面向大型工件的拖動(dòng)示教自動(dòng)噴涂系統(tǒng)開發(fā)

陳集濱，劉建群，梁學(xué)勝，高偉強(qiáng)，許東偉

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.佛山智昂科技有限公司，廣東佛山 528225)

0 前言

大型工件的噴涂作業(yè)，由于工件體積和質(zhì)量較大，固定后難以進(jìn)行位置調(diào)整，相比于其他常規(guī)工件，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴涂方面比較困難。特別地，對(duì)于一些中小型企業(yè)，其生產(chǎn)的大型工件，如大型衛(wèi)浴產(chǎn)品、家具以及設(shè)備零件等，更多是采用人工噴涂的方式[1]。這種方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，會(huì)嚴(yán)重影響工人的身體健康，同時(shí)，噴涂出來的產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。

針對(duì)自動(dòng)化噴涂技術(shù)的研究，在國(guó)外，美國(guó)洛克希德·馬丁公司針對(duì)F-35戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身研制了專門的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)[2]；意大利Rina Vincenzo公司針對(duì)大型船舶外表面研制了以高架車作為移動(dòng)平臺(tái)的噴涂系統(tǒng)[3]；FREITAS等[4]針對(duì)水力渦輪機(jī)葉片的表面設(shè)計(jì)了一款噴涂機(jī)器人。而在國(guó)內(nèi)，趙耀松[5]針對(duì)大型工件的自動(dòng)噴涂控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究，并開發(fā)出一套噴涂裝備樣機(jī)；尹志勇[6]針對(duì)汽車涂裝生產(chǎn)線的柔性化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并開發(fā)相應(yīng)的涂裝設(shè)備；於立杰等[7]針對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行噴涂軌跡規(guī)劃，并設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化噴涂方案。總體而言，國(guó)內(nèi)外針對(duì)大型工件自動(dòng)噴涂技術(shù)的研究，主要集中在飛機(jī)、輪船和汽車等特定產(chǎn)品的自動(dòng)噴涂上，服務(wù)于大型企業(yè)，而針對(duì)中小型企業(yè)生產(chǎn)的較大型工件，其自動(dòng)化噴涂技術(shù)的相關(guān)研究還比較少。

本文作者針對(duì)中小型企業(yè)普遍采用人工方式進(jìn)行大型工件的噴涂作業(yè)、自動(dòng)化程度較低這一問題，基于EtherCAT技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套六軸拖動(dòng)示教噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的噴涂示教和軌跡再現(xiàn)功能；并在此基礎(chǔ)上，采用雙噴涂機(jī)器人與移動(dòng)架車共同作業(yè)的方式，開發(fā)出一套更為通用的拖動(dòng)示教自動(dòng)噴涂系統(tǒng)；最后，根據(jù)某中小型企業(yè)的需求，搭建出一個(gè)針對(duì)大型浴缸的自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)用小型機(jī)器人噴涂大型工件的目的。

1 自動(dòng)噴涂系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

基于自主設(shè)計(jì)的六軸拖動(dòng)示教噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用“雙機(jī)器人+移動(dòng)架車”的形式，設(shè)計(jì)出一套面向大型工件的拖動(dòng)示教自動(dòng)噴涂系統(tǒng)。

自動(dòng)噴涂系統(tǒng)硬件布局如圖1所示。針對(duì)大型工件在噴涂過程中不易移動(dòng)的問題，文中設(shè)計(jì)將待噴涂工件固定在裝有齒條的移動(dòng)架車上，在噴涂過程中，系統(tǒng)一邊控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)架車前行，一邊由兩臺(tái)噴涂機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行噴涂作業(yè)。

