船舶噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)研究*

□ 馮 焱 □ 楊 振 □ 曾氫菲 □ 劉雪梅 □ 胡小才

1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804 2.上海外高橋造船有限公司 上海 200137

1 研究背景

在船舶工業(yè)中,涂料保護(hù)作為廣泛應(yīng)用的船體鋼材免受腐蝕的簡(jiǎn)易有效手段,具有重要作用。當(dāng)前,在國(guó)內(nèi)船舶涂裝領(lǐng)域,船舶涂裝裝備的機(jī)械化、自動(dòng)化程度不高,涂裝作業(yè)主要采用人工噴涂方式。人工噴涂需要長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度工作,涂料揮發(fā)和噪聲等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的身心健康會(huì)有負(fù)面影響。人工噴涂的精度較低,會(huì)造成噴涂作業(yè)的返工率高,制約生產(chǎn)力的提高和生產(chǎn)能耗的降低。隨著人力成本的上升和環(huán)保意識(shí)的提高,使用機(jī)器人來(lái)完成噴涂作業(yè)已成為造船業(yè)的共識(shí)及關(guān)注焦點(diǎn)。

在進(jìn)行噴涂作業(yè)前,需要對(duì)船舶噴涂機(jī)器人發(fā)出命令,規(guī)定其應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作和噴涂作業(yè)的內(nèi)容,這一過(guò)程涉及機(jī)器人的示教和編程。不使用實(shí)際作業(yè)機(jī)器人,脫離實(shí)際作業(yè)環(huán)境生成示教數(shù)據(jù)的方法稱(chēng)為離線編程法[1]。離線編程法使用機(jī)器人的相關(guān)模型和智能算法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真,通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)得到機(jī)器人的規(guī)劃軌跡,確定預(yù)定義的環(huán)境與設(shè)置的基本參數(shù)是否恰當(dāng),從而提高工作的安全性和效率,降低風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)基本方案制訂后,可以?xún)?yōu)化和改善機(jī)器人的動(dòng)作順序,通過(guò)模擬技術(shù)完成測(cè)試和評(píng)估,輕松地進(jìn)行維護(hù)、修改和記錄。伴隨著離線編程法的應(yīng)用,產(chǎn)生了一批機(jī)器人離線編程系統(tǒng),筆者對(duì)船舶噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 船舶噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)功能

船舶噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的功能是根據(jù)所導(dǎo)入的船舶噴涂面尺寸與幾何特征,進(jìn)行噴涂路徑規(guī)劃及噴涂參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化,在人機(jī)交互界面中將噴涂的過(guò)程和效果可視化,并給出船舶噴涂機(jī)器人操作所需的指令文件,從而實(shí)現(xiàn)船舶噴涂機(jī)器人的離線編程與仿真,達(dá)到提高船舶噴涂質(zhì)量、效率,降低噴涂成本的目的。一般而言,船舶噴涂機(jī)器人離線編程包括幾何建模、基本模型庫(kù)建立、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、工作單元布局、路徑規(guī)劃與檢測(cè)、自動(dòng)編程、多機(jī)協(xié)調(diào)編程、仿真與標(biāo)定等內(nèi)容。

設(shè)計(jì)船舶噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng),需要學(xué)習(xí)船舶噴涂機(jī)器人工作過(guò)程,以及幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)知識(shí)[2],建立船舶噴涂機(jī)器人和工作環(huán)境三維模型,進(jìn)行船舶噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真,基于傳感器信息進(jìn)行軌跡規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)通信功能,并具有人機(jī)交互界面功能。

3 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)分類(lèi)

目前,國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)有三種,分別為支持標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人的通用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)、針對(duì)專(zhuān)有機(jī)器人開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件插件。

3.1 通用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)

通用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)一般由第三方軟件公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和維護(hù),可以支持多款標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人的仿真、軌跡編程和后置輸出。典型的通用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)功能見(jiàn)表1。

通用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以支持多款標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人,但是對(duì)特種機(jī)器人的支持力度不如專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。

3.2 專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)

專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)一般由機(jī)器人本體設(shè)計(jì)公司、高校或其它機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā),用于為用戶提供配套的技術(shù)支持和解決方案。

