砂芯浸涂機器人作業(yè)程序的優(yōu)化與操作應用技巧

廣西玉柴機器股份有限公司 （玉林 537000） 鄭海彪

一、概述

砂芯浸涂是鑄造行業(yè)中的重要工序之一。隨著現(xiàn)代鑄造業(yè)裝備自動化程度的不斷提高，砂芯浸涂工序越來越多地應用工業(yè)機器人來實現(xiàn)。目前，在我公司鑄造廠砂芯浸涂的上下料等工序操作中，普遍使用工業(yè)搬運機器人來替代人工浸涂工藝。機器人砂芯浸涂工作效率高，砂芯表面涂料均勻，同時可以大幅減輕員工的勞動強度，改善員工的作業(yè)環(huán)境。

機器人的砂芯浸涂系統(tǒng)一般是在機器人末端（6軸）安裝夾持工件（砂芯）的夾具，機器人控制器按照砂芯的浸涂工藝要求，根據作業(yè)程序規(guī)劃運行機器人的空間路徑，完成期望的砂芯自動浸涂工序。同時，為了完成砂芯在浸涂后的涂料甩干動作，機器人安裝夾持工件的夾具自身帶有翻轉機構，由伺服電動機提供動力，即帶有外軸運行的機器人應用系統(tǒng)。一般來說，ABB機器人的外軸定義為機器人的第七軸（M7），而目前應用于砂芯浸涂系統(tǒng)（包括許多的搬運系統(tǒng)）的機器人多為有外軸的機器人應用系統(tǒng)，如圖1所示。

有外軸的機器人砂芯浸涂系統(tǒng)，從應用特點及工作性能上來看，一方面，使得機器人的位姿（位置姿態(tài)）、運行路徑規(guī)劃得到簡化，大幅提高了機器人作業(yè)的靈活性；另一方面，由于外軸與機器人本體整合在一起，由同一個機器人控制器控制，此類的機器人應用系統(tǒng)，就我廠的實際情況來看（工件重量大，夾持位置空間小），對外軸的結構剛度、重復定位精度提出了較高的要求，因此，外軸的機械磨損、干涉碰撞等都可能引起機器人整體性能的下降甚至損壞。本文通過我公司鑄造廠的砂芯浸涂機器人作業(yè)程序的應用特點，分析討論了有外軸機器人在砂芯浸涂作業(yè)中程序的優(yōu)化、位姿修改及外軸發(fā)生異常動作時的一些操作應用技巧。

二、砂芯浸涂機器人作業(yè)過程描述

1. 砂芯浸涂機器人應用系統(tǒng)的結構

我公司鑄造廠砂芯浸涂系統(tǒng)由ABBIRB7600型重載搬運機器人及夾具、組芯旋轉平臺、涂料池、放芯輥道托盤、清洗池等主要子系統(tǒng)組成。

2. 砂芯浸涂機器人的作業(yè)過程

在砂芯浸涂機器人系統(tǒng)中，IRB7600型機器人的作業(yè)動作分為取芯、浸芯、放芯及清洗夾具等4個部分，并把4部分流程編寫為相應的4個子程序來進行控制機器人的動作。首先分析我廠常用機型的砂芯浸涂作業(yè)過程，圖2描述了機器人應用系統(tǒng)的整個作業(yè)過程，分別為：①完成取芯作業(yè)，并運動到涂料池上方（見圖2a）。②浸涂砂芯，甩干涂料后調整位姿準備放芯（見圖2b）。③放芯，完成后調整位姿回程序原位，進行下一個作業(yè)循環(huán)（見圖2c）。④完成上述3步作業(yè)后（由程序數據設定），進入清洗池清洗夾具上的涂料，完成后回原位（見圖2d）。這樣，機器人周而復始地按照作業(yè)程序運行上述幾步過程，直到完成作業(yè)任務。

在機器人的上述作業(yè)過程中，砂芯的準確抓取及浸涂完成后的涂料甩干、砂芯平穩(wěn)放置和夾具夾頭的清洗均由外軸自主完成，機器人本體僅作位置姿態(tài)的調整和運動，并且通過更換外軸夾具的夾頭形狀，可以實現(xiàn)多種機型的砂芯浸涂作業(yè)任務。在本例中，完成整個作業(yè)循環(huán)過程，有賴于外軸的結構剛度和其重復定位精度。夾頭及砂芯夾持位置形狀如圖3所示。

