基于离线编程技术的喷涂机器人第七轴开发

摘要：为提高涂胶机器人在线调试的效率，结合在改款车型的涂胶轨迹程序编制及调试中的应用经验，以车底焊缝胶机器人为例，从虚拟环境的搭建，离线编程，虚拟仿真3个方面对涂胶轨迹离线编程仿真技术进行了探究及论述。

实践证明，涂胶机器人涂胶轨迹离线编程仿真技术可有效提高在线调试效率，减少在线调试时间。

关键词：涂胶机器人离线编程虚拟仿真中图分类号：TQ639文献标识码：BDOI ：10.19710/ki.1003-8817.20190270涂胶机器人涂胶轨迹离线编程仿真技术应用探究王泽龙潘雷亮王圣男乔伟肖飞（北京汽车股份有限公司，北京101300）作者简介：王泽龙（1987—），男，中级工程师，硕士学位，主要研究涂装机器人的规划及技术应用。

1前言目前机器人在汽车涂装喷漆工序中得到广泛的应用，随着机器人技术的不断成熟以及车型对涂胶质量要求的不断提高，人力成本的增加，涂胶工序也逐步开始应用机器人。

目前在车底焊缝涂胶（UBS ），底部减震胶（UBC ），裙边胶（RPP ）等工序应用机器人较多。

随着对材料和涂胶质量要求的提高，水性阻尼胶（LASD ），内板涂胶也逐渐应用机器人[1]。

在新车型导入过程中，机器人涂胶轨迹的编制及调试，主要依靠在线示教。

在线示教的工作量大且周期较长。

涂胶轨迹离线编程仿真技术可以提高在线调试的效率，减少在线调试时间。

作者对涂胶离线编程仿真技术进行了探究，并在三款改款车型的涂胶轨迹程序编制上进行了应用。

从虚拟环境的搭建，离线编程，虚拟仿真三个方面对涂胶轨迹离线编程仿真技术进行了论述，希望为以后涂胶机器人的规划建设项目及使用提供借鉴。

不同的涂胶工序因为工艺要求的不同，在涂胶轨迹程序的编制上也存在差异。

因车底焊缝胶的涂胶轨迹编程工作量和难度都比较大，因此主要论述了车底焊缝胶机器人的涂胶轨迹离线编程仿真技术。

2涂胶机器人站工作流程涂胶机器人站包括机器人本体，七轴轨道，机器人控制柜，站控制柜，视觉系统，输送装置，安全光栅，胶枪系统。

《工业机器人系统离线编程与仿真》课程标准一、课程基本信息课程名称：工业机器人系统离线编程与仿真课程代码：1520292课程类型：专业核心课学时：72学时学分：4学分适用专业：工业机器人技术合作企业：二、课程的性质与任务（一）课程性质《工业机器人系统离线编程与仿真》是工业机器人技术专业的专业核心课程，在课程体系中发挥着承上启下的重要作用，同时也是专业核心岗位能力的重要支撑。

本课程以ABB Robot Studio为例,介绍机器人离线编程与仿真技术，以适应工业机器人系统操作员岗位对现场操作前仿真验证的需求为目标，使学生了解工业机器人工程应用虚拟仿真的基础知识、机器人虚拟仿真的基本工作原理，熟练掌握机器人工作站构建、Robot Studio中的建模功能、机器人离线轨迹编程、Smart组件的应用、带轨道或变位机的机器人系统应用。

培养学生工业机器人基本应用、工业机器人编程等方法和能力，锻炼学生的团队协作能力和使用Robot Studio仿真软件以及针对不同的机器人应用设计机器人方案的能力，提高学生分析问题和解决实际问题的能力，提高学生的综合素质，增强适应职业变化的能力，为进一步学习其它机器人课程打下良好基础。

本课程与其他课程的关系如表1、2所示：表1《工业机器人系统离线编程与仿真》课程与前期课程的关系本课程的任务是落实立德树人根本任务，满足工业机器人技术专业的人才培养要求，围绕核心素养，吸纳相关领域的前沿知识和技术，在培养学生的职业能力和促进职业素质的养成方面占有重要地位。

