喷涂机械臂轨迹规划控制系统设计

刘 波，高清冉

（济源职业技术学院，河南济源 459000）

为了满足各企业的实际应用需求，需要将轨迹规划算法与实际生产的喷涂工艺相结合，实现对喷涂机械手的轨迹自动规划控制。以前，喷涂机器人的轨迹都是根据现场工作人员的指导，设定参数，再进行最优的喷涂轨迹，而不同的外形和形状的工件，则需要重新设计，这对提高效率是非常不利的。而且，重复而又繁琐的工作，会让工作人员更加疲惫。轨迹规划控制系统能够实现对喷涂机器人手臂的操作进行控制，能够对喷漆的尺寸进行精确的控制，从而实现对复杂表面的喷涂，并实现了对工件喷涂过程的监测，实现了轨迹规划与监测的综合效应。该轨迹规划控制系统能有效地减少传统的手工指导作业，提高作业、管理的效率，保证作业的安全性。

1 体系结构

为了适应生产和使用的需要，本文对轨迹自动规划控制系统进行了分析。机器人的轨迹自动规划控制系统主要由两个主要内容组成：工件的喷涂过程实时监测和离线喷涂轨迹的设计。在此基础上，给出了喷涂机器人的自动轨迹规划系统的结构。喷涂机器人手臂包括4台喷涂底漆、6台喷涂色漆、4台喷涂清漆，共计14台ABBIRB5400喷涂机械臂。离线喷涂轨迹设计是根据轨迹生成的，然后是工件三维模型的获取、工件曲面的分析、喷涂轨迹的设计、喷涂线路的离线仿真。各功能模块分别设计了相应的用户界面，便于操作人员进行流程化的设计。根据通用化的方法，软件分为两个层面：接口层面和数据处理层面。

在C++语言和QT 架构的基础上，开发了机械手喷涂轨迹自动规划控制系统，见图1。

图1 自动规划喷枪机器人的轨道设计体系

2 喷涂过程监测

2.1 生产线轨迹运行监测

针对所要研究的目标，自动规划喷涂机器人的轨迹规划控制系统需要对工件的位置进行分析和监测。在喷涂工艺中，悬架的位置信息是一个非常关键的环节，它的位置和喷枪的位置以及喷涂过程中的位置信息都是由喷涂的轨迹信息来决定的。

该系统能实时、直观地将喷涂过程的状态呈现在显示屏上，便于操作人员对被喷工件进行色彩转换的准确掌握，并能有效地减少工作人员的往返操作，有效地防止了油漆喷涂过程中的有毒气体泄漏，从而提高了作业效率。作业挂车的位置，直接关系到喷漆机械手能否正常工作。在图2中显示了监控过程。在此过程中，在工件挂车达到预定位置时，喷漆机器人就会开始工作。根据计划的轨道进行操作。在进行喷漆作业时，挂车会减速、低速、匀速行驶。喷涂机器人根据参数设置的参数，进行了反馈控制，使喷涂机器人能够与轨道配合工作。

图2 喷涂监测过程

图3显示了挂车地面轨道的操作控制原理，在挂车到达预定的位置时触碰到了红外线传感器，向控制主部件发送信号。指令传至CPU，由CPU 进行操作控制，喷涂机器人便会发出脉冲讯号至伺服驱动器。操作导轨与喷漆机械臂一起工作，电机转速由转速伺服运算来控制，然后由转速反馈进行相关的反馈校正，使之达到稳定的输出。

图3 挂车地轨运行控制

2.2 喷涂机械手的操纵

本文采用ABB 公司的IRB5400喷涂机械臂作为研究对象。机器人的运动控制是西方国家最先提出的。20世纪70年代，斯坦福大学的机器人控制语言小组首先提出了WAVE 语言的概念，它是通过对运动和力量的分析，与人工智能方法相结合来实现的。

该系统可以利用离线程序进行编程，然后在计算机上对其进行仿真，经过模拟和优化后与CPU 相连。位置感应器对工件挂车的就位进行检测，一旦发现，就进行喷漆。如果半成品挂车还没有达到预定的地点，则继续等待。图4为喷涂控制流程。

图4 喷涂系统的流程

2.3 离线喷涂轨迹设计

离线喷涂轨迹设计主要由工件三维模型获取、喷涂轨迹设计、离线模拟模拟三个方面构成。该系统利用QT 框架建立了喷涂轨迹图形用户界面，该界面是在Robot Studio机器人手臂控制软件上进行二次开发，实现了工件的自动识别和轨迹规划。

在QT 编程中，该软件的图形接口尺寸设定为1 920*1 080，能够满足普通计算机的要求。图5中显示了喷涂机器人的轨道规划程序接口。其中，序号①是选择喷涂机械手臂的设备，当前只能选择IRB5400型喷涂机械手臂；序号②是工件3D 模型的导入，当前只能导入STL；序号③是轨道计划的起始和随后的轨道窗口；序号④是一个异常信号的反馈窗口；在整个信息列中，如果工件的识别有异常或轨道计划的问题。序号⑤为柔性控制选项窗，包含了两种抖动处理方法，分别是：力-位相混合控制和自适应控制。

图5 喷漆机器人的轨道规划端口界面

2.4 工件三维建模

工件三维建模是实现工件轨迹规划的首要环节，它可以将工件的三维模型直接引入到喷塑件模型中。GUI 接口呼叫Robot Studio 标识工件应用系统，具有相同的系统特性，同时也为以后的计划提供了一个简洁的计划。在图形用户界面的左下角，利用QPush Button 组件产生导入按钮，并将其与父类组件连接。

当前，只有在副接口中引入STL 格式的模型，才能对工件模型进行正确的识别。导入保险杠模型视窗，可清楚地显示所导入的STL 格式保险杠模式，见图6。

图6 保险杠模型视窗

2.5 轨道生成单元

在整个软件系统中，轨道产生模块是一个非常关键的部分，它以这个为中心，展示窗口位于软件的中部偏上。通过采集到的零件的参数，可以根据需要选择合适的喷漆机器人。引入力位混合控制或自适应控制，并对运动轨迹进行了优化，降低了机械手的摆动。图7中显示了轨迹生成接口。

图7 轨迹生成

利用五次多项式插值方法，在机器人Studio 工作站上建立GUI 接口连接系统模块，然后通过Robot Studio 软件实现对应的喷涂轨迹。

3 结论

设计了一种用于喷涂机器人的轨迹规划控制系统。该系统主要分为两个方面：流水线作业监测与离线作业跟踪。在生产中，动态喷涂轨迹的设计与生产线的操作速度密切相关，其中的轨道规划也包括在内。本系统基于Robot Studio 软件的二次开发，采用QT 软件开发了喷漆用户界面。利用该系统对喷涂轨迹进行了优化，并将其用于工业喷涂软件Shop Floor Editor 中，实现了喷涂过程的规划和喷涂过程的仿真。