外軸的夾具兩端必須保證在同一直線上，這點由夾具的整體結構剛度來實現(xiàn)，是比較容易的，而夾具夾頭上的榫頭與砂芯夾持位置要嚴格配合套在一起，則必須要涉及到外軸的重復定位精度了。

目前，表述機器人精度的指標有機器人重復定位精度和絕對定位精度。IRB7600型機器人本體的重復定位精度為0.08~0.09mm，完全可以滿足砂芯浸涂的作業(yè)要求。機器人的絕對定位精度一般描述的是機器人末端器具（外軸）實際位姿與理想位姿的誤差。在本例中，在示教工作條件下，機器人的主要性能指標為其外軸的重復定位精度，機器人夾具要求準確地以一定姿態(tài)重復到達示教位置方能完成任務。在砂芯浸涂作業(yè)過程中，由于機型的更換、空間位置等的因素，機器人外軸位姿需不斷調整，因此，對機器人的絕對定位精度即外軸的重復定位精度提出了較高的要求。

三、砂芯浸涂機器人作業(yè)程序分析

1. 作業(yè)程序描述

首先分析一種常用機型的砂芯浸涂機器人作業(yè)程序，本實例采用機體車間第3套砂芯浸涂程序為例，包括取芯、浸芯、放芯三個子程序（其中清洗夾具子程序動作較為簡單，在此不作探討）均為廠家按ABB機器人傳統(tǒng)編程模式編寫的作業(yè)程序：在每個子程序中均頻繁編寫了ActUnit M7（開啟外軸電動機M7）、DeactUnit M7（關閉外軸電動機M7）；同時在程序中對作業(yè)路徑的中間點及目標點設置較為簡單，對機器人的運行速度v、轉彎半徑z等程序數據處理不能適應實際使用工況。其中的取芯子程序注釋如下（其余程序編寫格式基本一致不再列出）。

PROC rPickSand；取芯程序：

ActUnit M7； 開起外軸電動機（M7）；

…；

DeactUnit M7; 關閉外軸電動機；

MoveL p2,v800,z50, tGripper；

MoveL p3 ,v100 , f ine ,tGripper；

…；

MoveL Offs(p3,0,0,60),v100,z50, tGripper；

MoveL Offs(p3,0,-300,500),v200,z50,tGripper；

ActUnit M7； 開起外軸電動機；

…；

DeactUnit M7； 關閉外軸電動機；

ENDPROC； 取芯程序結束。

機器人在前期運行上述的作業(yè)程序時，基本上無大的問題出現(xiàn)。但隨著浸涂的砂芯機型、重量的不斷更改，定位工裝更改和變形，砂芯表面涂料堆積，機器人外軸的長期運行帶來的機械磨損導致精度下降，以及機器人路徑點規(guī)劃的不合理等因素的出現(xiàn)，機器人在作業(yè)過程中出現(xiàn)了諸如：“程序執(zhí)行負荷過高”、“轉角路徑故障”、“關節(jié)速度錯誤”、“程序執(zhí)行處自發(fā)性錯誤狀態(tài)”等報警故障信息，甚至出現(xiàn)了外軸電動機運行電流過大導致機器人不能動作的重大事故，嚴重影響機器人應用的效率，使機器人應用的整體性能明顯下降。

經分析研究，發(fā)現(xiàn)產生上述問題的原因如下：

（1）作業(yè)程序中，頻繁執(zhí)行開起、關閉外軸電動機的動作，由于外軸電動機啟停之間不可避免的滯后性，加劇了外軸的機械磨損，降低了外軸夾頭的重復定位精度。

（2）作業(yè)程序中，沒有考慮砂芯機型重量的變化對機器人搬運過程中的離心沖擊力帶來的危害，長期運行導致機器人的整體性能下降。

（3）作業(yè)程序中，機器人的中間點和目標點規(guī)劃不夠合理，再者，在調整外軸夾具的位姿時，位置不合適，外軸受到壓逼，導致機器人應用效率降低。

因此，根據砂芯浸涂機器人應用系統(tǒng)的實際作業(yè)要求，有必要對其作業(yè)程序、作業(yè)位姿、作業(yè)路徑等進行優(yōu)化及重新規(guī)劃，以使機器人在長期運行中仍能保證外軸的相應精度及其良好的整體性能。