圖1 自動(dòng)噴涂系統(tǒng)硬件布局Fig.1 Automatic spraying system hardware layout

圖1中，架車底部裝有齒條和兩對(duì)鋼輪，鋼輪與導(dǎo)軌接觸，可通過架車上的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)架車沿導(dǎo)軌進(jìn)入自動(dòng)噴涂系統(tǒng)。架車進(jìn)場(chǎng)后停靠，操作員控制架車齒條前端越過離合裝置A中軸線，且不能越過行程開關(guān)A，即架車前沿應(yīng)停靠在圖1中的“架車前沿停靠區(qū)域”中。停靠完成后，操作員按下“噴涂”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入噴涂模式，并啟動(dòng)離合裝置A和離合裝置B，此時(shí)，噴涂系統(tǒng)的伺服電機(jī)A的輸出動(dòng)力可通過離合裝置A傳遞到架車齒條，架車受系統(tǒng)控制，可以開始自動(dòng)噴涂。

噴涂過程中，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)架車前進(jìn)，架車齒條最開始通過離合裝置A獲得系統(tǒng)伺服電機(jī)A的輸出動(dòng)力，由伺服電機(jī)A驅(qū)動(dòng)架車前進(jìn)一段距離；然后，架車齒條與離合裝置B接合，架車獲得伺服電機(jī)B的輸出動(dòng)力，由伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B共同驅(qū)動(dòng)架車前進(jìn)一段距離；最后，架車齒條末端越過離合裝置A，架車齒條與離合裝置A分離，此時(shí)僅由伺服電機(jī)B驅(qū)動(dòng)架車移動(dòng)。因此，文中設(shè)計(jì)離合裝置A與離合裝置B的中心軸距離應(yīng)該小于齒條長(zhǎng)度，保證齒條在架車移動(dòng)過程中至少與一個(gè)離合裝置接合。并且，當(dāng)架車末端觸碰到行程開關(guān)B時(shí)，系統(tǒng)將禁止伺服電機(jī)B向前驅(qū)動(dòng)架車，保證架車末端不越過離合裝置B。

2 拖動(dòng)示教噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拖動(dòng)示教即由操作員拖動(dòng)噴涂機(jī)器人末端噴槍，對(duì)需要噴涂的工件進(jìn)行一次噴涂作業(yè)，在噴涂過程中，由控制系統(tǒng)采集機(jī)器人各軸電機(jī)的編碼器數(shù)值和IO模塊的狀態(tài)變化，并生成示教文件。軌跡再現(xiàn)即控制系統(tǒng)根據(jù)噴涂示教產(chǎn)生的示教文件，通過解析文件中的數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)和IO模塊輸出，還原噴涂時(shí)的噴槍軌跡，實(shí)現(xiàn)噴涂生產(chǎn)自動(dòng)化。

EtherCAT是目前工業(yè)以太網(wǎng)中實(shí)時(shí)性最好的一項(xiàng)技術(shù)，在應(yīng)用方面，僅使用普通網(wǎng)線和網(wǎng)卡就可實(shí)現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)交互，最高可掛載從站數(shù)量達(dá)65 535個(gè)，具備了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)傳輸率高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)[8-10]。文中以EtherCAT技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)機(jī)器人控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)示教和軌跡再現(xiàn)功能。

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT協(xié)議作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用最簡(jiǎn)單、最普遍的線性串行結(jié)構(gòu)。PC機(jī)通過千兆網(wǎng)線與6個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器連接，由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡進(jìn)行EtherCAT數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，每個(gè)周期的數(shù)據(jù)幀依順序遍歷各個(gè)伺服從站，各伺服從站讀取所需數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完成對(duì)伺服電機(jī)的控制，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)拖動(dòng)示教噴涂機(jī)器人的控制。

機(jī)器人本體和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。其中，考慮到1—3軸所處位置更靠近機(jī)器人基座，慣性較大，其電機(jī)選用匯川MS1H3-13C15CD-A331Z型號(hào)電機(jī)。該型號(hào)在匯川MS系列伺服電機(jī)中，屬于中等慣量類型，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。而4—6軸所處位置更靠近機(jī)器人末端，慣性較小，其電機(jī)選用匯川MS1H1-40B30CB-A331Z-S型號(hào)電機(jī)。該型號(hào)在匯川MS系列伺服電機(jī)中，屬于低慣量類型，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。相對(duì)應(yīng)地，1—3軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用匯川SV660NT5R4I型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器，4—6軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用匯川SV660NS2R8I型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器均帶有EtherCAT網(wǎng)絡(luò)接口，支持CoE協(xié)議規(guī)范[11]，能夠完成對(duì)EtherCAT數(shù)據(jù)幀的接收和處理工作。