通过将“岗、赛、证”核心技能标准与工业机器人在焊接、喷涂和搬运等典型工作场景的工作任务结合，使学生具备工业机器人系统应用中的离线编程与仿真应用能力，并且推进课程思政建设，发挥好本课程的育人作用，将劳动精神、知识传授和能力培养三者融为一体，通过技能学习，同步提升学生职业素养、劳动素养与创新精神。

通过项目式教学方法，将软件功能板块融入到项目案例中。

机器人第七轴系统武汉米兰尼机电工程有限公司自2005年开始生产机器人第七轴，吸收德国技术，在原有技术的基础上经过改造，在技术上优于德国原产，在价格上是德国的一半，这样在国内市场上有比较明显的竞争力，经过多年的生产和现场安装，总结了很多相关经验，每一次都可以为客户提供完美的服务，每一次都能与机器人厂家、机床设备厂家等在联合调试过程中交出完美的答卷。

一、第七轴系统即机器人行走轨道系统，主要包括：1．轨道基座优质铸铁铸造的16米长轨道基座，这一点非常关键，目前虽然国际上都采用焊接轨道基座，但基本上基于德国和日本，其实在德国和日本，很多机床也是焊接床身，这个和他们的相关技术息息相关，在国内，很多大型机床厂家也尝试用焊接床身，但基本上以失败告终，一没精度，二在使用过程中变形特别大，基本上难以调整过来，说白了就是国内材料、焊接工艺和设备、机械加工工艺和设备跟德国和日本有较大差距，所以我们这个第七轴这么长，想达到一定的精度和寿命，目前在国内是难以实现。

所以武汉米兰尼公司采用铸造基座，铸造基座显然比焊接基座性能要好得多，在精度方面，在变形方面，在吸收震动方面都有很大优势。

两条15米长高精度直线滚动导轨；14米长用于小车驱动的精密大模数齿条；线性轴装有润滑系统，能持续提供自润滑和除尘刮屑系统。

2．安装机械手的移动小车：承载能力为6000kg移动小车移动小车与机械手的连接尺寸符合“机器人”公司技术要求及通过“机器人”公司认可。

日本FANUC生产伺服电机作为主驱动；高分辨率编码器；伺服电机通过行星变速器驱动齿轮齿条。

3．控制系统FANUC 0iT控制系统：主控制柜包括:主开关以及熔断器、马达过载保护以及低电压保护、电源稳压以及变压装置、具有操作面板及显示屏；日本FANUC伺服控制单元；PLC可编程逻辑控制器及满足用户要求的软件；强电柜及弱点柜及操作面板。

4．安全、防护装置：软件限位；组合行程开关限位；轨道两端装有机械式停车器。

矩形滚轮导轨系统广泛应用在机器人第七轴中，包含如下四大组件：一：矩形滚轮导轨导轨上可直接加工出齿条，成为一体式齿条导轨：二：滚轮组合每个滚轮组合，安装有三个外球面滚轮轴承，分别在矩形导轨的3个工作面上滚动：滚轮组合，也可采购滚轮，自行加工和装配滚轮组合：滚轮组合加工装配说明。

三：齿轮组件齿轮组件，带有回差调节机构，方便调整齿轮和齿条之间的啮合间隙；详细说明，请参考文章：齿条传动专用齿轮组件四：齿轮齿条自动润滑装置实现齿轮齿条传动系统的自动润滑，延长机器人第七轴的使用寿命，降低故障率；详细说明，请参考文章：齿轮齿条自动润滑装置：要组成机器人第七轴，还需要如下机械部件：一：导轨安装基础可采用方钢上焊接钢条作为安装基础，钢条上铣出导轨安装基准：安装调试的时候，要确保两根方钢上的安装基准面的平行度：二：机器人安装底座采用高强度钢板，把滚轮组合，伺服电机和机器人的安装基准面和孔位加工出来：矩形滚轮导轨系统为标准产品，如下是和MHD矩形滚轮导轨配套使用的MHD座式滚轮组合：DIY简易式滚轮组合，可采用类似结构。

