，自动生成机器人的运动轨迹，然后在软件中调整轨迹，最终生成操纵机器人作业的程序。离线示教可在不用停产的前提下完成机器人的示教，因此优于在线示教[4]。

针对离线示教，国内外众多研究机构及厂家开展了大量的研究。江南大学田媛采用Robotmaster进行管板焊接路径仿真,利用生成的加工代码完成了焊接空行程轨迹再现试验[5]，验证了Robotmaster在路径规划与离线编程方面的准确性与可靠性；同济大学的马淑梅、罗曦、李爱平等人通过对船首外表面及平面、凹曲面、凸曲面、S型曲面的仿真分析，验证了喷涂机器人曲面喷涂轨迹离线规划方法的可行性和有效性[6]。

然而，对于半挂车这种体型庞大，结构复杂的产品，目前国内外机器人离线示教方面的研究较少。一方面是由于产品加工工艺相对粗糙，产品质量一致性难以保证，导致离线仿真失真率偏高；另一方面，以喷粉作业为例，产品随着传送链运转，仿真过程中必须增加移动的外部轴，要求仿真在动态条件下进行示教编程。以上两点是半挂车喷粉离线编程的主要难点。

因此，本文针对以上两点，利用Robotmaster离线仿真软件（试用版），以某半挂车的喷涂作业为研究对象，通过设置机器人与粉房的相对位置，定义工件的运动参数和设置外部轴等步骤，构建了喷涂产线的三维虚拟模型，开展了半挂车喷粉的作业仿真，验证了喷粉机器人离线示教的可行性。本文提出的应用Robotmaster软件对机器人离线示教的方法，可为提高半挂车喷粉效率，降低示教成本提供借鉴。某工厂粉房布局图如图1所示。

3 Robotmaster软件及操作流程介绍

RobotMaster是一款大型通用机器人离线编程仿真软件，由加拿大Jabez软件公司开发。这款软件可以兼容绝大多数市面上主流的工业机器人[7]，在Mastercam中集成了模拟机器人作业的编程、仿真和代码生成等功能，可大幅提高机器人焊接、喷涂等作业的示教效率。

图 1 某工厂粉房布局图

Robotmaster中喷涂离线仿真编程的操作流程如图2所示。首先将工件CAD图纸导入Mastercam，然后根据工件的结构特点规划加工路径，再启动Robotmaster进行参数设置，生成运动轨迹，再根据仿真结果，优化路径，调整机械手姿态。若出现奇异点、碰撞等现象，则需重新规划路径，最后导出程序并进行现场验证。

图2 Robotmaster操作流程

4 建模、求解与优化

4.1 模型导入

Robotmaster可兼容各种格式的三维模型，如IGES、STEP，同时包含UG、 SolidWorks等软件的直续模块。在仿真前必须将实际工况的场景导入软件，包括机器人模型、障碍物模型、工具模型等。

对于有外部轴的机器人，在建立模型时需要导入滑块和轨道，如图3所示。图3中，机器人安装于滑块上，该部分为可动部分；轨道为基座，为固定部分。

图3 滑块和轨道

4.2 路径规划

路径规划就是设置合理的路径，使机器人在喷粉的过程中根据路径作业。对于喷粉，路径规划包括设置刀路、生成路径、调整喷枪角度。软件包含Moldplus和刀路设置两种路径规划模式，前者简单快捷，后者更多应用于数控加工，适合特定应用场景，比如铣削、钻孔等。对于喷粉的应用，一方面精度要求没有数控加工那么高，另外很多喷涂盲区需要人工进行规划调整，因此选择Moldplus模式。该模式有三种设置方式：根据边角设置、根据曲线设置以及人工手动规划。手动规划时，选取起点和终点即可确定一条路径，由于路径有形状要求，在选取过程中需要按住控制键（例如按下L生成直线）以保证路径的成型。图4中粗线部分为生成的路径，细实线为进刀和退刀（即工具进入和退出路径）路线。

图4 路径规划

4.3 姿态调整

路径设置完成后，针对一些特殊曲面的喷粉作业，需要对工具的姿态进行调整。Robotmaser姿态调整在Vector Tilt界面（如图5所示）进行，角度方向可以在Side和Lead/Lag里调整，其中Side值表示在XZ平面内角度设定，如图5（a）所示，Lead/Lag值表示在YZ平面内角度设定，如图5（b）所示。对于不同的零件结构可以设置合适的角度组合。

5 半挂车喷粉应用解决方案

5.1 机器人参数设定

图5 姿态调整

为了保证喷粉仿真的正确性，需根据实际的工作条件，在软件中设置机器人与工具的型号以及机器人与工件的相对位置。本文以某工厂半挂车的喷粉作业为例，对其进行机器人离线编程示教，该实例中机器人的位置参数如表1所示。

表1 某工厂机器人在粉房中的位置参数

表1中，开洞尺寸为机械手在粉房活动窗口的尺寸（如图6（a）所示），该窗口一定程度上限制了机械手的活动空间，因此，在导入模型时，必须根据实际情况设置障碍物模型，使得障碍物与机器人的位置关系和实际一致，否则生成的执行程序与实际工况会有很大差异，发生碰撞的可能性极高。

根据图6（a）中的机器人布局和粉房窗口，在软件中建立了如图6（b）所示的模型。采集到机器人在粉房中的参数后，在全局窗口中定义工件与机器人的位置关系。令X、Y、Z为工件相对于以机器人为原点的坐标系的偏移位置，W、P、R为工件相对于X、Y、Z的旋转角度，修改这些偏移位置和旋转角度可以调整工件的姿态。为了保证半挂车架的姿态与实际工况一致，将W和R分别设置为90°和-90°。

根据机器人与粉房的位置参数定义坐标值：实际粉房的宽度尺寸D=2 280 mm，工件中心离地面高度H=1 200 mm，上述都为实际测量得到。Z的计算公式为：

图6 机器人布局

X的计算公式为：

以机械手RS50N为例进行设置说明，将表1中的数据代入式（1）、（2）可得Z=-460 mm，X=2 240 mm。

工件相对于机械手沿Y向移动，因此Y的值为0。由于工件初始为水平放置，实际工况中工件以竖直状态沿传动链移动，此处需要将其沿Y轴旋转90°，因此P值应该调整为90°。

5.2 添加外部轴

Robotmaster软件不能对工件添加运动参数，因此仿真时工件在整个虚拟环境中是固定的。然而，在实际加工过程中，工件是随着传送链匀速运动的。为模拟该加工过程，可在建模时将工件固定，将机器人设置为反向匀速运动来反映两者的相对运动关系。据此，在对机器人建模时，可以给机器人添加外部轴，赋予其一定的运动速度，如图7所示，机器人的速度与实际加工过程中工件的运动速度大小相等，方向相反。