工業機器人噴涂工作站的設計與仿真

戴斐 高敏 張君繼

（1、安徽理工大學，安徽 淮南 232001 2、合肥職業技術學院，安徽 合肥 230011）

噴涂機器人的面世降低了有害氣體與光照射等對人體的損傷。因此，噴涂機器人代替人工成為了自動化生產線中的優先選擇。

本文研究了RobotStudio 中噴涂機器人和噴涂工具的使用,從噴涂工具的屬性設置、編程中所用到的變量數據等方面進行分析以模擬實際的噴涂仿真效果，最后，驗證待調試參數設置的合理性。結果表明，可以達到預期效果。

1 噴涂工作站的搭建與布局

在RobotStudio 軟件中添加一臺IRB5500 機器人，之后點擊“導入模型庫”按鈕，從“設備”中導入一把ROBOBEL926噴涂槍，將其安裝到機器人法蘭盤上。然后，創建一個“矩形體”作為噴涂的面板。布局時，噴涂機器人與噴涂面板之間的位置要合理，以噴涂面板在機器人工作區域的中間為佳，移動并確認機器人可以順利到達整個噴涂面板表面。工作站整體布局如圖1 所示。

圖1 工作站的整體布局

2 圖像處理

為將彩色圖像轉化成為灰度圖像，先把彩色數字圖像的像素信息存在一個三維數組中，然后對原彩色圖像像素進行均勻采樣，以使所選擇像素組成的新圖像仍可以反映原圖像的特征，等間距采樣后得到的彩色圖像像素是一個尺寸較小的三維數組，之后將彩色圖像的像素顏色信息轉化成為灰度圖像的像素顏色信息，灰度圖像的像素信息為一個二維數組，將該二維數組轉化為一維數組，此時，灰度圖像具有256級灰度，為簡化仿真的同時保持圖像的自然感，可將256 級灰度均分為8 級灰度。最后將只包含8 級灰度的一維灰度行數組輸出，就是我們在RobotStudio 仿真中需要的8 種顏色索引了。

根據以上原理，可采用多種圖像處理的軟件，如Matlab、OpenCV、Python 實現上述過程。這里采用Matlab 編寫一個腳本，腳本代碼如下所示。

3.1 布局好工業機器人噴涂工作站以后，生成機器人系統，之后設置系統選項參數，如系統語言Chinese、DeviceNet通信709-1 等。

3.2 選擇工具ROBOBEL926_T_TD_03 自帶的一個工具坐標系ROBOBEL926_T_TD_0，并在噴涂面板表面上建一個工件坐標Workobject_1，該工件坐標基于噴涂面板表面的一個直角建立，且z 軸方向垂直于面板表面。

3.3 示教起始目標點：創建目標點pStart 作為噴涂的起始點，該點位于噴涂面板左上角。目標點的方向應該與機器人到達這點時工具坐標系的方向保持一致。且由于機器人噴涂時，TCP 應距離噴涂面板表面有一截距離，所以pStart 應在工件坐標系下，沿著Z 軸正方向偏移20mm。

3.4 創建空路徑，選擇合適的運動指令并設置好速度和轉彎半徑后，將pStart 點拖到空路徑中從而創建相應的運動指令MoveJ。調整pStart 點處的姿態，選擇合適的機器人配置。

3.5 示教安全等待姿態：pStart 點經線性運動后到達距噴涂面板表面合適距離的一個位置jPosHome，選擇MoveAbsJ 指令后點擊“示教指令”按鈕，并同步到RAPID。

3.6 為使工業機器人方便進行噴涂操作，需配置I/O 板

腳本運行后的輸出結果如圖2 所示。

圖2 運行Matlab 腳本后的輸出文件及結果

3 機器人離線編程

本文利用RobotStudio 離線編程軟件生成一個噴涂工作站，具體步驟如下：卡及工業機器人系統I/O 信號。該噴涂工作站的機器人I/O信號配置如圖3 所示。

圖3 工業機器人系統I／O 信號配置

3.7 編輯程序，利用RobotStudio 中的檢查程序功能檢測程序的正確性，設置主程序main_Paint 作為仿真進入點。工業機器人噴涂工作站RAPID 程序的聲明如圖4 所示。

圖4 工業機器人噴涂工作站程序的聲明

主程序如圖5 所示。

圖5 噴涂工作站的主函數

工作站中的子程序如圖6 所示。

圖6 噴涂工作站的子程序

4 工作站Smart 組件設計

實際生產中是通過PLC 實現工業機器人與外部設備之間的信號交互、連接機器人與周邊設備的，而在RobotStudio仿真軟件，可采用Smart 組件替代PLC。

4.1 添加smart 子組件并進行參數設置

RobotStudio 軟件中，在“建模”菜單欄下，點擊“Smart 組件”按鈕，在工作站中添加一個空的Smart 組件[1]。在空的Smart 組 件 中 分 別 添 加 RapidVariable、ColorTable、PaintApplicator、LogicGate[NOP]、LogicSRLatch 組件。其中前三個組件的參數分別如圖7、8、9 所示。

圖7 RapidVariable 組件參數

在示教噴涂點時，注意油漆錐模型一定要接觸到噴涂面板表面，否則不能正常為噴涂面板表面上色，即油漆從噴涂槍噴出后的有效長度要大于工具末端表面和噴涂面板的距離20mm。油漆錐模型的最大寬度23mm 應稍大于像素塊的尺寸22mm，這樣噴出時會有一個像素與像素的疊加，圖像顯示會是連續的。

4.2 Smart 組件的信號及屬性連接

分別在Smart 組件“輸入”、“輸出”端創建輸入信號diDraw、輸出信號doDraw。當D652_DoDraw 為1 的時候，diDraw也為1，通過RapidVariable 組件獲取機器人控制中的RAPID 變量數據。RapidVariable 中Value 值用來選擇ColorTable 中的顏色索引號SelectedColorIndex，即通過設定顏色對應的索引號來選擇相應的顏色，索引編號從0 開始。再將ColorTable 中選擇的顏色SelectedColor 傳給PaintApplicator。噴一次需做一次信號鎖定。各子組件的屬性連結如圖10 所示、信號連接關系如圖11 所示。

圖8 ColorTable 組件參數

圖9 PaintApplicator 組件參數

圖10 子組件的屬性連結

圖11 子組件的信號連接

4.3 工作站邏輯

工作站I/O 信號與Smart 組件中的I/O 信號對應連接情況，即工作站邏輯設定情況見圖12。

圖12 工作站邏輯設定

5 仿真結果驗證

點擊“播放”按鈕運行。所使用的彩色原圖片如圖13 所示，噴涂工作站的仿真運行結果如圖14 所示，仿真出的灰度圖像清晰自然。經測試，可達到預期噴涂要求。

圖13 待噴涂的原圖片

圖14 噴涂仿真運行結果

6 結論

本文基于RobotStudio 仿真平臺搭建噴涂工作站，利用虛擬仿真技術解決了噴涂機器人在實際生產生產中可能出現的參數設置問題，可對實際生產中應用噴涂機器人提供參考和指導。