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脫機(jī)pos機(jī)
鄭 悠1，2，方丹丹2，曾春年2
（1.寧波工程學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波315000；2.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070）
基于離線編程技術(shù)的噴涂機(jī)器人軌跡生成已成為噴涂機(jī)器人控制方法的發(fā)展趨勢(shì)。通過對(duì)現(xiàn)有的六軸機(jī)器人軌跡生成方案的分析和研究，提出了在噴涂軌跡設(shè)計(jì)中增加第七軸的方案。該方案通過改變六軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式擴(kuò)展了機(jī)器人的可達(dá)空間，使其能夠完成復(fù)雜工件曲面的噴涂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人軌跡生成方案相比，所提出的方案對(duì)于復(fù)雜曲面的噴涂效果更好，更適于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。
離線編程技術(shù)；噴涂機(jī)器人；第七軸
中圖分類號(hào)：TP241；TP249
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.003
中文引用格式：鄭悠，方丹丹，曾春年. 基于離線編程技術(shù)的噴涂機(jī)器人第七軸開發(fā)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(5)：15-20.
英文引用格式：Zheng You，F(xiàn)ang Dandan，Zeng Chunnian. Development of 7th axis of spray robot based on off-line programming[J].Application of Electronic Technique，2017，43(5)：15-20.
0 引言
隨著“中國(guó)制造2025”的進(jìn)一步深化，行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的改造將朝著智能化生產(chǎn)方向發(fā)展，而這其中工業(yè)機(jī)器人的行業(yè)應(yīng)用開發(fā)至關(guān)重要[1]。由于熱噴涂的工況極其惡劣，通常伴隨有高溫、高壓、有毒氣體，而且工藝上對(duì)工件上涂層厚度的均勻度有著很高的要求，因此機(jī)器人已被廣泛用于熱噴涂生產(chǎn)中，代替人工以保證涂層的質(zhì)量與噴涂的效率。
工業(yè)機(jī)器人編程主要有在線編程(On-line Programming)和離線編程(Off-line Programming)兩種方式[2]。與在線編程相比，離線編程技術(shù)可以脫離現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行機(jī)器人控制程序開發(fā)，無(wú)需中斷生產(chǎn)，同時(shí)通過離線的仿真驗(yàn)證和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此，國(guó)外許多機(jī)器人制造廠商均為自己生產(chǎn)的機(jī)器人提供了離線編程仿真軟件，如瑞典ABB 公司的Robot Studio、德國(guó)KUKA公司的KUKA SimPro、日本Fanuc公司的RoboGuide、日本安川公司的motosim-EG等。也有一些自動(dòng)化系統(tǒng)集成商提供了Robot Art、Robot Master、Robot Works等第三方工業(yè)機(jī)器人的離線編程軟件[3-5]。
對(duì)于噴涂機(jī)器人離線編程的研究中，噴涂機(jī)器人噴涂軌跡生成與優(yōu)化是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)的難題[6]。國(guó)內(nèi)外主流的離線編程軟件的發(fā)開商和機(jī)器人制造廠商只是提供一個(gè)離線編程開發(fā)平臺(tái)或僅僅針對(duì)一些普通行業(yè)提出了相關(guān)解決方案，并未給噴涂這類特殊行業(yè)提供專門方案設(shè)計(jì)。目前，噴涂機(jī)器人噴涂軌跡生成與優(yōu)化的研究大多來自于高校或者研究所，研究成果也集中在根據(jù)噴槍和涂料的特性建立噴涂模型、根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化噴涂軌跡生成算法和碰撞檢測(cè)算法等方面[7-9]。
