船舶噴涂機器人離線編程系統研究*

□ 馮 焱 □ 楊 振 □ 曾氫菲 □ 劉雪梅 □ 胡小才

1.同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804 2.上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 研究背景

在船舶工業中,涂料保護作為廣泛應用的船體鋼材免受腐蝕的簡易有效手段,具有重要作用。當前,在國內船舶涂裝領域,船舶涂裝裝備的機械化、自動化程度不高,涂裝作業主要采用人工噴涂方式。人工噴涂需要長時間高強度工作,涂料揮發和噪聲等對現場工人的身心健康會有負面影響。人工噴涂的精度較低,會造成噴涂作業的返工率高,制約生產力的提高和生產能耗的降低。隨著人力成本的上升和環保意識的提高,使用機器人來完成噴涂作業已成為造船業的共識及關注焦點。

在進行噴涂作業前,需要對船舶噴涂機器人發出命令,規定其應執行的動作和噴涂作業的內容,這一過程涉及機器人的示教和編程。不使用實際作業機器人,脫離實際作業環境生成示教數據的方法稱為離線編程法[1]。離線編程法使用機器人的相關模型和智能算法對機器人進行仿真,通過計算機圖形學得到機器人的規劃軌跡,確定預定義的環境與設置的基本參數是否恰當,從而提高工作的安全性和效率,降低風險。當基本方案制訂后,可以優化和改善機器人的動作順序,通過模擬技術完成測試和評估,輕松地進行維護、修改和記錄。伴隨著離線編程法的應用,產生了一批機器人離線編程系統,筆者對船舶噴涂機器人離線編程系統進行研究。

2 船舶噴涂機器人離線編程系統功能

船舶噴涂機器人離線編程系統的功能是根據所導入的船舶噴涂面尺寸與幾何特征,進行噴涂路徑規劃及噴涂參數的調整優化,在人機交互界面中將噴涂的過程和效果可視化,并給出船舶噴涂機器人操作所需的指令文件,從而實現船舶噴涂機器人的離線編程與仿真,達到提高船舶噴涂質量、效率,降低噴涂成本的目的。一般而言,船舶噴涂機器人離線編程包括幾何建模、基本模型庫建立、運動學建模、工作單元布局、路徑規劃與檢測、自動編程、多機協調編程、仿真與標定等內容。

設計船舶噴涂機器人離線編程系統,需要學習船舶噴涂機器人工作過程,以及幾何學、運動學、動力學知識[2],建立船舶噴涂機器人和工作環境三維模型,進行船舶噴涂機器人運動仿真,基于傳感器信息進行軌跡規劃,實現通信功能,并具有人機交互界面功能。

3 機器人離線編程系統分類

目前,國內外常見的機器人離線編程系統有三種,分別為支持標準機器人的通用型機器人離線編程系統、針對專有機器人開發的專用型機器人離線編程系統、計算機輔助設計軟件插件。

3.1 通用型機器人離線編程系統

通用型機器人離線編程系統一般由第三方軟件公司負責開發和維護,可以支持多款標準機器人的仿真、軌跡編程和后置輸出。典型的通用型機器人離線編程系統功能見表1。

通用型機器人離線編程系統的優點是可以支持多款標準機器人,但是對特種機器人的支持力度不如專用型機器人離線編程系統。

3.2 專用型機器人離線編程系統

專用型機器人離線編程系統一般由機器人本體設計公司、高校或其它機構開發,用于為用戶提供配套的技術支持和解決方案。

RobotStudio是瑞士ABB公司針對所生產的機械臂推出的離線編程系統,建立在虛擬控制器上,復制有實際機器人控制器中的程序和配置文件,可以進行非常真實的仿真。用戶應用RobotStudio,不但可以在實際構建機器人系統之前就進行設計和試運行,而且可以確認機器人是否能夠到達所有編程設定的位置。RobotStudio工作界面如圖1所示。

▲圖1 RobotStudio工作界面

RoboGuide是日本發那科公司針對所生產的機械臂推出的離線編程系統,可以自動產生參考程序,校準仿真與實際機械臂的誤差,具有碰撞檢測功能,并釆用了虛擬控制器技術。RoboGuide常用的仿真模塊有ChamferingPRO、HandlingPRO、WeldPRO、PalletPRO、PaintPRO等。RoboGuide工作界面如圖2所示。

▲圖2 RobotStudio工作界面

KUKA SIM是庫卡公司針對所生產的機器人定制的離線編程系統,特點是在項目早期階段可以為生產設備創建理想的布局圖。在KUKA SIM中,能夠用拖拽方式方便地將數據庫中的智能組件設置于所需位置上,可以基于較小的成本檢查、驗證方案。客戶采用KUKA SIM,基于虛擬現實插件,置身于虛擬現實中,體驗設備方案。KUKA SIM工作界面如圖3所示。

