基于三维模型的涂胶轨迹生成方法研究

樊义康，叶敏，吴强，陈杰，梅雪川，林粤科

（1.国机智能科技有限公司，广州 510700；2.国机智能（苏州）有限公司，苏州 215134；3.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640）

0 引言

涂胶在工业领域内有着广泛运用，如汽车领域等，目前涂胶技术包括人工涂胶和自动涂胶两种方式。人工涂胶采用操作工手持涂胶枪对工件涂胶的方法，这种方法对操作工操作要求高，劳动量大，效率低，而且胶线质量无法保证，无法达到工艺要求。对于机器人自动涂胶，目前常运用于较为规则的平面或曲面涂胶；在自由曲面涂胶方面，涂胶轨迹生成较为复杂，机器人涂胶运动波动性较大，影响胶线质量[1]。

使用机器人对自由曲面工件进行自动精确涂胶，获得与工件曲面一致的仿形轨迹是难点。在涂胶领域，一般使用轮廓线法，对轮廓线进行等距偏移获取所需要的涂胶轨迹[2]。生成运动轨迹后进行工业机器人轨迹编程，机器人速度和插补方式也直接影响着胶线质量。相应的，目前关于采用轮廓线法生成涂胶胶线的研究较少，也较少对机器人涂胶过程中的运动性能进行分析，导致涂胶过程中胶线质量不高[3]。

本文运用YASKAWA公司的离线编程软件MotoSim EG-VRC，以MOTOMAN机器人作为涂胶机器人，运用CAM功能进行轨迹生成和离线编程；并通过两等距曲线求交点的方法对轨迹的不可导点进行适当优化，进行离线仿真分析机器人在涂胶过程中的运动学性能，最后通过涂胶实验进行验证，以期为机器人进行精准涂胶提供准确轨迹。

1 涂胶轨迹生成

1.1 轨迹生成过程

本文中对汽车扰流板进行涂胶，使用轮廓线法生成轨迹。涂胶部位为扰流板内表面，如图1所示；以扰流板的一条外轮廓线为基准轮廓线向工件内部水平等距偏移10mm、垂直偏移2mm后作为涂胶轨迹，如图2所示；其中黑色线为扰流板轮廓线，蓝色线为涂胶线。MotoSim EG-VRC软件内的轨迹规划其可以根据目标轨迹自动生成机器人运动学逆解，使机器人沿目标轨迹运动，从而完成涂胶工艺。该生成涂胶轨迹的流程图如图3所示。

图1 某汽车扰流板工件实物图

图2 工件轮廓线与涂胶线

图3 轨迹生成流程图

1.2 涂胶系统仿真平台的搭建

本文运用MotoSim EG-VRC软件建立涂胶系统工作站。首先在SolidWorks软件中建立扰流板工件和涂胶工装的三维模型，将扰流板工件的三维模型转换为STL格式的文件，再将上述模型导入到MotoSim EGVRC软件中；采用MOTOMAN品牌的六自由度工业机器人，并添加适当的外围安全设备和操作人员模型。如图4所示为涂胶系统的离线仿真模型。

图4 涂胶系统离线仿真模型

根据涂胶轨迹所需要的运动范围、胶枪作为机器人末端执行件的负载及涂胶速度和精度要求，对工业机器人进行选型；最终确定选用MOTOMAN-HP20DA00型号六自由度机器人，选用DX100型号控制系统，其机器人的主要参数和D-H参数如表1、2所示[4]。添加好胶枪后在胶枪末端设置工具坐标系，并运用TCP Reach功能检测机器人安装胶枪后TCP的可到达范围，根据机器人的TCP可到达范围对扰流板工件和涂胶工装进行定位，确定其定位位置。

表1 MOTOMAN-HP20D-A00机器人主要参数

表2 MOTOMAN-H20D-A00机器人连杆D-H参数

1.3 CAM 功能的轨迹生成

为保证机器人能准确涂胶，要求如下：根据三维模型中的自由曲面生成曲面轨迹；其次是运用曲面轨迹生成机器人涂胶轨迹和程序指令进行机器人运动性能分析，使机器人涂胶运行平稳；同时也需要使胶枪轴向始终与工件保持垂直，保持胶枪嘴与工件的垂直距离一定，在胶线转弯部分合理设置速度，从而控制胶线质量。

在MotoSim EG-VRC软件内，可运用CAM功能进行机器人运动轨迹生成；通过选择曲面上的轮廓线，自动或手动设置插补方式、配置机器人运动系数等操作，生成相应的机器人运动运动轨迹和指令[5]。

打开CAM功能，首先创建一个工作项目，拾取扰流板工件轮廓线上的一条边线后，可自动拾取与之相连的边线，并设置一个与边线相连的面为示教点的法平面，如图5所示；拾取结束后进行轮廓线偏置操作，将所选轮廓线进行水平等距偏移10mm、垂直偏移5mm，并设置胶枪姿态；根据所选第一条边线自动生成工件坐标系；完成设置各段轨迹的插补方式、机器人运动系数等操作，如表3，将指令同步到机器人模型内，即可生成由示教点组成的运动轨迹。如图6所示。其中为局部放大图，红色线为运动轨迹，黑色箭头为末端工具的姿态与示教点，绿色线方向为示教点在运动轨迹上的切线方向。