隨著噴涂技術(shù)越來越多應(yīng)用于航天航空、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，噴涂工件也越來越復(fù)雜，例如，噴涂在工件的背面或噴涂在一個(gè)狹窄的工作腔體內(nèi)，而現(xiàn)有的方案都是基于六軸機(jī)器人提出的，由于機(jī)器人工作空間的限制，僅能完成一些較為簡(jiǎn)單或者單一的工件曲面的噴涂軌跡，不能用于上述的復(fù)雜場(chǎng)景。因此，本文提出在噴涂軌跡設(shè)計(jì)中在外部增加機(jī)器人第七個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的方案，通過改變六軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式擴(kuò)展機(jī)器人的可達(dá)空間，克服機(jī)器人在熱噴涂過程中軸的運(yùn)動(dòng)限制，使其能夠完成復(fù)雜工件曲面的噴涂。
1 噴涂機(jī)器人的坐標(biāo)體系
為了更好地理解第七軸的運(yùn)動(dòng)特性，首先必須引入機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)。在機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人程序中的所有位置存儲(chǔ)相關(guān)系統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)系。本文討論的對(duì)象是ABB六軸機(jī)器人，圖1是坐標(biāo)系定義[10]。
在機(jī)器人軌跡設(shè)計(jì)中，軌跡被定義為工具中心點(diǎn)（Tool Center Point，TCP）的移動(dòng)路徑。在噴涂中，工具中心點(diǎn)一般定義在噴槍嘴的正前方對(duì)噴涂表面產(chǎn)生影響位置。因此，噴涂軌跡上每個(gè)點(diǎn)的位置實(shí)際就是工具中心點(diǎn)的位置，也就是說機(jī)器人的位置及其運(yùn)動(dòng)總是與工具中心點(diǎn)相聯(lián)系。在機(jī)器人編程中，通常使用坐標(biāo)系或用戶定義的坐標(biāo)系進(jìn)行元素和對(duì)象的相互關(guān)聯(lián)。機(jī)器人通常包括世界坐標(biāo)系、基座坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系和對(duì)象坐標(biāo)系[8]。
2 噴涂機(jī)器人第七軸的選擇
目前在噴涂行業(yè)，主要采用六軸機(jī)器人進(jìn)行噴涂。以ABB六自由度的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人IRB2400/16為例，其機(jī)身結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[11]。
Axis1、Axis2和Axis3控制著機(jī)器人末端執(zhí)行器手腕的位置，而Axis4、Axis5和Axis6控制著機(jī)器人末端執(zhí)行器手腕的姿態(tài)。因此如果要通過增加第七軸擴(kuò)展噴涂機(jī)器人的工作空間，只能通過在機(jī)器人外部增加運(yùn)動(dòng)軸的方式實(shí)現(xiàn)。
常用的工業(yè)機(jī)器人第七軸有導(dǎo)軌型第七軸和變位機(jī)型第七軸兩大類。導(dǎo)軌型第七軸即由機(jī)器控制的傳送帶，如圖3所示，機(jī)器人與導(dǎo)軌能同步運(yùn)動(dòng)。帶導(dǎo)軌第七軸通常應(yīng)用于搬運(yùn)、制造等領(lǐng)域[12]。
變位機(jī)型第七軸即由機(jī)器控制的變位機(jī)，如圖4所示，工件可放在變位機(jī)轉(zhuǎn)盤上，通過旋轉(zhuǎn)可改變工件的姿態(tài)，從而大大增加機(jī)器人的工作范圍。變位機(jī)型第七軸比較適用于噴涂行業(yè)，本文中用到的也是此類型的第七軸[13]。
變位機(jī)型第七軸也存在兩種運(yùn)動(dòng)類型：(1)第一種運(yùn)動(dòng)類型是變位機(jī)型第七軸由一個(gè)單獨(dú)的電氣調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)，不受機(jī)器人控制器控制；(2)第二種運(yùn)動(dòng)類型是變位機(jī)型第七軸受機(jī)器人控制器控制，其運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)進(jìn)行。
在第一種運(yùn)動(dòng)類型中，第七軸只能以恒定的速度或預(yù)設(shè)的速度旋轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的擴(kuò)展極其有限，因此只能用于對(duì)簡(jiǎn)單曲面的軸對(duì)稱工件的噴涂中，例如圓筒形工件、長(zhǎng)方體工件等。對(duì)于自由度較高的非對(duì)稱的復(fù)雜曲面的工件，需要變位機(jī)型第七軸可以被完全編程為特定的速度或角度，即協(xié)調(diào)的變位機(jī)型第七軸。本文也針對(duì)于此運(yùn)動(dòng)類型的變位機(jī)型第七軸進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的研究。
3 噴涂機(jī)器人第七軸的開發(fā)