表1 典型通用型機器人離線編程系統功能

在國內,一些科研機構針對自身設計的機器人開發了專用型機器人離線編程系統。相比國外已投入商用的專用型機器人離線編程系統,國內這些專用型機器人離線編程系統的應用對象較為具體,在系統構建方面具有一定的相通性。國內主要專用型機器人離線編程系統見表2。

▲圖3 KUKA SIM工作界面

表2 國內主要專用型機器人離線編程系統

3.3 計算機輔助設計軟件插件

自行開發機器人離線編程系統是一個龐大工程,將耗費大量人力與資金,導致開發的重點不能全部放在軌跡提取、優化等方面,極大提高了機器人離線編程系統的開發難度,限制了機器人離線編程系統的開發效率。近年來,計算機輔助設計軟件的功能越來越強大,實體模型的幾何信息越來越容易獲得,以現有成熟計算機輔助設計軟件為底層依托,以插件形式存在的機器人離線編程系統越來越具有可行性。

4 噴涂機器人離線編程系統研究現狀

1986年,Klein[3]首次將離線編程技術應用于噴涂機器人。1991年,Suh等[4]開發了ATPS,用于解決噴涂機器人的路徑規劃問題。RobotWorks是典型的以計算機輔助設計軟件插件形式存在的噴涂機器人離線編程系統,基于SolidWorks軟件二次開發,通過多個標準接口進行數據轉換,具有生成軌跡方式多樣、支持多種機器人、支持外部軸等特點,可以生成多種機器人程序,功能強大。

在國內,北京航空航天大學吳瑞祥等[5]開發了機器人離線編程系統,包含機器人圖形仿真系統、機器人運動學與動力學算法,以及機器人通信接口,可以對從傳送帶上抓取銷子插入孔中的動作和噴涂作業進行規劃。華南理工大學周青松聯合廣州數控設備有限公司[6-7],以SolidWorks軟件為平臺,開發了噴涂機器人離線編程系統,能夠根據導入的工件和系統自動生成的機器人模型完成對工件表面噴涂點的設定,以及機器人關節運動指令文件的生成與傳輸。沈陽航空航天大學郭世輝[8]利用CATIA Automation和 CAA VC++技術,提出一種噴涂機器人離線編程系統,能夠對噴涂機器人進行噴涂軌跡自動生成和運動仿真,可以用于飛機進氣道噴涂的離線編程。

針對復雜曲面的噴涂,華南理工大學張莉[9]以SolidWorks軟件為開發平臺,構建了噴涂機器人的設備模型,應用SolidWorks軟件提供的應用程序接口函數實現了模型的重構和運動仿真。針對大型鋼結構件噴涂作業任務,東南大學徐龍[10]基于Visual Studio環境,在SolidWorks軟件中開發了多機器人噴涂智能編程系統,實現了多機器人噴涂作業建模、參數優化、軌跡生成、任務規劃、效果顯示等功能。

5 船舶分段噴涂機器人離線編程系統

5.1 概述

當前,噴涂機器人在汽車工業涂裝領域應用較多,有關的理論研究和實踐也相對充分,但很多方法、設備及研究所依據的理論、所采用的模型、所得到的結論對船舶行業并不一定完全適用。船舶分段的目的是縮短造船周期。可以根據船體結構特點、船廠生產條件和建造施工工藝要求,將船體合理劃分為若干個由板材和型材組合而成的,具有獨立裝配單元屬性的船體結構區段。與汽車等噴涂對象不同,船舶分段具有尺寸大、通用性差、特殊結構節點多等特點。在同一艘船舶中,各個部位的分段承擔了不同的功能,這些分段種類繁多,結構、形狀各不相同,給標準化作業帶來諸多不便。另外,不同于船舶外板噴涂,船舶分段中有許多結構密閉的艙室,噴涂時可能揮發的易燃易爆或有毒有害涂料、溶劑會對工人造成明顯的健康危害,并產生安全隱患。由此可見,開發一種能夠在大尺寸范圍內活動,適應任務多樣性的船舶分段噴涂機器人及其離線編程系統,替代人工噴涂,顯得尤為重要。

為了能夠最大程度提高系統性能和可靠性,縮短開發周期,船舶分段噴涂機器人離線編程系統以市場主流SolidWorks三維機械設計軟件的獨立插件形式進行開發。

在計算機輔助設計軟件中,SolidWorks軟件功能強大,成熟可靠,并且可以提供數量豐富的應用程序接口供用戶定制專屬的動態鏈接庫。SolidWorks軟件二次開發語言支持VBA、C++、C#。C#作為較新的可運行于.NET Framework框架的高級程序設計語言,既具備C++的強大功能,又具備VBA的簡潔特點,適用于船舶分段噴涂機器人離線編程系統的開發[6]。筆者采用Visual Studio作為C#語言的集成開發環境。

