基于Robotmaster的半掛車機器人噴粉離線編程應用研究

張世煒 吳沙 李曉甫 張智 張修榮

中集車輛（集團）股份有限公司 廣東深圳 518067

1 前言

傳統的噴涂工藝采用人工操作，效率低下且粉末浪費嚴重。隨著工業機器人的普及和環保、安全要求的提升，工廠開始使用工業機器人進行噴涂。目前示教（控制機器人按照規劃的路徑行走，該過程進行之后機器人將按照規劃的路徑自動作業）效率低下成為影響機器人利用率的主要因素，特別是對于半掛車這種結構復雜、體型龐大的產品（普通車長即達到10 m以上，且包含眾多鋼結構和板簧支架等子結構），示教效率更低。通常，一臺半掛車的在線示教需要5個工作日，期間不能生產，這嚴重影響生產效率。因此，探索效率更高的工業機器人示教方式是亟需解決的關鍵問題。

2 工業機器人編程方式

工業機器人編程包括在線示教和離線示教兩種方式[3]。目前，在線示教被絕大多數企業采用[2]， 如上所述，在線示教影響生產且效率低下[1]。而離線示教是通過仿真的手段構建整個工作場景的三維虛擬環境。根據待加工零件的大小、形狀，自動生成機器人的運動軌跡，然后在軟件中調整軌跡，最終生成操縱機器人作業的程序。離線示教可在不用停產的前提下完成機器人的示教，因此優于在線示教[4]。

針對離線示教，國內外眾多研究機構及廠家開展了大量的研究。江南大學田媛采用Robotmaster進行管板焊接路徑仿真,利用生成的加工代碼完成了焊接空行程軌跡再現試驗[5]，驗證了Robotmaster在路徑規劃與離線編程方面的準確性與可靠性；同濟大學的馬淑梅、羅曦 、 李 愛平等人通過對船首外表面及平面、凹曲面、凸曲面、S型曲面的仿真分析，驗證了噴涂機器人曲面噴涂軌跡離線規劃方法的可行性和有效性[6]。

然而，對于半掛車這種體型龐大，結構復雜的產品，目前國內外機器人離線示教方面的研究較少。一方面是由于產品加工工藝相對粗糙，產品質量一致性難以保證，導致離線仿真失真率偏高；另一方面，以噴粉作業為例，產品隨著傳送鏈運轉，仿真過程中必須增加移動的外部軸，要求仿真在動態條件下進行示教編程。以上兩點是半掛車噴粉離線編程的主要難點。

因此，本文針對以上兩點，利用Robotmaster離線仿真軟件（試用版），以某半掛車的噴涂作業為研究對象，通過設置機器人與粉房的相對位置，定義工件的運動參數和設置外部軸等步驟，構建了噴涂產線的三維虛擬模型，開展了半掛車噴粉的作業仿真，驗證了噴粉機器人離線示教的可行性。本文提出的應用Robotmaster軟件對機器人離線示教的方法，可為提高半掛車噴粉效率，降低示教成本提供借鑒。某工廠粉房布局圖如圖1所示。

3 Robotmaster軟件及操作流程介紹

RobotMaster是一款大型通用機器人離線編程仿真軟件，由加拿大Jabez軟件公司開發。這款軟件可以兼容絕大多數市面上主流的工業機器人[7]，在Mastercam中集成了模擬機器人作業的編程、仿真和代碼生成等功能，可大幅提高機器人焊接、噴涂等作業的示教效率。

圖 1 某工廠粉房布局圖

Robotmaster中噴涂離線仿真編程的操作流程如圖2所示。首先將工件CAD圖紙導入Mastercam，然后根據工件的結構特點規劃加工路徑，再啟動Robotmaster進行參數設置，生成運動軌跡，再根據仿真結果，優化路徑，調整機械手姿態。若出現奇異點、碰撞等現象，則需重新規劃路徑，最后導出程序并進行現場驗證。

圖2 Robotmaster操作流程

4 建模、求解與優化

4.1 模型導入

Robotmaster可兼容各種格式的三維模型，如IGES、STEP，同時包含UG、 SolidWorks等軟件的直續模塊。在仿真前必須將實際工況的場景導入軟件，包括機器人模型、障礙物模型、工具模型等。

對于有外部軸的機器人，在建立模型時需要導入滑塊和軌道，如圖3所示。圖3中，機器人安裝于滑塊上，該部分為可動部分；軌道為基座，為固定部分。

圖3 滑塊和軌道

4.2 路徑規劃

路徑規劃就是設置合理的路徑，使機器人在噴粉的過程中根據路徑作業。對于噴粉，路徑規劃包括設置刀路、生成路徑、調整噴槍角度。軟件包含Moldplus和刀路設置兩種路徑規劃模式，前者簡單快捷，后者更多應用于數控加工，適合特定應用場景，比如銑削、鉆孔等。對于噴粉的應用，一方面精度要求沒有數控加工那么高，另外很多噴涂盲區需要人工進行規劃調整，因此選擇Moldplus模式。該模式有三種設置方式：根據邊角設置、根據曲線設置以及人工手動規劃。手動規劃時，選取起點和終點即可確定一條路徑，由于路徑有形狀要求，在選取過程中需要按住控制鍵（例如按下L生成直線）以保證路徑的成型。圖4中粗線部分為生成的路徑，細實線為進刀和退刀（即工具進入和退出路徑）路線。