2. 作業(yè)程序優(yōu)化

對機器人作業(yè)程序的優(yōu)化，其實質是要消除機器人的錯誤報警信息，保持機器人長期可靠運行，同時，對有外軸運行的這一類機器人應用系統(tǒng)來說，外軸的空間位姿、作業(yè)點（中間點與目標點）的規(guī)劃及調整，也是主要的優(yōu)化對象。基于砂芯浸涂機器人的作業(yè)環(huán)境要求，其作業(yè)程序優(yōu)化、機器人本體、外軸空間位姿等的修調（調整）均是利用Flexpendant示教器用“示教編程”的程序生成方式生成機器人作業(yè)的動作順序。

經優(yōu)化后的砂芯浸涂機器人取芯作業(yè)子程序如下（其余子程序優(yōu)化方法一致）。

PROC rPickSand；取芯程序：

ActUnit M7；

AccSet 50, 50；增加Accset指令，使機器人運行更平穩(wěn)；

…；

!DeactUnit M7；備注該程序段（機器人將不執(zhí)行該動作，以下同）；

…；

MoveL Offs(p3,0,0,60),v100, f ine, tGripper；由中間點改為目標點（f ine），因是線性偏移；

MoveL Offs(p3,0,-300,500),v200, f ine, tGripper;

由中間點改為目標點（f ine），因是線性偏移；

!ActUnit M7；備注該行，已執(zhí)行；

…；

!DeactUnit M7；備注該行；

WaitTime 0.5；增加等待0.5s指令；

ENDPROC； 取芯程序結束。

砂芯浸涂機器人作業(yè)程序優(yōu)化的幾點說明：

（1）在作業(yè)程序中，特別是外軸電動機關閉、夾頭氣缸開關的程序段等，一般來說，不作刪除處理，利用示教器的備注功能即可，機器人在運動時，不會執(zhí)行備注段的程序動作，主要是考慮到在修調機器人位姿時有時會應用到該段程序帶來的便利。

（2）在作業(yè)程序中，理論上來說，程序數據v值越大，機器人運行越快，效率越高。對于搬運機器人來說，還應考慮程序數據中轉彎半徑z值，只要空間位置及外軸剛度足夠，z值越大，機器人的動作路徑就越圓滑與流暢，相應地，機器人的效率就越高。

（3）在作業(yè)程序中，合理規(guī)劃作業(yè)任務的中間點和目標點，即把z指令點修改為fine點，是有效消除“轉角路徑故障”報警信息及降低機器人控制器CUP運行負荷工況的手段之一。

（4）在作業(yè)程序中，Accset指令數據與工件的重量、體積有關，本文在此不逐一探討。

通過作業(yè)程序優(yōu)化后，機器人運行的結果表明，是能滿足砂芯浸涂作業(yè)任務的各方面要求的。

四、砂芯浸涂機器人位姿修改操作技巧

1. 取芯方式位姿修改操作

隨著砂芯機型的增加、組芯工裝的改變、改善工人勞動強度的要求等因素的出現(xiàn)，對機器人取芯方式的靈活性要求也越來越高。這樣，在不同的取芯方式下，機器人的位姿也不斷地要求調整。經分析總結，機體車間的機器人取芯方式主要是：外軸水平式夾持砂芯和豎立式夾持砂芯。其余的取芯方式基本是這兩種方式的變形而已，因此，對于機器人取芯方式位姿的修改主要是基于上述兩種方式的調整。值得注意的是，對于有外軸的機器人應用系統(tǒng)，因外軸電動機與機器人本體共用同一控制器，修改機器人位姿時，外軸電動機必須是在開起狀態(tài)下進行修改位置的設置才能被機器人接受，即要先運行程序段“ActUnit M7”，才可進行位姿的修改操作。