图5 取边线与法平面

图6 生成的示教轨迹

如图2的轴对称扰流板工件，所以文中只对其中一半的轨迹设置各段轨迹的插补方式、机器人运动系数等操作，如表3。由于在轨迹出现拐点和转弯的地方，如果胶枪通过的速度较慢，则容易出现胶水堆积、胶线过粗的情况，因此在拐点和转弯部分会适当的加速[6]。

表3 各段轨迹的插补方式

1.4 轨迹优化

对生成的轨迹和示教点进行观察发现，如图7（a）中黄色线框内的转角处运动轨迹，此处轨迹非平滑过度，曲线斜率存在较大突变，两曲线连接点不可导；相对于轮廓线偏移方向，该转角部分向内凹陷。CAM功能在这种情况下只能对两条轮廓线分别进行等距偏移，但未对两条等距偏移后的曲线进行合并和修剪，导致出现多余的运动轨迹，所走轨迹与预期轨迹不一致。

图7 轨迹偏差局部图

针对上述多余轨迹的问题，运用以下等距线生成方法建立数学模型，通过限定区间的方式对曲线不可导的点进行优化。等距曲线在轨迹生成、数控加工等领域有着广泛运用，常用的方法有两种，一种为精确的有理曲线法和，另一种为近似的曲线逼近法[7]。以下运用精确的有理曲线法进行轨迹优化。

已知连续可导等距曲线的生成方法如下，假设有平面曲线方程为f( )x,y=0，变形为参数方程如下：

则其距离该平面曲线为d的等距曲线方程为：

由（3）式求解出两曲线的交点（X,Y），根据交点对两条曲线进行定义区间，使交点（X,Y）作为两条等距偏移后曲线的公共端点。

运用上述等距曲线求交点的方法生成的轨迹如图8（a）所示，将交点处的转弯区精度等级设置为最高级PL=8，交点处可平滑过度；其轨迹如图8（b）所示。优化后的等距曲线轨迹无多余运动路径，形状与工件轮廓形状相似；且轨迹连续平滑过度，满足涂胶轨迹的稳定性要求。

图8 优化后轨迹图

2 仿真性能分析

2.1 涂胶轨迹

在MotoSim EG-VRC软件中运用Simulation模块进行涂胶轨迹仿真，开启碰撞检测及轨迹追踪，并观察TCP点的运动速度，如图9（a）所示。在仿真过程中未出现碰撞、干涉现象，运行速度平稳；如图10所示，运动轨迹平滑未出现偏离点、误差点，胶枪末端的TCP位姿求解正确。

图9 仿真过程

图10 仿真生成的胶线轨迹

2.2 机器人运动性能

运用MATLAB对各关节的脉冲、扭矩和TCP速度曲线进行绘制，如图 11（a）（b）（c）所示；可知整个涂胶过程中，每个关节运动相对比较平稳，没有出现不连续的现象，说明机器人在涂胶过程中无奇异点[10]。结合涂胶轨迹与脉冲、扭矩曲线可知，在轨迹转角与圆弧段，由于机器人在运动过程中同时也需要进行姿态调整，使各关节脉冲值与扭矩会发生一定波动，且波动在允许范围内；TCP点的速度可保持在10mm/s～17mm/s的范围内，运动较稳定。该机器人在此轨迹涂胶过程中，运动性能良好，满足涂胶功能需求。

仿真确认涂胶轨迹和各运动性能无误后，可通过Motocom32通讯软件或U盘向机器人控制柜导入程序指令文件，控制机器人按照规划轨迹进行涂胶作业[11]。

3 涂胶验证实验

3.1 实验目的

测出涂胶轨迹距离边缘的偏差、涂胶高度偏差，并算出涂胶轨迹与目标轨迹重合度，为Rˉ2=0.9831精准涂胶提供基础。

3.2 实验步骤

（1）打开机器人、气泵，并将上述软件中生成的轨迹导入机器人中。

（2）放入工件，执行机器人涂胶操作。

（3）测出涂胶轨迹平均高度和胶线中心距离边缘平均差值，并算出实际轨迹与软件中预设轨迹之间的重合度。

（4）多次重复步骤（2）、（3），求出平均值。

3.3 实验数据

3.4 实验结果

分析实验数据可得，涂胶轨迹高度偏差最大值为0.04mm，平均值为0.012mm，距离边缘偏差最大值为0.04mm，平均值为0.022mm，重合度最低值为94%，平均值为96.6%。

图11 各关节脉冲、扭矩和TCP速度曲线图

涂胶实验数据如表4所示。

表4

4 结语

本文运用MotoSim EG-VRC离线编程软件生成涂胶轨迹，对轨迹进行适当优化使涂胶轨迹平滑过度，并进行仿真分析和涂胶质量验证实验。结果表明，对基于三维模型生成的涂胶轨迹进行优化后，机器人在涂胶过程中动力输出稳定，无振动现象，且关节速度和TCP速度稳定；涂胶轨迹与目标轨迹重合性为96.6%，胶线高度偏差为0.012mm，胶线中心距边缘偏差为0.022mm，故本论文所述涂胶轨迹生成方法所做实验满足涂胶精度要求。