仿真技術(shù)在噴涂工程中的應(yīng)用

佘 軍

（安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京，100176）

0 引言

噴涂機(jī)器人是一種先進(jìn)的噴涂自動化設(shè)備，具有噴涂工件涂層均勻、重復(fù)精度高、通用性強(qiáng)、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒐と藦挠卸居泻?、易燃易爆的工作環(huán)境中解放出來。噴涂機(jī)器人最早應(yīng)用于汽車車身噴涂，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、3C產(chǎn)品、家具建材等生產(chǎn)領(lǐng)域。

圖1 仿真模擬機(jī)器人噴涂汽車車身

由于汽車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，容易受到水、微生物、紫外線、酸堿性氣體和液體的侵蝕，通過噴涂可以使汽車車身表面覆蓋一層有色保護(hù)膜，從而提高汽車的耐腐蝕性，達(dá)到整車使用10年或行程30萬km的使用壽命。因此，噴涂是汽車生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的一道工序。

如果采用人工噴涂，涂料中的顏料和溶劑會揮發(fā)出刺激性氣體，對人體有積累性毒性傷害，雖然工人可以通過穿戴勞保用品來減少噴涂環(huán)境的毒性傷害，但不能從根本上避免這種事情的發(fā)生。只有不進(jìn)入噴涂環(huán)境，才能從根本上保證工人的安全，所以，噴涂方式從古老的人工刷涂，發(fā)展到現(xiàn)在的機(jī)械噴涂。

大型汽車工廠的生產(chǎn)線，生產(chǎn)節(jié)拍為幾十秒，如果使用噴涂機(jī)械裝置，就需要很多噴槍同時(shí)工作。而采用機(jī)器人噴涂，就可以在保證噴涂質(zhì)量的前提下，利用機(jī)器人快速移動的特性，以很少的噴槍覆蓋所有噴涂區(qū)域，從而降低成本，提高效率。

隨著機(jī)器人在汽車噴涂作業(yè)中的應(yīng)用，機(jī)器人仿真技術(shù)也發(fā)揮著越來越重要的作用。其基本功能是模擬機(jī)器人的可達(dá)性，確定機(jī)器人選型和安裝方式，編寫離線程序。在項(xiàng)目構(gòu)想階段，工作人員可以通過仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人選型，模擬項(xiàng)目的可行性；在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，利用仿真驗(yàn)證機(jī)器人的可達(dá)性，檢查機(jī)器人與相關(guān)設(shè)備的干涉情況；在施工階段，參考仿真結(jié)果進(jìn)行指導(dǎo)安裝，以加快施工進(jìn)度，同時(shí)對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進(jìn)行再現(xiàn)模擬，找出原因并采取相應(yīng)措施加以解決。

1 機(jī)器人選型

噴涂項(xiàng)目的首要工作是機(jī)器人選型，需按不同噴涂機(jī)器人的最大工作范圍與待噴涂面積進(jìn)行匹配。工作人員通過仿真軟件中的TCP Reach（工具尖端點(diǎn)可達(dá)范圍）功能，創(chuàng)建虛擬噴涂立體空間，可以直觀顯示噴涂機(jī)器人和待噴涂面積的匹配程度。如圖2所示，紅色區(qū)域內(nèi)的噴涂機(jī)器人選型過小，達(dá)不到噴涂要求；黃色區(qū)域內(nèi)的噴涂機(jī)器人選型過大，造成浪費(fèi)；橙色區(qū)域內(nèi)的噴涂機(jī)器人選型合適。

圖2 噴涂機(jī)器人末端可達(dá)范圍

2 機(jī)器人正裝方案

在噴涂仿真過程中，會出現(xiàn)機(jī)器人噴霧抵達(dá)不到工件的情況，這種情況下需要對機(jī)器人的安裝布局進(jìn)行修改，不同的機(jī)器人安裝方式對噴涂效果有一定影響。