圖2 機(jī)器人本體(a)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(b)Fig.2 Schematics of the robot body(a) and structure(b)

另外，文中選用的IO模塊型號(hào)為ZA-16DI/16DO-EtherCAT，該模塊帶16位輸入端口和16位輸出端口，支持EtherCAT通信。

機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of the robot control system

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

為了解決控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題，本文作者以“co-kernel”的形式搭建“Linux+Xenomai”雙核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[12-13]，并在該操作系統(tǒng)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)和運(yùn)行。基于Xenomai方案架構(gòu)的特點(diǎn)，將控制系統(tǒng)軟件分為2個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。運(yùn)行在Linux域的程序模塊主要執(zhí)行非實(shí)時(shí)任務(wù)，而運(yùn)行在Xenomai域的程序模塊主要執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，2個(gè)模塊之間采用XDDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)跨域通信。

運(yùn)行在Linux域的程序主要執(zhí)行非實(shí)時(shí)性任務(wù)，文中采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，將該程序劃分為4個(gè)模塊進(jìn)行開發(fā)：UI界面模塊、指令處理模塊、任務(wù)管理模塊和通信模塊。其中，UI界面模塊主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，在人機(jī)交互線程中運(yùn)行；任務(wù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)、拖動(dòng)示教和軌跡再現(xiàn)等控制任務(wù)的管理功能，在任務(wù)管理線程中運(yùn)行。為了降低2個(gè)模塊間的耦合性，設(shè)計(jì)出指令處理模塊作為消息傳遞媒介，負(fù)責(zé)將UI界面的控制信號(hào)傳遞給任務(wù)管理模塊。為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理模塊與Xenomai域程序之間的通信，設(shè)計(jì)出通信模塊，通過調(diào)用通信模塊暴露的接口，實(shí)現(xiàn)與Xenomai域程序XDDP通信。文中采用Qt Designer對(duì)Linux域程序進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，UI界面模塊與指令處理模塊之間采用Qt特有的信號(hào)和槽機(jī)制進(jìn)行通信，人機(jī)交互線程和任務(wù)管理線程采用消息隊(duì)列的形式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。Linux域程序架構(gòu)如圖4所示。

圖4 Linux域程序架構(gòu)Fig.4 The Linux domain program architecture

運(yùn)行在Xenomai域的程序主要執(zhí)行實(shí)時(shí)性任務(wù)，文中將該程序劃分為2個(gè)主要線程：通信線程負(fù)責(zé)接收和處理Linux域程序下發(fā)的控制指令；運(yùn)動(dòng)控制線程負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制、示教數(shù)據(jù)采樣和EtherCAT報(bào)文的收發(fā)。另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux域下發(fā)指令的處理以及2個(gè)線程間的同步，以全局變量的形式聲明一組參數(shù)管理單元，包括狀態(tài)類參數(shù)和控制類參數(shù)，用來存儲(chǔ)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和即將寫入從站的控制參數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)上，運(yùn)動(dòng)控制線程是1 ms觸發(fā)一次的實(shí)時(shí)線程，會(huì)在運(yùn)動(dòng)控制階段進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，并將計(jì)算得出的控制參數(shù)寫入?yún)?shù)管理單元。隨后在EtherCAT報(bào)文收發(fā)階段，將控制參數(shù)封裝成EtherCAT報(bào)文下發(fā)至各個(gè)從站，并從上行的報(bào)文中讀取各從站的狀態(tài)，更新參數(shù)管理單元的狀態(tài)參數(shù)。通信線程將Linux域程序下發(fā)的指令進(jìn)一步劃分為讀、寫、控制三類：讀指令通過訪問系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息；寫指令通過修改系統(tǒng)控制參數(shù)，等待下次EtherCAT報(bào)文的發(fā)送即可實(shí)現(xiàn)對(duì)從站運(yùn)行狀態(tài)的修改；控制指令則是通過切換運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)行流程，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)、示教和軌跡再現(xiàn)等任務(wù)的啟動(dòng)、暫停、結(jié)束和急停等。Xenomai域程序架構(gòu)如圖5所示。

