移動懸掛箱體噴涂機器人編程技術研究

（安川首鋼機器人有限公司技術中心，北京100176）

0 前言

噴涂機器人是工業生產中重要的涂裝設備。與手工噴涂相比，機器人噴涂的精確度更高，可以提高涂料利用率和產品質量、降低成本。另一方面，涂裝車間的涂料懸浮顆粒、揮發性溶劑等都對人工噴涂操作工的健康有害[1]。因此，充分利用噴涂機器人來提高效率、降低成本和減少危害是整個涂裝業的發展方向。

目前，大多采用手工示教的方法對噴涂機器人編程。該方法存在一些弊端：（1）對于小批量多品種的產品，示教工作量大；（2）噴槍的位姿選擇很大程度上取決于操作工人的涂裝經驗，對示教人員的技術要求較高；（3）示教過程中生產線需要暫停，對于較復雜的工件，可能需要花費大量時間，降低了包括機器人在內的整條生產線的使用效率。

針對以上弊端并結合工件形狀規則、僅尺寸變化的特點，安川首鋼機器人有限公司開發了一款專門用于移動懸掛箱體噴涂系統的工業機器人自動離線編程軟件。在此介紹機器人運動奇點問題以及軟件的設計和使用情況。

1 機器人奇點

1.1 機器人奇點問題產生的原因

6軸串聯機器人存在一個不可避免的特性，就是奇點。在奇點時，無法通過逆向運算將笛卡爾坐標系轉化為軸的角度，如式（1）所示，并且笛卡兒坐標系內一點微小變化都會引起軸角度的劇烈變化[2]。

6軸串聯關節機器人有3種奇點：腕部奇點、肩部奇點、肘部奇點。腕部奇點發生在4軸和6軸重合或平行時；肩部奇點發生在腕部中心（見圖1中C點）位于1軸旋轉中心線時；肘部奇點發生在腕部中心和2軸、3軸共面時（見圖2）[2-3]。本研究提及工況所涉及奇點問題以腕部奇點為主。

圖1 工業機器人各軸關節與腕部中心（C點）

當機器人以笛卡爾坐標系運動并經過奇點附近時，TCP點（Tool Center Point，工具中心點）的路徑速度會顯著減慢，某些軸的速度會突然變得很快。日本株式會社安川電機生產的Motoman工業機器人在奇點附近時，TCP點速度會有所減慢，若軸速過快會有段超出報警并停機。因此，需避免此類問題發生。

圖2 機器人奇點

1.2 解決機器人奇點問題的主要方法

為了避免機器人軌跡經過奇點附近造成軸速的劇烈變化，主要采取以下兩種方法。

（1）插入脈沖示教點。

奇點只存在于軌跡運動中，而由各軸脈沖值表示的示教點可控制機器人直接到達唯一位置和姿態，無需逆運算，即不存在奇點問題。故根據規劃好的軌跡，通過選定合理的脈沖示教點，可以避免機器人在后續噴涂過程中發生奇點問題。

（2）修改MOVL指令為MOVJ。

MOVL是兩點間直線運動的指令，MOVJ是兩點間軸關節運動的指令。此方法僅適用于無需走直線的情況，機器人會按照內部底層算法自行調整出合理的軌跡和姿態，避免運動到奇點及其附近位置。

2 機器人系統的構成及特點

2.1 機器人系統的構成

整套噴涂機器人系統主要由上位機、工業機器人、噴涂設備以及工件傳送裝置構成。

工業機器人是2臺日本安川電機生產的Motoman-EPX2050 Lemma（レンマ）型6軸噴涂機器人（見圖3b），配備標準NX100機器人控制柜，分別用于噴涂工件的內外表面，工況如圖4所示。

當不同尺寸的箱體或蓋板懸掛在傳送線上邊移動邊由機器人進行噴涂作業時，通過操作上位機軟件，在生產線保持運轉情況下，自動生成機器人程序并加載至機器人控制柜中依次調用。機器人會執行傳送帶同步功能，使噴涂與工件移動同步[4]。

圖3 安川工業機器人Motoman-EPX2050

圖4 噴涂工況

2.2 Lemma型噴涂機器人奇點問題分析

與通用型噴涂機器人（見圖3a）相比，Lemma型噴涂機器人的使用優勢在于：當工件基本處于機器人正前方時，腕部三關節結構方面的獨特設計，使機器人出現腕部奇點的可能性很小（見圖5a）。然而，在噴涂箱體這類較復雜的工件時，隨著傳送線的移動，在噴涂左右箱體兩側時仍可能出現4軸和6軸平行的腕部奇點問題（見圖5b）。

圖5 Lemma型噴涂機器人腕部奇點分析

出現奇點問題時，在噴涂程序指定TCP點的軌跡恒速的情況下，某些軸的速度可能會突然變快以致段超出（某軸瞬間轉速過大）報警并停機，也可能為適應程序內容，出現“翻腕”動作（見圖6a、圖6b）。當出現向上翻腕的動作后，噴涂箱體下部或向機器人左側噴涂時會發生機械干涉（見圖6c）。