RobotStudio是瑞士ABB公司針對(duì)所生產(chǎn)的機(jī)械臂推出的離線編程系統(tǒng),建立在虛擬控制器上,復(fù)制有實(shí)際機(jī)器人控制器中的程序和配置文件,可以進(jìn)行非常真實(shí)的仿真。用戶應(yīng)用RobotStudio,不但可以在實(shí)際構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)之前就進(jìn)行設(shè)計(jì)和試運(yùn)行,而且可以確認(rèn)機(jī)器人是否能夠到達(dá)所有編程設(shè)定的位置。RobotStudio工作界面如圖1所示。

▲圖1 RobotStudio工作界面

RoboGuide是日本發(fā)那科公司針對(duì)所生產(chǎn)的機(jī)械臂推出的離線編程系統(tǒng),可以自動(dòng)產(chǎn)生參考程序,校準(zhǔn)仿真與實(shí)際機(jī)械臂的誤差,具有碰撞檢測(cè)功能,并釆用了虛擬控制器技術(shù)。RoboGuide常用的仿真模塊有ChamferingPRO、HandlingPRO、WeldPRO、PalletPRO、PaintPRO等。RoboGuide工作界面如圖2所示。

▲圖2 RobotStudio工作界面

KUKA SIM是庫(kù)卡公司針對(duì)所生產(chǎn)的機(jī)器人定制的離線編程系統(tǒng),特點(diǎn)是在項(xiàng)目早期階段可以為生產(chǎn)設(shè)備創(chuàng)建理想的布局圖。在KUKA SIM中,能夠用拖拽方式方便地將數(shù)據(jù)庫(kù)中的智能組件設(shè)置于所需位置上,可以基于較小的成本檢查、驗(yàn)證方案?？蛻舨捎肒UKA SIM,基于虛擬現(xiàn)實(shí)插件,置身于虛擬現(xiàn)實(shí)中,體驗(yàn)設(shè)備方案。KUKA SIM工作界面如圖3所示。

表1 典型通用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)功能

在國(guó)內(nèi),一些科研機(jī)構(gòu)針對(duì)自身設(shè)計(jì)的機(jī)器人開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。相比國(guó)外已投入商用的專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng),國(guó)內(nèi)這些專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象較為具體,在系統(tǒng)構(gòu)建方面具有一定的相通性。國(guó)內(nèi)主要專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)見(jiàn)表2。

▲圖3 KUKA SIM工作界面

表2 國(guó)內(nèi)主要專(zhuān)用型機(jī)器人離線編程系統(tǒng)

3.3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件插件

自行開(kāi)發(fā)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是一個(gè)龐大工程,將耗費(fèi)大量人力與資金,導(dǎo)致開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)不能全部放在軌跡提取、優(yōu)化等方面,極大提高了機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度,限制了機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。近年來(lái),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大,實(shí)體模型的幾何信息越來(lái)越容易獲得,以現(xiàn)有成熟計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為底層依托,以插件形式存在的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)越來(lái)越具有可行性。

4 噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1986年,Klein[3]首次將離線編程技術(shù)應(yīng)用于噴涂機(jī)器人。1991年,Suh等[4]開(kāi)發(fā)了ATPS,用于解決噴涂機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題。RobotWorks是典型的以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件插件形式存在的噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng),基于SolidWorks軟件二次開(kāi)發(fā),通過(guò)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,具有生成軌跡方式多樣、支持多種機(jī)器人、支持外部軸等特點(diǎn),可以生成多種機(jī)器人程序,功能強(qiáng)大。

在國(guó)內(nèi),北京航空航天大學(xué)吳瑞祥等[5]開(kāi)發(fā)了機(jī)器人離線編程系統(tǒng),包含機(jī)器人圖形仿真系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)算法,以及機(jī)器人通信接口,可以對(duì)從傳送帶上抓取銷(xiāo)子插入孔中的動(dòng)作和噴涂作業(yè)進(jìn)行規(guī)劃。華南理工大學(xué)周青松聯(lián)合廣州數(shù)控設(shè)備有限公司[6-7],以SolidWorks軟件為平臺(tái),開(kāi)發(fā)了噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng),能夠根據(jù)導(dǎo)入的工件和系統(tǒng)自動(dòng)生成的機(jī)器人模型完成對(duì)工件表面噴涂點(diǎn)的設(shè)定,以及機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令文件的生成與傳輸。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)郭世輝[8]利用CATIA Automation和 CAA VC++技術(shù),提出一種噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng),能夠?qū)娡繖C(jī)器人進(jìn)行噴涂軌跡自動(dòng)生成和運(yùn)動(dòng)仿真,可以用于飛機(jī)進(jìn)氣道噴涂的離線編程。