當要求機器人取芯方式改變時，充分利用原來的取芯方式進行快速調整姿態(tài)來滿足生產的需要，是在實際生產應用中經常采用的手段。當然，改變取芯方式的位姿也可以讓機器人從原位開始，利用Flexpendant示教器在手動控制下逐步調整取芯位姿。但這樣操作不僅耗時耗力，而且要考慮到機器人本體和外軸夾具的作業(yè)空間位置是否會出現(xiàn)干涉等一系列的問題，機器人操作應用效率十分低下。因此，在實際應用中，往往是利用現(xiàn)有的取芯方式姿態(tài)通過一定的簡便操作，取得新的取芯方式位姿。本文論述到的機器人應用系統(tǒng)的傾斜式取芯方式即是由水平式夾持砂芯動作通過合適的微調修改而得到的，如圖4所示。芯的作業(yè)程序名，此時，機器人的位姿是在所期望的位置上，但不在原位上。若直接進行更換作業(yè)程序名的操作，機器人將自動回到原位后才執(zhí)行，這樣是無法套用機器人位姿來調整新的取芯位姿的。因此，在需要套用機器人位姿并更換作業(yè)程序名的操作而且機器人已經運行到所需位置時，利用Flexpendant示教器的手動操控方式，控制機器人的位姿以線性運動方式（即X、Y、Z三軸聯(lián)動）往任意軸方向運動一定的行程（注意空間位置避免干涉），目的是破壞機器人執(zhí)行作業(yè)程序運行到的點的位置。這樣，在進行更換機器人作業(yè)程序名時，機器人控制系統(tǒng)認為此時是處于手動操控狀態(tài)，機器人將不執(zhí)行回原位后再更換作業(yè)程序名的動作，接著就可以進行機器人作業(yè)姿態(tài)的調整。

另外，在修改機器人外軸夾具取芯方式的位姿時，先修改目標點（終點）的位姿，再退出修改中間點（起點）的位姿，這樣的操作應用，有效地提高了機器人外軸的重復定位能力，在自動運行作業(yè)程序時，只要在中間點的位姿正確，則在目標點的位姿也一定正確。

2. 外軸數據丟失后的校準操作

砂芯浸涂機器人應用系統(tǒng)在作業(yè)運行時，受生產現(xiàn)場的條件及其他客觀因素等的影響，機器人可能會出現(xiàn)軸數據莫名丟失的故障。當軸數據丟失后，機器人的位置將停留在數據丟失處，在進行校準軸恢復軸數據的操作前，機器人是無法進行任何動作的。若是機器人本體的1～6軸中出現(xiàn)軸數據丟失的情況，可以就地進行軸校準再回軸的機械位置后，再次進行軸校準操作即可。但在有外軸的機器人應用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)擔負著多種不同機型砂芯浸涂的作業(yè)任務，當外軸的數據丟失后，按照常規(guī)的軸校準方法進行操作，則每種機型砂芯在浸涂作業(yè)時，都勢必要對作業(yè)任務中各個中間點和目標點的位姿進行重新示教修改，工作任務十分繁瑣，因此，有必要尋找一種更便捷的恢復外軸數據的校準操作方法。

在實際生產中，當機器人外軸數據丟失后，應保持此處的機器人位姿進行外軸校準，使得機器人能重新動作，然后，手動操控機器人外軸到達離此處最近的作業(yè)目標點，在目標點上進行外軸位姿的

新的機器人位姿套用其他作業(yè)程序的中間點或者目標點的位姿，涉及到了更換不同作業(yè)程序名的問題。機器人應用系統(tǒng)在作業(yè)程序的設計上，考慮到空間安全等因素，一般來說，當要更換不同的作業(yè)程序名時，總是要求機器人自動回到原位才能達到目的。本例中，在調整機器人傾斜式取芯位姿時，是使機器人先運行水平式取芯的作業(yè)程序，讓外軸夾具到達合適位置，然后更換所要的傾斜式取精確修改調整，使其合乎作業(yè)任務要求，保持修改好的機器人位姿，再進行外軸的軸校準操作。這樣的外軸數據恢復操作，實質上是找回軸數據丟失前外軸的比較準確的位姿，因此，在更換其他機型砂芯進行浸涂作業(yè)時，不必再對外軸位姿進行修改調整，從而提高了有外軸機器人系統(tǒng)的應用效率。

五、結語

通過描述有外軸機器人在砂芯浸涂作業(yè)任務中的實際應用，分析了機器人在該應用中的作業(yè)程序，提出了有外軸機器人應用系統(tǒng)的作業(yè)程序優(yōu)化、動作操作應用的方法。

當然，有外軸機器人應用系統(tǒng)的作業(yè)程序及作業(yè)過程有更豐富的內涵。但實踐表明，上述有外軸機器人應用系統(tǒng)的作業(yè)程序優(yōu)化及相關操作應用，特別是外軸軸數據丟失后的數據恢復方法，只要外軸的重復定位精度要求不高，對有外軸的機器人應用系統(tǒng)具有普遍的操作應用意義。