5.2 系統架構

在對船舶分段噴涂機器人離線編程系統功能進行分析的基礎上,設計系統架構,如圖4所示。按照功能需求,船舶分段噴涂機器人離線編程系統由四個模塊組成,分別為噴涂設備建模模塊、噴涂過程建模模塊、噴涂軌跡規劃模塊、噴涂過程仿真模塊。

▲圖4 船舶分段噴涂機器人離線編程系統架構

5.3 噴涂設備建模

船舶分段是組成船體整體的中間產品,按外形可分為平面分段、曲面分段、立體分段等,按部位可分為甲板分段、舷側分段、艙壁分段、底部分段、艏艉分段等。噴涂機器人為在三自由度移動桁架吊下的平臺上橫向安置的一款IRB-52型六軸機器人,在噴涂機器人末端安裝有同方向并列的四個噴槍。IRB-52型六軸機器人是一款緊湊型機器人,質量為250 kg,體形小巧,工作范圍大,可以在狹小空間內實施自動化噴涂,手腕部分最大負載為7 kg,能夠有效滿足多槍噴涂的需求。船舶分段及噴涂機器人建模如圖5所示。

將船舶分段的計算機輔助設計模型導入,然后使用SolidWorks軟件的實體重建功能,對通用中間格式模型進行轉換,并導入噴涂機器人裝配體文件。根據船舶分段的輪廓特征點計算工件實際位置相對于離線編程系統位置的偏移量,將偏移量換算至軟件系統坐標系,以實現工件在離線編程系統中與實際環境中的位置標定,完成噴涂過程顯示及指標數據測算。在確定噴涂機器人各單元的相對位置后,提取工件模型的幾何特征,為后續工作做好準備。

▲圖5 船舶分段及噴涂機器人建模

5.4 噴涂過程建模

在給定噴涂方式下分析噴涂環境參數、涂料特性參數、噴槍參數、工件幾何參數、噴涂軌跡參數對噴涂效果的影響,建立貼近實際情況的漆膜厚度分布模型。在實際噴涂過程中,噴涂環境參數、涂料特性參數、噴槍參數一般是固定的,對噴涂效果產生影響的主要是工件幾何參數和噴涂軌跡參數。通過對模型各待定參數進行擬合,完成漆膜厚度分布模型的建立[11-13]。通過試噴試驗來驗證模型中各參數的設置合理與否,并根據噴涂面幾何參數對模型進行適當修正,從而在離線編程系統中模擬出工件表面的涂料分布情況。

5.5 噴涂軌跡規劃

在噴涂作業中,由于船舶分段的尺寸通常很大,而噴涂機器人的可達范圍有限,因此需要在噴涂表面上進行分片操作,分割出多個結構簡單且適合路徑規劃的子片。中間格式的船舶分段模型經過SolidWorks軟件轉換,得到的是基于非均勻有理B樣條造型方式的參數化曲面。通過SolidWorks軟件應用程序接口對工件特定噴涂面提取點、線、面等的幾何參數,進行加工處理,便可以得到子片的幾何信息,完成對噴涂面的曲面分片。在每個子片上規劃出初始路徑,根據平行次數、轉折點數、最短分段長度三個標準判斷初始路徑的優劣,再根據噴涂目標對初始路徑上的噴涂參數采用多目標進化算法進行調整優化[14-16],最后根據優化后的噴涂參數在噴涂面上生成噴槍路徑點。

5.6 噴涂過程仿真

在噴涂過程仿真中,根據所生成的噴槍路徑點,通過機器人逆運動學理論解算出噴涂機器人各個關節的角度[17-18]。基于SolidWorks軟件的運動功能對噴涂機器人的運動進行仿真,檢測出奇異點,對噴涂軌跡微調以通過這些奇異點。噴涂過程仿真時,顯示噴涂機器人的運動參數,為噴涂機器人的功耗和機械損耗等指標提供判斷依據。噴涂過程仿真結束后,對原噴涂目標函數進行計算,進而判定噴涂質量是否滿足要求。

6 結束語

近年來,噴涂機器人的結構設計和電氣控制技術日益成熟完善,憑借著高質量、高效率、低成本的優勢,噴涂機器人已經應用于制造業的各個領域。筆者對現有船舶噴涂機器人離線編程系統進行研究,提出了一種船舶分段噴涂機器人離線編程系統,設計了系統架構和各模塊功能,以達到提高噴涂質量、噴涂效率和節約噴涂成本的目的。