每个小车平台上安装有4套座式滚轮组，装配时，先把每套滚轮组合的底部的那个滚轮卸除，然后把小车平台放到导轨上，再把每套滚轮组合的底部的那个滚轮安装上去：简易式座式滚轮组合，可不采用MHD滚轮组合这种形式的滚轮安装底座，MHD滚轮组合安装底座具有复杂外表面，需要模具来生产；我们可以根据载荷的大小，从市面上直接采购长方体形状的铝合金块或球墨铸铁块，进行铣削和钻孔加工就可以了，这样可显著降低成本：一：中滚轮的中心轴线和上下滚轮的中心轴线，是错开一定距离的，这样就避免了滚轮安装孔之间的干涉：二：上滚轮和中滚轮的安装固定方式为盲孔方式，也就是说需要在安装底座上加工出螺纹孔来，螺栓穿过滚轮的中心孔，拧紧在底座的螺纹孔里：三：下滚轮的安装方式为通孔方式，在安装底座上加工出通孔来，螺栓穿过这个通孔，拧紧在滚轮的中心螺纹孔里：综上所述，安装底座进行的加工主要是：一：铣平面。

喷涂机器人喷涂模型与离线编程涂装机器人国外研究现状文章来源：机器人在线在喷涂机器人轨迹规划问题上，江苏大学机器人研究团队多年来陆续进行了很多卓有成效的工作。

其提出了一种基于Dijkstra算法的改进方法，此算法的本质是将机器人在笛卡尔坐标系系统中的轨迹等效为关节坐标系中的轨迹。

考察了作业坐标系系统的内部关联，可以根据实际工业现场操作的工艺和布局，灵活地将同一段机器人轨迹在不同空间切换。

同时在前人关于机器人控制算法的研究的基础上，更专注于对实际机器人混联机构硬件电路的理解与设计。

尤其将研究的注意力从机器人本体落脚到机器人末端的喷枪上，其更加关注工具姿态的自整定，并在各生产指标上取得了良好的效果。

广西大学的曾剑在经典的连杆机器人D-H模型的基础上创新性的构造了6R 喷涂机器人的运动学描述。

通过腕关节分离技术不仅大大简化了机器人的动力学模型，同时也提高了求解机器人逆运动学解的效率。

在解析多自由度喷涂机器人运动状态的问题上，华南理工大学的蔡蒂根据实际喷涂作业环境，采用蒙特卡洛法分析其工作空间。

并通过求解机器人正运动学方程得到工具TCP点集，继而快速获得了当前状态下机器人实际操作的可达区域，有效避免了喷涂机器人在运动过程中与周边的外设发生碰撞。

浙江大学的王会方博士则把注意力投向了串联机器人多目标轨迹优化与运动控制的研究。

在其博士学位论文中结合了非线性控制理论，自适应控制理论，现代控制理论等多个学科的知识创新性的提出了SCARA (Selective ComplianceAssembly Robot Arm)的概念。

不仅大大提高了机器人轨迹运动控制的精度和响应速度，同时也强化了控制系统的抗噪声干扰性能和鲁棒性能。

上海交通大学机器人所的罗均在对缆索喷涂机器人喷涂机构进行设计研究时，采用了判断工件缆索表面连续条件的算法。

虽然是针对缆索圆周表面相对简单规则曲面的喷涂，但其对汽车喷涂行业车体表面复杂曲面的喷涂也有一定的启发意义。

关于汽车涂装内喷机器人工艺调试过程的研究摘要：本文以某个涂装车间的内喷机器人为例，对工艺调试的过程进行了介绍，并对调试过程中的要点进行了分析，针对具体问题提出相应的解决措施，对提高喷涂效果有一定帮助。