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圖6 由于奇點問題出現的“翻腕”動作

因此，即使使用Lemma型噴涂機器人，在噴涂箱體這類復雜工件時仍需考慮如何避免奇點問題。

3 自動離線編程技術

3.1 編程軟件的設計

本系統的軟件部分包括上位機軟件界面（由Microsoft Visual Studio編寫）以及連接上位機和機器人控制柜的通訊軟件MOTOCOM32[5]。

軟件操作界面主要由工件參數、位置調整、噴涂設置、功能選項、程序控制按鈕和程序序列顯示等幾部分構成，如圖7所示。現場軟件操作人員可根據實際工況輸入相關參數，選擇各項設置，點擊控制按鈕，實時按序地生成、加載、調用機器人程序。

圖7 軟件界面

3.2 仿真軟件的應用

對于箱體這樣形狀規則的工件來說，離線編程完全可以省略圖形操作的部分，為現場軟件操作人員帶來顯著便利。因為在軟件設計過程中，離線編程的部分任務可以利用仿真軟件提前完成，3D動態模擬工況如圖8所示。

圖8 3D動態模擬工況

仿真軟件以3D動畫形式模擬驗證編程軟件生成的機器人作業程序是否可以順利執行，是否符合生產要求以及實現噴涂軌跡的最優規劃，調用程序時TCP軌跡的動態模擬如圖9所示。

仿真試驗發現，無論箱體的具體尺寸如何，在噴涂流程中奇點問題發生的相對位置大致相同，編程軟件可以利用其共同特征生成具有相同格式的機器人作業程序。

3.3 應對同步跟蹤和奇點問題的軌跡規劃

圖9 調用程序時TCP軌跡的動態模擬

為了避讓奇點位置，糾正因奇點而產生的姿態異常，保證整個噴涂過程的順利完成，需根據箱體的幾何特征和隨傳送線移動到的大致相對位置來規劃合理的軌跡；又因負責噴涂箱體內部的機器人的動作較復雜，遇到奇點問題的情況較多，故需在必要處增加脈沖控制點，以調整并糾正異常姿態。這些均可在仿真軟件中得到驗證。

一臺機器人負責內部的噴涂任務，包括左右外棱邊、底部外棱邊、上外表面和箱體內部；另一臺負責外部的噴涂任務，包括除上外表面之外的各外表面。

內部噴涂的軌跡規劃原則是：噴涂棱邊先左后右，噴涂平面先右后左、先上后下，底部外棱邊的噴涂穿插在上下內表面噴涂之后。仿真試驗和生產實踐證明，這是同步跟蹤噴涂時最合理的軌跡流程。

（2）脈沖控制點。

機器人向右噴涂左外棱邊和右內表面時，由于TCP點上下恒速運動會使機器人接近腕部奇點位置可能出現“翻腕”動作，故需在此兩步噴涂結束后插入脈沖控制點。另外，在下內表面噴涂結束后為噴涂底部棱邊而“出箱”時，由于機器人姿態變化較大，同樣會出現段超出報警，故在此處也插入脈沖控制點增加過渡動作。

通過加入上述脈沖控制點，雖然看上去有一些“不必要”運行軌跡和動作[6]，但能夠有效避讓奇點位置，糾正異常姿態，保證整個噴涂過程順利完成。

3.4 自動控制的實現

生成機器人作業程序所需要的各數據完全實現了參數化，均可以由操作人員通過上位機軟件實時輸入，直接讀取或間接計算得到。操作人員點擊上位機軟件界面上的按鈕，通過內部通訊軟件MOTOCOM32，控制機器人啟動并依次調用程序，最大限度地減少人為介入，實現機器人自動離線編程。

4 結論

實踐證明，系統功能完全符合客戶需求，極大節約了人力成本，提高了生產效率。但由于靜電噴粉受重力影響自然下落，使工件上部的著粉量少于下部的著粉量，尤其在工件內部棱角處表現較明顯（見圖10），一定程度上還需人工補噴上內棱邊。如果再修改編程軟件，使生成的程序中加入重復噴涂箱體內部上棱邊的動作，相應減少對落粉堆積處的噴涂，能達到更理想的效果。

圖10 噴涂效果

該自動離線編程技術不僅可以用于規劃機器人的運動軌跡，生成移動懸掛箱體噴涂機器人的作業程序，還重點分析機器人奇點問題產生的原因和解決方法，并利用仿真軟件來驗證整個噴涂流程的合理性，形成最優化的程序結構。

本軟件系統不僅有簡潔直觀的人機交互界面，便于操作，還利用機器人控制方面的各種優勢實現對多尺寸、任意量箱體的噴涂，避免了現場對機器人的人工示教和離線編程時的圖形操作，具有較高的推廣應用價值。

[1] 祁文硯．噴涂機器人離線編程的研究和應用[D]．江蘇：江蘇大學，2014．

[2] Singularities in six-axis vertically-articulated industrial robots[OL]./blog/?p=107．

[3]Hayes M J D，Husty M L，Zsombor-Murray P J.Singular Configurations of Wrist-Partitioned 6R Serial Robots：a Geometric Perspective for Users[J].Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2002，26（1）：41-55.

[4]株式會社安川電機．NX100コンベヤ同期運転機能取扱説明書[Z]．2014．

[5] 張穎，曾孔庚．MOTOMAN機器人新型二次開發軟件介紹[J]．機器人技術與應用，2012（4）：23-25．

[6] 葉暉．工業機器人實操與應用技巧[M]．北京：機械工業出版社，2010．