3.1 開發(fā)環(huán)境
根據(jù)項(xiàng)目的需求及實(shí)驗(yàn)條件要求，文中所實(shí)現(xiàn)的噴涂機(jī)器人第七軸的開發(fā)針對(duì)于ABB六自由度的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人在熱噴涂中的應(yīng)用，其離線編程開發(fā)環(huán)境是RobotStudio機(jī)器人仿真平臺(tái)。為了提高開發(fā)效率，噴涂機(jī)器人第七軸的開發(fā)基于熱噴涂工具軟件包進(jìn)行，該軟件包的說明可以在文獻(xiàn)[14]中找到。該軟件包能根據(jù)預(yù)設(shè)的噴涂路徑參數(shù)，對(duì)于復(fù)雜的平面工件或簡(jiǎn)單的曲面工件，在噴涂工件的CAD模型上自動(dòng)生成針對(duì)ABB六自由度的噴涂機(jī)器人的噴涂軌跡。
3.2 影響噴涂質(zhì)量的重要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)
在設(shè)計(jì)和優(yōu)化噴涂軌跡中，噴涂角度、噴涂距離、工具中心點(diǎn)速度和路徑間隔距離等幾個(gè)影響噴涂質(zhì)量的重要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)是首要考慮的因素。圖5描述了各個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的含義。
噴涂角度是指噴涂射流軸線與工件表面切線之間的夾角。噴涂角度不能夠小于45°，否則會(huì)產(chǎn)生“遮蔽效應(yīng)”，降低涂層的結(jié)合度，影響噴涂效果，故噴涂角度一般控制為60°～90°。噴涂距離是指噴嘴端面到工件表面的直線距離。工具中心點(diǎn)速度也就是噴槍移動(dòng)速度，是指在噴涂過程中噴槍沿工件表面移動(dòng)的速度。為了得到最大的沉積效率，機(jī)器人工具中心點(diǎn)的方向應(yīng)該與噴涂工件路徑上每個(gè)點(diǎn)的方向垂直，但有時(shí)迫于機(jī)器人自身六個(gè)軸的局限性，機(jī)器人無(wú)法到達(dá)個(gè)別點(diǎn)，可以適當(dāng)調(diào)整工具中心點(diǎn)的方向，使噴涂角度略小于90°。噴涂的距離和機(jī)器人的移動(dòng)速度由工件表面形貌參數(shù)和對(duì)工件涂層的要求來確定。路徑間隔距離直接影響涂層的厚薄。對(duì)于同一個(gè)噴涂工件，在噴涂過程中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性直接影響著涂層的質(zhì)量和效果。
3.3 第七軸的編程
在對(duì)噴涂機(jī)器人第七軸編程之前，首先需要在RobotStudio中創(chuàng)建機(jī)器人的第七軸。對(duì)于與ABB機(jī)器人配套的第七軸，RobotStudio可自動(dòng)創(chuàng)建。只需要在RobotStudio中創(chuàng)建一個(gè)新的工作站，然后導(dǎo)入相應(yīng)虛擬機(jī)器人和第七軸型號(hào)即可，如圖6所示[15]。
如果所使用的第七軸沒有在RobotStudio庫(kù)中，需要手動(dòng)創(chuàng)建器人的第七軸。利用RobotStudio的建模功能，對(duì)機(jī)器人第七軸的部件如旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)盤進(jìn)行3D模型創(chuàng)建；再利用RobotStudio里面“創(chuàng)建機(jī)械裝置”功能創(chuàng)建第七軸，然后將有機(jī)器人第七軸參數(shù)的文件添加到虛擬機(jī)器人系統(tǒng)里面，第七軸的坐標(biāo)系中心一般設(shè)在旋轉(zhuǎn)盤正中間的位置，如圖7所示[13]。
完成第七軸的創(chuàng)建后，可在RobotStudio中編程實(shí)現(xiàn)第七軸的調(diào)用，具體算法和步驟如下：
(1)創(chuàng)建噴涂物體坐標(biāo)系，并與機(jī)器人第七軸旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)位置重合。通過編程將該物體坐標(biāo)系與機(jī)器人第七軸連接起來，確保第七軸移動(dòng)過程中，機(jī)器人路徑跟隨被噴涂物體移動(dòng)，從而路徑上每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值保持不變。在RobotStudio中實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：
RsWorkObject wobj=stn.ActiveTask.ActiveWorkObject；