圖5 Xenomai域程序架構(gòu)Fig.5 Xenomai domain program architecture

2.3 噴涂示教和軌跡再現(xiàn)功能

文中設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)示教采樣時(shí)間間隔為10 ms。示教運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，Xenomai域程序會(huì)開辟一個(gè)采樣數(shù)據(jù)隊(duì)列，最多緩沖80個(gè)采樣數(shù)據(jù)，之后示教運(yùn)動(dòng)開始，程序以1個(gè)采樣時(shí)間間隔，不斷讀取各軸編碼器數(shù)值和IO狀態(tài)，并以一個(gè)結(jié)構(gòu)體的形式對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后壓入采樣數(shù)據(jù)隊(duì)列。另一方面，在示教過程中，Linux域程序不斷發(fā)送指令至Xenomai域程序，按“先入先出”原則從采樣數(shù)據(jù)隊(duì)列中讀取采樣數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)以一定格式寫入示教文件，直到接收到示教結(jié)束指令，Linux域程序向Xenomai域程序發(fā)送結(jié)束指令，然后保存示教文件，結(jié)束示教。示教運(yùn)動(dòng)流程如圖6所示。

圖6 示教運(yùn)動(dòng)流程Fig.6 Teaching movement process

軌跡再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是系統(tǒng)根據(jù)示教文件的數(shù)據(jù)進(jìn)行的PT運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)示教采樣時(shí)間間隔為10 ms，因此，系統(tǒng)在1 ms實(shí)時(shí)線程的運(yùn)動(dòng)控制階段，需要對(duì)每一條采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分?jǐn)傔\(yùn)算，計(jì)算出當(dāng)前1 ms內(nèi)各伺服驅(qū)動(dòng)器需要發(fā)送的脈沖數(shù)，并在EtherCAT報(bào)文收發(fā)階段，將其封裝成EtherCAT報(bào)文，發(fā)送至各個(gè)伺服從站。另一方面，軌跡再現(xiàn)過程中，Linux域程序會(huì)不斷地從示教文件中提取采樣數(shù)據(jù)，并發(fā)送至Xenomai域程序的PT運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，確保該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在運(yùn)動(dòng)結(jié)束前都不為空，保證軌跡再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。軌跡再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)流程如圖7所示。

圖7 軌跡再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)流程Fig.7 The motion flow of track reproduction

3 雙機(jī)器人與移動(dòng)架車示教再現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)

文中采用“雙機(jī)器人+移動(dòng)架車”的形式實(shí)現(xiàn)大型工件的自動(dòng)噴涂，將圖1中的噴涂機(jī)器人A作為主機(jī)，噴涂機(jī)器人B作為副機(jī)，為主機(jī)系統(tǒng)增加2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器從站，用于控制驅(qū)動(dòng)架車運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)A和伺服電機(jī)B。在主機(jī)控制架車運(yùn)動(dòng)、完成工件一側(cè)的噴涂作業(yè)的同時(shí)，副機(jī)與主機(jī)配合，完成工件另一側(cè)的噴涂作業(yè)。

在噴涂示教過程中，主機(jī)負(fù)責(zé)記錄機(jī)器人A和移動(dòng)架車的運(yùn)動(dòng)軌跡，副機(jī)則記錄機(jī)器人B的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后分別生成示教文件。對(duì)兩臺(tái)機(jī)器人的示教時(shí)間不需要一樣長(zhǎng)，但需要保證在同一時(shí)刻開始示教采樣。在自動(dòng)噴涂過程中，主機(jī)和副機(jī)各自讀取保存的示教文件，分別進(jìn)行軌跡再現(xiàn)，只需要保證主機(jī)和副機(jī)在同一時(shí)刻開始軌跡再現(xiàn)，即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器人在自動(dòng)噴涂上的同步。