圖3是采取機(jī)器人壁掛方式的仿真，這是縮短機(jī)器人與工件距離、完成噴涂功能、保證可達(dá)性的一種布局。但壁掛方式的缺點(diǎn)是：機(jī)器人的重量作用在連接螺栓上，形成切向力，需要牢固的安裝基座，導(dǎo)致成本上升；在高速噴涂作業(yè)中，偏移的重心和更長的力矩，導(dǎo)致機(jī)器人的多個(gè)軸關(guān)節(jié)加速磨損，影響噴涂效果，降低機(jī)器人的使用壽命。

圖4是采取機(jī)器人正裝方式的仿真，這種仿真方式修改了噴槍的夾持位置，可滿足可達(dá)性的要求。如圖所示，機(jī)器人的重量直接作用在安裝基座上，安裝基座只承受向下的壓力，簡單可靠、成本低；合理的噴槍結(jié)構(gòu)，能保證機(jī)器人以較少的移動和平穩(wěn)的姿態(tài)完成噴涂作業(yè)，使機(jī)器人維修成本下降，使用壽命延長。

因此，噴涂項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)先選用以機(jī)器人正裝為主的布局，避免壁掛安裝帶來的隱患。

3 編寫離線程序

確定噴涂機(jī)器人的型號以及安裝方式后，工作人員就可以編寫離線程序，進(jìn)行精確的噴涂模擬。離線程序由一組程序點(diǎn)組成，每個(gè)程序點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)噴涂機(jī)器人的噴涂姿態(tài)，這種姿態(tài)由6個(gè)機(jī)器人軸轉(zhuǎn)動擬合而成。當(dāng)運(yùn)行離線程序時(shí)，噴涂機(jī)器人就可以按順序執(zhí)行每個(gè)程序點(diǎn)的姿態(tài)，從而完成一個(gè)完整的噴涂過程。

早期的汽車車身基本上是平面，噴涂仿真時(shí)，機(jī)器人可用四點(diǎn)法示教功能（Four Point Teaching）在車身平面上選4個(gè)角點(diǎn)，通過平移，陣列出相應(yīng)的一系列噴涂軌跡（見圖5）。

圖3 壁掛安裝方式

圖4 正裝安裝方式

圖5 四點(diǎn)示教法自動生成的噴涂軌跡

現(xiàn)在的汽車為了降低風(fēng)阻都是圓弧表面，已不能套用這種平移的方法，而是需要一種能夠直觀表達(dá)，精確檢查的仿真方法。

新的仿真方法是在車身上加入2個(gè)平面并使其垂直相交，與車身噴涂表面形成交叉點(diǎn)。每個(gè)交叉點(diǎn)用Teacher（指示標(biāo)記）功能進(jìn)行定位，并記錄到AXIS6標(biāo)記點(diǎn)模型上，然后2個(gè)平面按固定步長交錯(cuò)移動，形成如圖6所示的與車身表面法向垂直的標(biāo)記點(diǎn)陣列，最后再利用仿真軟件中的數(shù)字化捕捉功能，對每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)做程序點(diǎn)，最終做出合格的離線程序。

圖6 車身前端圓弧表面做出的噴涂點(diǎn)陣列

4 離線程序代替人工示教

用仿真軟件做出的離線程序，不僅可以檢查噴涂機(jī)器人的可達(dá)性和干涉情況，還能直接運(yùn)用于噴涂作業(yè)，如圖7所示。工作人員通過把離線程序下載到噴涂機(jī)器人控制器中，就可以控制機(jī)器人按離線程序執(zhí)行噴涂動作。這既縮短了示教時(shí)間，又減少了噴涂對作業(yè)人員的污染。