关键词：汽车涂装；内喷机器人；工艺调试0引言随着我国汽车行业不断向前发展，在车身外观上投入的精力越来越多，为了能够迎合市场的需求，对汽车的喷涂要求变得越来越高。

原有的人工喷涂已经远远不能够满足当前汽车市场的需求，而机器人喷涂凭借其良好的喷涂质量，以及较低的单台油漆消耗量，成为汽车喷涂市场上的主力军，而本文将主要针对前期的内喷调试进行研究。

1内喷机器人布局以某条新建的涂装线为例，其应用的是三代机器人，使用跟踪式连续输送的方式，色漆内喷有8个机器人，4个车门机器人以及2个开盖机器人，具体如图1。

通常布局为4个机器人对四个车门进行喷涂，2个机器人对前盖进行喷涂，两个机器人对后盖进行喷涂。

清漆内喷机器人一共有6个，4个车门机器人以及一个开盖机器人，具体如图2。

通常四个机器人对4个车门进行喷涂，2个机器人对后盖进行喷涂。

图1色漆内喷布局图图2清漆内喷布局图2离线仿形的制作使用该款机器人专用的离线编程软件完成内喷工作站的建立，对喷涂机器人喷涂车身的轨迹面进行编程，并完成相关喷涂参数的设置，之后将离线程序导入喷涂机器人的控制器中，利用工件坐标测量转换实现应用。

在进行仿形程序的编写时，通常都是先根据车身的形状建立多个连续的路径点，之后将这些路径点连起来便形成了机器人运行的路径。

在进行仿形程序的编写时，有几个方面需要关注，具体如下：1.需要保证离线仿形的时间在设计的要求内，所有的区域都能够高效高效的喷涂到位。

2.结合机器人的布局和车身特征，确定最优的喷涂轨迹，确保机器人的喷涂轨迹平滑与稳定。

3.喷涂机器人在按照预定轨迹行走时不能够和车身、喷漆室以及其他机器人产生碰撞。

4.喷涂机器人在进行喷涂作业时，其运行的速度应尽可能的保持一致，通常低速喷涂的质量较好。

1）ABB公司的RobotStudio喷涂生产线上选用的喷涂机器人为ABB公司的IRB580，配套的机器人离线编程软件为RobotStudio，如图1-1所示。

RobotStudio支持机器人的整个生命周期，使用图形化编程、编辑和调试机器人系统来创建机器人的运行，并模拟优化现有的机器人程序。

RobotStudio包括如下功能：（1）CAD导入。

可方便地导入各种主流CAD格式的数据，包括IGES、STEP、VRML、VDAFS、ACIS及CATIA等。

机器人程序员可依据这些精确的数据编制精度更高的机器人程序，从而提高产品质量。

（2）AutoPath功能。

该功能通过使用待加工零件的CAD模型，仅在数分钟之内便可自动生成跟踪加工曲线所需要的机器人位置（路径），而这项任务以往通常需要数小时甚至数天。

（3）程序编辑器。

可生成机器人程序，使用户能够在Windows环境中离线开发或维护机器人程序，可显著缩短编程时间、改进程序结构。

（4）路径优化。

如果程序包含接近奇异点的机器人动作，RobotStudio可自动检测出来并发出报警，从而防止机器人在实际运行中发生这种现象。

仿真监视器是一种用于机器人运动优化的可视工具，红色线条显示可改进之处，以使机器人按照最有效方式运行。

可以对TCP速度、加速度、奇异点或轴线等进行优化，缩短周期时间。

（5）可达性分析。

通过Autoreach可自动进行可到达性分析，使用十分方便，用户可通过该功能任意移动机器人或工件，直到所有位置均可到达，在数分钟之内便可完成工作单元平面布置验证和优化。

（6）虚拟示教台。

是实际示教台的图形显示，其核心技术是VirtualRobot。

从本质上讲，所有可以在实际示教台上进行的工作都可以在虚拟示教台（QuickTeach™）上完成，因而是一种非常出色的教学和培训工具。

（7）事件表。

一种用于验证程序的结构与逻辑的理想工具。

程序执行期间，可通过该工具直接观察工作单元的I/O状态。