3.1 雙機(jī)器人間的狀態(tài)互查機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器人在噴涂示教和自動(dòng)噴涂上的同步，需要實(shí)現(xiàn)主機(jī)和副機(jī)雙方互相查詢運(yùn)行狀態(tài)的功能。文中為主機(jī)和副機(jī)系統(tǒng)分別增加1個(gè)IO模塊，模塊的各個(gè)輸出端口表示本機(jī)的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，包括空閑、等待、報(bào)警、架車回零、采樣同步、示教采樣、回噴涂起點(diǎn)、再現(xiàn)同步和軌跡再現(xiàn)等；模塊的各個(gè)輸入端口分別連接至另一個(gè)模塊的輸出端口，用以查詢對(duì)方的運(yùn)行狀態(tài)。

以“采樣同步”狀態(tài)為例，主機(jī)進(jìn)入“采樣同步”狀態(tài)后，更新自身狀態(tài)信息，將主機(jī)IO模塊對(duì)應(yīng)的輸出端口置為高電平，而該端口連接至副機(jī)IO模塊的1個(gè)輸入端口，此時(shí)，副機(jī)可以通過查詢?cè)撦斎攵丝诘臓顟B(tài)，明確主機(jī)進(jìn)入“采樣同步”狀態(tài)。另一方面，當(dāng)副機(jī)進(jìn)入“采樣同步”狀態(tài)后，也會(huì)更新自身狀態(tài)信息，將副機(jī)IO模塊對(duì)應(yīng)輸出端口置為高電平，該端口連接至主機(jī)IO模塊的1個(gè)輸入端口，此時(shí)，主機(jī)可以通過查詢?cè)撦斎攵丝诘臓顟B(tài)，明確副機(jī)進(jìn)入“采樣同步”狀態(tài)。

同理，文中為系統(tǒng)的其他運(yùn)行狀態(tài)各自分配1個(gè)IO輸出端口，并通過2個(gè)IO模塊的互連，建立起2臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)之間的狀態(tài)互查機(jī)制。

3.2 噴涂示教流程

系統(tǒng)噴涂示教流程如圖8所示。架車進(jìn)場(chǎng)停靠后，操作員按下控制柜上的“示教”按鈕，主機(jī)和副機(jī)進(jìn)入示教模式。首先，由主機(jī)系統(tǒng)通過IO從站輸出高電平，啟動(dòng)圖1中的離合裝置A和離合裝置B，使架車接受主機(jī)控制。接著，主機(jī)控制架車回零點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)架車前進(jìn)，直到架車前沿觸碰到行程開關(guān)A。回零完成后，兩臺(tái)機(jī)器人的操作員準(zhǔn)備就緒，由主機(jī)操作員按下主機(jī)末端手柄上的“開始示教”按鈕，主機(jī)與副機(jī)開始示教采樣。示教過程中，主機(jī)操作員通過手柄上的“前進(jìn)”和“后退”按鈕控制架車移動(dòng)，兩位操作員控制機(jī)器人末端噴槍對(duì)架車上的工件進(jìn)行噴涂。示教完成后，兩位操作員各自按下“示教結(jié)束”按鈕，主機(jī)和副機(jī)系統(tǒng)分別生成示教文件。最后，由主機(jī)控制架車后退至零點(diǎn)，關(guān)閉離合裝置，架車脫離系統(tǒng)控制，系統(tǒng)噴涂示教完成。