針對(duì)復(fù)雜曲面的噴涂,華南理工大學(xué)張莉[9]以SolidWorks軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),構(gòu)建了噴涂機(jī)器人的設(shè)備模型,應(yīng)用SolidWorks軟件提供的應(yīng)用程序接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)了模型的重構(gòu)和運(yùn)動(dòng)仿真。針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)件噴涂作業(yè)任務(wù),東南大學(xué)徐龍[10]基于Visual Studio環(huán)境,在SolidWorks軟件中開(kāi)發(fā)了多機(jī)器人噴涂智能編程系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人噴涂作業(yè)建模、參數(shù)優(yōu)化、軌跡生成、任務(wù)規(guī)劃、效果顯示等功能。

5 船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)

5.1 概述

當(dāng)前,噴涂機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)涂裝領(lǐng)域應(yīng)用較多,有關(guān)的理論研究和實(shí)踐也相對(duì)充分,但很多方法、設(shè)備及研究所依據(jù)的理論、所采用的模型、所得到的結(jié)論對(duì)船舶行業(yè)并不一定完全適用。船舶分段的目的是縮短造船周期。可以根據(jù)船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、船廠生產(chǎn)條件和建造施工工藝要求,將船體合理劃分為若干個(gè)由板材和型材組合而成的,具有獨(dú)立裝配單元屬性的船體結(jié)構(gòu)區(qū)段。與汽車(chē)等噴涂對(duì)象不同,船舶分段具有尺寸大、通用性差、特殊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)多等特點(diǎn)。在同一艘船舶中,各個(gè)部位的分段承擔(dān)了不同的功能,這些分段種類(lèi)繁多,結(jié)構(gòu)、形狀各不相同,給標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)帶來(lái)諸多不便。另外,不同于船舶外板噴涂,船舶分段中有許多結(jié)構(gòu)密閉的艙室,噴涂時(shí)可能揮發(fā)的易燃易爆或有毒有害涂料、溶劑會(huì)對(duì)工人造成明顯的健康危害,并產(chǎn)生安全隱患。由此可見(jiàn),開(kāi)發(fā)一種能夠在大尺寸范圍內(nèi)活動(dòng),適應(yīng)任務(wù)多樣性的船舶分段噴涂機(jī)器人及其離線編程系統(tǒng),替代人工噴涂,顯得尤為重要。

為了能夠最大程度提高系統(tǒng)性能和可靠性,縮短開(kāi)發(fā)周期,船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)以市場(chǎng)主流SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的獨(dú)立插件形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中,SolidWorks軟件功能強(qiáng)大,成熟可靠,并且可以提供數(shù)量豐富的應(yīng)用程序接口供用戶定制專(zhuān)屬的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。SolidWorks軟件二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言支持VBA、C++、C#。C#作為較新的可運(yùn)行于.NET Framework框架的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,既具備C++的強(qiáng)大功能,又具備VBA的簡(jiǎn)潔特點(diǎn),適用于船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[6]。筆者采用Visual Studio作為C#語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

5.2 系統(tǒng)架構(gòu)

在對(duì)船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)功能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu),如圖4所示。按照功能需求,船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成,分別為噴涂設(shè)備建模模塊、噴涂過(guò)程建模模塊、噴涂軌跡規(guī)劃模塊、噴涂過(guò)程仿真模塊。

▲圖4 船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)架構(gòu)

5.3 噴涂設(shè)備建模

船舶分段是組成船體整體的中間產(chǎn)品,按外形可分為平面分段、曲面分段、立體分段等,按部位可分為甲板分段、舷側(cè)分段、艙壁分段、底部分段、艏艉分段等。噴涂機(jī)器人為在三自由度移動(dòng)桁架吊下的平臺(tái)上橫向安置的一款I(lǐng)RB-52型六軸機(jī)器人,在噴涂機(jī)器人末端安裝有同方向并列的四個(gè)噴槍。IRB-52型六軸機(jī)器人是一款緊湊型機(jī)器人,質(zhì)量為250 kg,體形小巧,工作范圍大,可以在狹小空間內(nèi)實(shí)施自動(dòng)化噴涂,手腕部分最大負(fù)載為7 kg,能夠有效滿足多槍噴涂的需求。船舶分段及噴涂機(jī)器人建模如圖5所示。