圖4 路徑規劃

4.3 姿態調整

路徑設置完成后，針對一些特殊曲面的噴粉作業，需要對工具的姿態進行調整。Robotmaser姿態調整在Vector Tilt界面（如圖5所示）進行，角度方向可以在Side和Lead/Lag里調整，其中Side值表示在XZ平面內角度設定，如圖5（a）所示，Lead/Lag值表示在YZ平面內角度設定，如圖5（b）所示。對于不同的零件結構可以設置合適的角度組合。

5 半掛車噴粉應用解決方案

5.1 機器人參數設定

圖5 姿態調整

為了保證噴粉仿真的正確性，需根據實際的工作條件，在軟件中設置機器人與工具的型號以及機器人與工件的相對位置。本文以某工廠半掛車的噴粉作業為例，對其進行機器人離線編程示教，該實例中機器人的位置參數如表1所示。

表1 某工廠機器人在粉房中的位置參數

表1中，開洞尺寸為機械手在粉房活動窗口的尺寸（如圖6（a）所示），該窗口一定程度上限制了機械手的活動空間，因此，在導入模型時，必須根據實際情況設置障礙物模型，使得障礙物與機器人的位置關系和實際一致，否則生成的執行程序與實際工況會有很大差異，發生碰撞的可能性極高。

根據圖6（a）中的機器人布局和粉房窗口，在軟件中建立了如圖6（b）所示的模型。采集到機器人在粉房中的參數后，在全局窗口中定義工件與機器人的位置關系。令X、Y、Z為工件相對于以機器人為原點的坐標系的偏移位置，W、P、R為工件相對于X、Y、Z的旋轉角度，修改這些偏移位置和旋轉角度可以調整工件的姿態。為了保證半掛車架的姿態與實際工況一致，將W和R分別設置為90°和-90°。

根據機器人與粉房的位置參數定義坐標值：實際粉房的寬度尺寸D=2 280 mm，工件中心離地面高度H=1 200 mm，上述都為實際測量得到。Z的計算公式為：

圖6 機器人布局

X的計算公式為：

以機械手RS50N為例進行設置說明，將表1中的數據代入式（1）、（2）可得Z=-460 mm，X=2 240 mm。

工件相對于機械手沿Y向移動，因此Y的值為0。由于工件初始為水平放置，實際工況中工件以豎直狀態沿傳動鏈移動，此處需要將其沿Y軸旋轉90°，因此P值應該調整為90°。

5.2 添加外部軸

Robotmaster軟件不能對工件添加運動參數，因此仿真時工件在整個虛擬環境中是固定的。然而，在實際加工過程中，工件是隨著傳送鏈勻速運動的。為模擬該加工過程，可在建模時將工件固定，將機器人設置為反向勻速運動來反映兩者的相對運動關系。據此，在對機器人建模時，可以給機器人添加外部軸，賦予其一定的運動速度，如圖7所示，機器人的速度與實際加工過程中工件的運動速度大小相等，方向相反。

圖 7 添加外部軸

5.3 計算并生成運動軌跡

參數設定完畢后，啟動計算，Robotmaster自動生成機器人噴粉的作業程序。但未經優化的作業程序常出現碰撞點和奇異點。碰撞點指的是機器人在運動的過程中與零件或障礙物發生碰撞的點；奇異點指的是機器人在運動過程中，機械臂在該點處失去一些自由度，無法實現某些運動，或者角速度無限大，運動失控等。

對噴粉作業進行仿真，計算結果表明出現奇異點，此時運動停止，根據該處機械手運動姿態可發現，機械手臂的4軸和6軸的軸線共線，如圖8所示。

圖8 4軸和6軸軸線共線

為了優化路徑與機械手姿態，可將噴槍傾斜的范圍調整到±20，重新啟動計算，得到圖9中的結果。圖9中，中線表示點位序號，豎直軸（-180～180）表示工具角度，紅色區域表示出現奇異的區域。可以發現，圖中曲線與紅色部分依舊存在干涉現象，還存在奇異點，因此必須進一步解決奇異點問題。

圖 9 調整工具姿態后狀態

此時，可以在奇異處增加跳轉點，然后手動拖拽曲線，避免紅色部分與曲線發生干涉，再次啟動計算，直到線的顏色變為綠色，即表示一切正常，解決了奇異點，完成了路徑的優化，結果如圖10所示。

圖 10 優化后狀態

6 仿真程序驗證

路徑和機械手姿態進行優化后，重新計算，生成新的運動程序，點擊播放，執行該程序代碼。程序運行過程可以看到執行機構（噴槍）的運動軌跡，與設置路徑完全吻合，并顯現出噴涂處特征，如圖11所示，并且整個過程不再出現碰撞和奇異點。圖中工件有色部分為噴涂后的效果，效果良好。

圖 11 仿真效果圖

7 結語

本文基于Robotmaster離線仿真軟件，對典型半掛車架結構進行了仿真，初步證實了離線仿真在某工廠粉房實施的可行性。若將離線仿真軟件運用在半掛車行業，有望實現機器人噴粉的離線編程，提高自動化生產的效率。

然而，Robotmaster離線仿真在半掛車行業噴粉的應用上，還有以下幾點有待研究：

a.噴粉路徑規劃不合理可能會產生無法彌補的碰撞點和奇異點。如何開發路徑自檢模塊從而指導軟件用戶進行全局路徑重規劃是一個待解決的關鍵問題；

b.目前，Robotmaster軟件在模擬中發生碰撞時不能自動規避碰撞并設計新的路線，只能通過人工干預的方法解決。如何開發自動局部路徑重規劃從而避免碰撞是一個較好的研究方向。