圖8 系統(tǒng)噴涂示教流程Fig.8 System spraying and teaching process

在示教開始階段，主機(jī)和副機(jī)需要進(jìn)行采樣同步。按下“示教”按鈕，主機(jī)和副機(jī)進(jìn)入示教模式。首先，主機(jī)切換至“架車回零”狀態(tài)，并控制架車回零，副機(jī)切換至“等待”狀態(tài)，并不斷地查詢主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。架車回零完成后，主機(jī)切換至“等待”狀態(tài)，等待主機(jī)操作員按下“開始示教”按鈕。當(dāng)主機(jī)接收到“開始示教”按鈕信號(hào)，主機(jī)切換至“采樣同步”狀態(tài)，當(dāng)副機(jī)查詢到主機(jī)狀態(tài)為“采樣同步”狀態(tài)，也切換至“采樣同步”狀態(tài)。此時(shí)，主機(jī)和副機(jī)互相查詢，雙方都為“采樣同步”狀態(tài)，達(dá)成同步，雙方開始示教采樣，并將各自的狀態(tài)切換為“示教采樣”。在同步過程中，若一臺(tái)機(jī)器人出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，無法正常切換狀態(tài)，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，主機(jī)和副機(jī)均終止示教運(yùn)動(dòng)。

在示教結(jié)束階段，主機(jī)和副機(jī)需要進(jìn)行一次同步，保證主機(jī)控制架車退回零點(diǎn)前，兩位操作員均示教完畢。當(dāng)主機(jī)操作員按下主機(jī)的“結(jié)束示教”按鈕后，主機(jī)生成示教文件，然后不斷查詢副機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)副機(jī)操作員按下副機(jī)的“結(jié)束示教”按鈕后，副機(jī)生成示教文件，退出示教模式，并切換至“空閑”狀態(tài)。此時(shí)，主機(jī)查詢到副機(jī)進(jìn)入“空閑”狀態(tài)，開始控制架車運(yùn)動(dòng)至零點(diǎn)，然后主機(jī)退出示教模式，系統(tǒng)噴涂示教完畢。

3.3 自動(dòng)噴涂流程

系統(tǒng)自動(dòng)噴涂流程如圖9所示。架車進(jìn)場(chǎng)停靠后，操作員按下控制柜上的“噴涂”按鈕，主機(jī)和副機(jī)進(jìn)入噴涂模式。首先，由主機(jī)系統(tǒng)控制啟動(dòng)離合裝置A和離合裝置B，使架車接受主機(jī)控制，并驅(qū)動(dòng)架車回零點(diǎn)。回零完成后，主機(jī)和副機(jī)分別加載示教文件，并控制兩臺(tái)機(jī)器人和架車運(yùn)動(dòng)到噴涂起點(diǎn)，即示教文件的第一個(gè)采樣點(diǎn)。到達(dá)噴涂起點(diǎn)后，主機(jī)和副機(jī)開始軌跡再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由主機(jī)控制架車前進(jìn)，兩臺(tái)機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)噴涂。噴涂完成后，由主機(jī)控制架車后退至零點(diǎn)，并關(guān)閉離合裝置，此時(shí)，架車脫離系統(tǒng)控制，工件噴涂完成，可以進(jìn)入下一道工序。

圖9 系統(tǒng)自動(dòng)噴涂流程Fig.9 System automatic spraying process

在噴涂開始階段，主機(jī)和副機(jī)需要進(jìn)行軌跡再現(xiàn)同步。按下“噴涂”按鈕，主機(jī)和副機(jī)進(jìn)入噴涂模式。首先，主機(jī)切換至“架車回零”狀態(tài)，并控制架車回零，副機(jī)切換至“等待”狀態(tài)，等待架車回零。架車回零完成后，主機(jī)切換至“回噴涂起點(diǎn)”狀態(tài)，主機(jī)和架車向噴涂起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，副機(jī)查詢到主機(jī)狀態(tài)為“回噴涂起點(diǎn)”，也切換至“回噴涂起點(diǎn)”狀態(tài)，副機(jī)也向噴涂起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。一方面，主機(jī)和架車到達(dá)噴涂起點(diǎn)后，主機(jī)進(jìn)入“再現(xiàn)同步”狀態(tài)，不斷地查詢副機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面，副機(jī)到達(dá)噴涂起點(diǎn)后，也進(jìn)入“再現(xiàn)同步”狀態(tài)，不斷地查詢主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)和副機(jī)互相查詢，雙方都為“再現(xiàn)同步”狀態(tài)，此時(shí)，主機(jī)、副機(jī)和架車均到達(dá)噴涂起點(diǎn)，達(dá)成同步，主機(jī)和副機(jī)開始軌跡再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并將各自的狀態(tài)切換為“軌跡再現(xiàn)”。

