工業機器人涂膠路徑規劃與仿真研究*

溫成卓，劉 紅，崔歡歡，劉 棟

(云南機電職業技術學院 機械工程學院，云南 昆明 650203)

膠接作為一種重要的連接方式，廣泛應用于產品的制造過程中。目前，國內仍然有大部分企業采用人工涂膠的方法，手工涂膠的質量受個人熟練程度限制，容易出現涂膠不均勻、不連續和浪費等現象，并且大部分膠易揮發出有毒氣體，對人體產生傷害。工業機器人技術作為一門自動化控制技術、計算機科學、信息與傳感技術、人機工程學、機械傳動技術等多學科交叉的高新技術，廣泛應用于信息化智能制造業中。六軸工業機器人在工作時間長、精度要求高、工作環境惡劣的噴涂領域中應用越來越廣泛[1-2]。采用現場示教點位的編程方法可以很好地完成單一平直的涂膠路徑軌跡規劃，但對于具有復雜曲線的涂膠路徑此種方法難以滿足要求，會出現示教點位過多、編程工作量大、生產效率低下、涂膠質量差的情況。采用工業機器人虛擬仿真技術可以自動識別涂膠幾何曲線，生成軌跡路徑并模擬涂膠過程，自動生成優化后的加工程序，參照仿真結果進行現場加工可以提高涂膠質量和生產效率。

1 虛擬仿真環境搭建

應用三維軟件建立真實車門的三維模型并導入RobotStudio中，機器人采用IRB4600型號，建立膠槍模型導入并安裝到機器人末端法蘭盤。導入工作區圍欄和機器人控制器模型，完成仿真環境搭建如圖1所示。創建機器人系統，工業網絡設置選擇709-DeviceNet Master/Slave。通信方式選擇616-1PC interface[3-4]。

2 采用傳統的示教點位編程方式生成涂膠路徑

傳統的示教點位編程方式首先編制好運行程序，然后沿涂膠路徑選擇點位進行示教保存點位信息，在單側涂膠路徑中選擇5個點位(P10～P14)進行示教，生成的路徑軌跡如圖2所示。由于車門模型為曲面，采用此法生成的軌跡帶有明顯的折點，不能與曲面貼合。經試驗發現，此種方法會出現涂膠不均勻現象。若采用增加示教點數量的方式可以改善軌跡，但會增加編程工作量，影響生產效率。

3 虛擬仿真環境下采用自動路徑方法優化涂膠軌跡

步驟一：設置坐標系。在設置選項中選擇工件坐標wobj0；選擇膠槍為新的工具坐標：tCutHead(見圖3)。在控制器選項中將新設置的工件、工具坐標同步到RAPID，完成這一步才可以在虛擬示教器中完成工件、工具坐標的切換。

步驟二：設置設備原點。打開虛擬示教器，選擇上一步設置的坐標。在程序編輯器中新建例行程序添加第一條指令：MoveAbsj PHOME,V1000,Fine,tCutHead.選定PHOME在“調試”中“查看值”修改PHOME點各軸的初始角度都為0度(見圖4)。

步驟三：自動生成涂膠軌跡。自動路徑功能可以識別幾何體邊緣并創建一條路徑或者曲線。在“基本”選項中，選擇“自動路徑”，在工件上選擇涂膠路徑所在的曲面作為參考面，然后依次選擇涂膠工件幾何體邊緣。為了使機器人涂膠軌跡更加平滑，可以選擇近似值參數為線性，將公差值設置小一點，可以使運動軌跡更加精確。為了使機器人運動軌跡更加貼近真實曲線，亦可設置近似值參數為常量，通過調整最小距離調整捕捉點的疏密程度，進而調整與真實曲線的接近程度。在“更多”選項中可以設置入刀出刀距離，最后點擊“創建”生成自動路徑(見圖5)。

步驟四：機器人位姿調節和路徑優化。創建生成Path_10自動路徑后，會發現很多運動指令機器人是不可到達的(見圖6)，需要進一步調整機器人位姿優化軌跡路徑。首先右擊問題指令，打開“修改指令”中的“參數配置”窗口，查看各個軸參數配置的6個軸的度數，選擇各軸最為接近0°的配置參數，使機器人以最為舒適的姿態達到目標點(見圖7)。當路徑中的某些點仍然不能以正確的姿態到達時，可以選定該點“查看機器人目標”，選定膠槍后在“基本”選項卡中選擇Freehand的“手動重定位”功能，手動拖拽調整機器人位姿[5-7](見圖8)，調整到合適位姿后，右擊該條指令選擇“修改位置”即可。

在右側“工件坐標&目標點”目標樹中，選定所有未修改位姿的目標點，右擊選擇“修改目標”→“對準目標點方向”，選擇剛修改優化的目標點，即可完成全部點位姿的修改和優化(見圖9)。

步驟五：指令參數設置和創建涂膠程序。對機器人運動過程分析，可將涂膠過程定義為工作進程，為了保障涂膠質量，工作進程的運動速度不宜過快，轉彎半徑不能定義為fine模式，否則機器人運動過程中會出現抖動現象。機器人的非工作進程一般為空行程，為了提高加工效率，將非工作進程的運動速度設置高一點，具有位置精度要求的點，如出刀入刀點，將轉彎半徑設置為fine。分別選定工作進程指令和非工作進程指令右擊選擇“編輯指令”進行參數設置(見圖10)。完成運動指令參數編輯后，在控制器選項中將Path_10路徑同步到RAPID中，打開示教器的程序編輯器可以看到生成的涂膠軌跡程序，部分程序如圖11所示。

步驟六：碰撞檢測和仿真驗證。在仿真選項中提供了碰撞檢測功能，通過設置工件與工具間最小安全值，可以創建碰撞檢測，當運行過程中出現碰撞或者安全距離小于安全值時，系統會發出警示。在仿真選項中點擊播放可以查看機器人涂膠的全仿真過程，查看機器人運行過程是否順暢，運行過程位姿是否正確以及是否出現碰撞報警現象[8-10]。如出現問題，可以及時修改指令和調整機器人位姿，重新規劃優化軌跡。經優化過的仿真結果如圖12所示，可以看出，仿真涂膠軌跡與幾何體曲面貼合完好，涂膠軌跡明顯優于傳統的示教點位編程方式生成的軌跡。

步驟七：真實環境機器人涂膠運行。將仿真環境的車門托架的工件坐標與真實環境的工件坐標同步設置，注意可以通過調整Z軸的偏差調整涂膠的厚度。將仿真環境與真實機器人涂膠工具的TCP進行同步設置。用U盤將RobotStudio軟件中的程序導入機器人中進行運行驗證，運行結果較好。

4 結語

將工業機器人應用在涂膠領域，可以有效減少人工涂膠產生的涂膠質量不高問題，避免涂膠過程有害氣體對人體的傷害。對比傳統的示教點位編程方法生成的涂膠軌跡存在折點明顯、不能與曲面貼合、涂膠質量不高等問題。本文提出了使用RobotStudio在仿真環境中通過“自動路徑”功能優化涂膠軌跡的方法，并詳細描述了7個操作步驟，解決了如何調整和優化點位位姿、軸參數配置方法、碰撞監測軌跡運行仿真等問題。對比涂膠軌跡效果(圖2和圖12)可以得出，采用“自動路徑”優化涂膠軌跡的方法可以有效提高涂膠質量和生產效率。除涂膠領域，此種方法可在打磨、焊接等具有復雜曲面的機器人路徑規劃領域進行推廣和應用。