將船舶分段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入,然后使用SolidWorks軟件的實(shí)體重建功能,對(duì)通用中間格式模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并導(dǎo)入噴涂機(jī)器人裝配體文件。根據(jù)船舶分段的輪廓特征點(diǎn)計(jì)算工件實(shí)際位置相對(duì)于離線編程系統(tǒng)位置的偏移量,將偏移量換算至軟件系統(tǒng)坐標(biāo)系,以實(shí)現(xiàn)工件在離線編程系統(tǒng)中與實(shí)際環(huán)境中的位置標(biāo)定,完成噴涂過(guò)程顯示及指標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)算。在確定噴涂機(jī)器人各單元的相對(duì)位置后,提取工件模型的幾何特征,為后續(xù)工作做好準(zhǔn)備。

▲圖5 船舶分段及噴涂機(jī)器人建模

5.4 噴涂過(guò)程建模

在給定噴涂方式下分析噴涂環(huán)境參數(shù)、涂料特性參數(shù)、噴槍參數(shù)、工件幾何參數(shù)、噴涂軌跡參數(shù)對(duì)噴涂效果的影響,建立貼近實(shí)際情況的漆膜厚度分布模型。在實(shí)際噴涂過(guò)程中,噴涂環(huán)境參數(shù)、涂料特性參數(shù)、噴槍參數(shù)一般是固定的,對(duì)噴涂效果產(chǎn)生影響的主要是工件幾何參數(shù)和噴涂軌跡參數(shù)。通過(guò)對(duì)模型各待定參數(shù)進(jìn)行擬合,完成漆膜厚度分布模型的建立[11-13]。通過(guò)試噴試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型中各參數(shù)的設(shè)置合理與否,并根據(jù)噴涂面幾何參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正,從而在離線編程系統(tǒng)中模擬出工件表面的涂料分布情況。

5.5 噴涂軌跡規(guī)劃

在噴涂作業(yè)中,由于船舶分段的尺寸通常很大,而噴涂機(jī)器人的可達(dá)范圍有限,因此需要在噴涂表面上進(jìn)行分片操作,分割出多個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適合路徑規(guī)劃的子片。中間格式的船舶分段模型經(jīng)過(guò)SolidWorks軟件轉(zhuǎn)換,得到的是基于非均勻有理B樣條造型方式的參數(shù)化曲面。通過(guò)SolidWorks軟件應(yīng)用程序接口對(duì)工件特定噴涂面提取點(diǎn)、線、面等的幾何參數(shù),進(jìn)行加工處理,便可以得到子片的幾何信息,完成對(duì)噴涂面的曲面分片。在每個(gè)子片上規(guī)劃出初始路徑,根據(jù)平行次數(shù)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)數(shù)、最短分段長(zhǎng)度三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)判斷初始路徑的優(yōu)劣,再根據(jù)噴涂目標(biāo)對(duì)初始路徑上的噴涂參數(shù)采用多目標(biāo)進(jìn)化算法進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[14-16],最后根據(jù)優(yōu)化后的噴涂參數(shù)在噴涂面上生成噴槍路徑點(diǎn)。

5.6 噴涂過(guò)程仿真

在噴涂過(guò)程仿真中,根據(jù)所生成的噴槍路徑點(diǎn),通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)理論解算出噴涂機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度[17-18]。基于SolidWorks軟件的運(yùn)動(dòng)功能對(duì)噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,檢測(cè)出奇異點(diǎn),對(duì)噴涂軌跡微調(diào)以通過(guò)這些奇異點(diǎn)。噴涂過(guò)程仿真時(shí),顯示噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù),為噴涂機(jī)器人的功耗和機(jī)械損耗等指標(biāo)提供判斷依據(jù)。噴涂過(guò)程仿真結(jié)束后,對(duì)原噴涂目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而判定噴涂質(zhì)量是否滿足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣控制技術(shù)日益成熟完善,憑借著高質(zhì)量、高效率、低成本的優(yōu)勢(shì),噴涂機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。筆者對(duì)現(xiàn)有船舶噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)進(jìn)行研究,提出了一種船舶分段噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)和各模塊功能,以達(dá)到提高噴涂質(zhì)量、噴涂效率和節(jié)約噴涂成本的目的。