在噴涂結(jié)束階段，主機(jī)和副機(jī)需要進(jìn)行一次同步，保證主機(jī)控制架車退回零點(diǎn)前，兩臺(tái)機(jī)器人均噴涂完畢。當(dāng)主機(jī)噴涂結(jié)束后，會(huì)不斷查詢副機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)副機(jī)噴涂結(jié)束后，會(huì)退出噴涂模式，并切換至“空閑”狀態(tài)。此時(shí)，主機(jī)查詢到副機(jī)“空閑”狀態(tài)，開始控制架車運(yùn)動(dòng)，將噴涂完成的工件退回零點(diǎn)，然后主機(jī)退出噴涂模式，系統(tǒng)自動(dòng)噴涂完畢。

4 實(shí)際應(yīng)用

文中針對(duì)廣東某衛(wèi)浴公司的生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)并搭建一個(gè)針對(duì)大型浴缸的自動(dòng)噴涂系統(tǒng)。

該企業(yè)要求，噴涂對(duì)象為大型浴缸，最大尺寸為：長(zhǎng)5 000 mm，寬3 000 mm，高1 500 mm；噴涂面為浴缸外側(cè)的1個(gè)底面和4個(gè)側(cè)面；噴涂過程中，需要噴涂2種材料，一種是玻纖，另一種是樹脂和固化劑的混合物。

根據(jù)要求，對(duì)圖1中的幾個(gè)重要參數(shù)做出設(shè)計(jì)。以最大的工件尺寸作為參考，設(shè)計(jì)架車長(zhǎng)5 500 mm，寬3 500 mm，齒條長(zhǎng)5 500 mm，2個(gè)離合裝置中心軸距離4 800 mm，離合裝置A中心軸到行程開關(guān)A的垂直距離800 mm。

大型浴缸自動(dòng)噴涂系統(tǒng)如圖10所示。浴缸噴涂是一道依靠工人經(jīng)驗(yàn)的工序，暫時(shí)沒有相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，工人入崗前需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)，才能做到在噴涂時(shí)操作嫻熟，產(chǎn)品涂層分布均勻。而文中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，由經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行噴涂示教，在自動(dòng)噴涂時(shí)能高度還原示教的噴涂軌跡和材料用量，對(duì)同一類型的工件均采用同一個(gè)示教文件，能夠保證該生產(chǎn)線加工的產(chǎn)品質(zhì)量良好且品質(zhì)穩(wěn)定。

圖10 大型浴缸自動(dòng)噴涂系統(tǒng)Fig.10 Large bathtub automatic spraying system

5 結(jié)論

基于EtherCAT技術(shù)開發(fā)了六軸拖動(dòng)示教機(jī)器人控制系統(tǒng)，采用雙機(jī)器人和移動(dòng)架車共同作業(yè)的方式，設(shè)計(jì)出面向大型工件的拖動(dòng)示教自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，并根據(jù)企業(yè)要求，搭建出一個(gè)針對(duì)大型浴缸的自動(dòng)噴涂系統(tǒng)。該系統(tǒng)已投入企業(yè)生產(chǎn)一個(gè)多月，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了噴涂示教和自動(dòng)噴涂功能，且噴涂后的產(chǎn)品質(zhì)量良好，品質(zhì)穩(wěn)定；同時(shí)，避免了工人長(zhǎng)期暴露在有毒的涂料揮發(fā)物中，保護(hù)工人身體健康，為企業(yè)節(jié)約人力資源和生產(chǎn)成本，可以很好地滿足中小型企業(yè)的需求。