圖7 可輸出的噴涂離線程序

5 噴涂奇異點(diǎn)問題

仿真軟件不僅能輸出離線程序給噴涂機(jī)器人，還能將噴涂機(jī)器人的工作程序拷入仿真軟件中，從而進(jìn)行問題的再現(xiàn)、分析與修改。

噴涂機(jī)器人的噴涂過程是由一系列噴涂點(diǎn)串聯(lián)而成的，而且每個(gè)噴涂點(diǎn)必須相對工件表面法向垂直（見圖8），結(jié)果才能涂層均勻。如果噴涂角度大于90°，會使涂層稀薄、外觀變花；如果小于90°，則涂層太厚、出現(xiàn)噴涂液流淌。因此，機(jī)器人從一個(gè)噴涂點(diǎn)到下一個(gè)噴涂點(diǎn)的移動過程，需要保持其對工件表面的法向垂直。然而，在執(zhí)行過程中，很可能會出現(xiàn)不能保持法向垂直的點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)器人扭動甚至停機(jī)，這就是噴涂奇異點(diǎn)問題。

圖8 機(jī)器人對工件表面法向垂直噴涂

圖9 是一個(gè)噴涂奇異點(diǎn)在仿真環(huán)境中的表現(xiàn)，左側(cè)紅圈中的U軸紅色信號說明機(jī)器人在直線噴涂過程中，為達(dá)到要求姿態(tài)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的機(jī)器人軸，已轉(zhuǎn)到機(jī)器人軸的極限；右側(cè)紅圈中變色的部分是仿真程序自動將超過極限的機(jī)器人軸進(jìn)行變色提示。

圖9 噴涂機(jī)器人奇異點(diǎn)在仿真中的表現(xiàn)

若要消除機(jī)器人極限報(bào)警的方法需要改變機(jī)器人的姿態(tài)，常用途徑有2個(gè)：一是改變噴槍結(jié)構(gòu)，二是移動機(jī)器人安裝位置。如果改變噴槍結(jié)構(gòu)，需要較長加工制造周期，而移動機(jī)器人安裝位置是最省時(shí)間和最簡便的解決措施。

確定機(jī)器人移動位置可利用仿真軟件中的Update（重建）功能。首先將程序點(diǎn)記錄在仿真空間里，然后沿機(jī)器人XYZ三個(gè)軸方向移動位置；每移動一個(gè)新位置重建一次程序，直到程序不能重建。這個(gè)不能重建程序的位置就是極限，再找到各個(gè)軸向的正負(fù)極限，就能找出最優(yōu)位置（三個(gè)軸向，六個(gè)極限的中點(diǎn)）。根據(jù)現(xiàn)場空間的可允許移動范圍，本文實(shí)例最終確定機(jī)器人向后移動200mm。按照這個(gè)方案施工后，噴涂機(jī)器人奇異點(diǎn)問題得以解決（見圖10）。

圖10 噴涂機(jī)器人向后移動200mm噴涂狀態(tài)

6 提高噴涂效率的方法

提高效率，就是增加單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)品。

一種方式如圖11所示，通過仿真模擬每個(gè)機(jī)器人的噴涂動作，將總噴涂時(shí)間分到多臺機(jī)器人的噴涂作業(yè)中，降低每道工序的生產(chǎn)節(jié)拍，從而增加單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)品。

圖11 多噴涂機(jī)器人協(xié)同作業(yè)

另外一種方式如圖12所示，在保證噴涂質(zhì)量的前提下，增加噴涂的工件，這樣也能提高效率。這種方式需要技術(shù)人員合理安排仿真噴涂順序，利用噴涂機(jī)器人的高速移動相對單個(gè)零件的多余能力，去噴涂另一工件的可噴涂面。

圖12 雙機(jī)器人協(xié)同噴涂雙工件

7 結(jié)論

借助仿真技術(shù)，技術(shù)人員可以在軟件環(huán)境中合理安排噴涂工藝，進(jìn)行噴涂機(jī)器人選型，確認(rèn)安裝布局，優(yōu)化噴涂順序，預(yù)測生產(chǎn)節(jié)拍，預(yù)先制作機(jī)器人離線程序，減少現(xiàn)場示教的停機(jī)時(shí)間，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。