(2)接下來計(jì)算路徑上每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。假設(shè)pos1和pos2為噴涂路徑上相鄰的兩個(gè)點(diǎn)。軟件生成一條閉合曲線，利用API的GetPointOnBodyWire函數(shù)，可以得到第一個(gè)點(diǎn)pos1的三維坐標(biāo)值。在RobotStudio中實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：
pos1=GetPointOnBodyWire(Edge, numbertarget,FirstStartPoint);
第二個(gè)點(diǎn)pos2的三維坐標(biāo)可以通過空間關(guān)系由pos1計(jì)算得到，其代碼如下：
Pos2.x=pos1.x； Pos2.y=pos1.y；Pos2.z=pos1.z-H；
其中H為pos1和pos2在z軸方向的差值，噴涂面的剩余點(diǎn)坐標(biāo)均可通過該辦法計(jì)算出。
(3)然后計(jì)算路徑上每個(gè)噴涂點(diǎn)的方向，噴涂點(diǎn)的方向(x，y，z)用3×3矩矩陣表示，其代碼如下：
Vector x=[0 0 -1]；Vector b=GetNormaltoSurface；
Vector z=-b；Vector y=z.cross(x)；
計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的四元矩陣，確定點(diǎn)在空間的位置，pos1點(diǎn)實(shí)現(xiàn)代碼如下：
Matrix4 targetori1 = new Matrix4(x, y, z, pos1);
(4)計(jì)算第七軸值并設(shè)計(jì)第七軸角度。機(jī)器人第七軸總共可以啟用6個(gè)軸，即用來計(jì)算第七軸值A(chǔ)PI：
ExternalAxisValues(Eax_a Eax_b Eax_c Eax_d Eax_e Eax_f)；
本實(shí)驗(yàn)中，啟用了第5個(gè)第七軸Eax_e，通過API函數(shù)設(shè)定第七軸旋轉(zhuǎn)的角度，其實(shí)現(xiàn)代碼如下：
ExternalAxisValues.Eax_e = Angle;
在使用協(xié)調(diào)第七軸時(shí)，為了使第七軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響噴涂質(zhì)量，通常在工具中心點(diǎn)離開噴涂面時(shí)才轉(zhuǎn)動(dòng)第七軸。也就是說第七軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可定義為器人路徑上在旋轉(zhuǎn)平面上相鄰兩點(diǎn)沿噴槍的方向的夾角。因?yàn)楫?dāng)工件固定在轉(zhuǎn)盤上時(shí)，相鄰兩點(diǎn)和工件的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的坐標(biāo)軸即可已知，因此可通過余彌定理來計(jì)算相鄰兩點(diǎn)間第七軸應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。RobotStudio中基于第七軸的復(fù)雜曲面路徑生成的流程圖如圖8所示。
4 實(shí)驗(yàn)和分析
為了分析第七軸的引入對(duì)噴涂效果的影響，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)物噴涂對(duì)照實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)的被噴涂工件一致，試驗(yàn)場(chǎng)地、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、熱噴涂工藝參數(shù)、熱噴涂材料等實(shí)驗(yàn)條件也都保持一致，區(qū)別僅在于對(duì)工件進(jìn)行噴涂中是否使用協(xié)調(diào)的變位機(jī)型第七軸。
被噴涂工件的結(jié)構(gòu)如圖9所示，俯視呈水滴形，長(zhǎng)為242 mm，最大寬為121 mm，高為96 mm。此工件僅在俯視面中心軸線對(duì)稱，噴涂面為不規(guī)則曲面，是一個(gè)較復(fù)雜的工件。工件的材質(zhì)為鐵基材料，以方便利用鐵基涂層測(cè)厚儀測(cè)試非磁性涂層的厚度。
實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地如圖10所示，工件被放置在轉(zhuǎn)盤的中心，工件被噴涂的側(cè)面正對(duì)噴槍的噴嘴。實(shí)驗(yàn)1是基于傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的工作方式，即噴涂過程中不使用第七軸，轉(zhuǎn)盤保持不動(dòng)；實(shí)驗(yàn)2是基于使用機(jī)器人的自身的6個(gè)軸和外置的第七軸的工作方式，即噴涂過程中轉(zhuǎn)盤將通過變位機(jī)型第七軸與機(jī)器人其他6個(gè)軸聯(lián)動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和熱噴涂參數(shù)如表1所示。
在噴涂機(jī)器人工作過程中，由于粉末濃度、氣體流量等熱噴涂參數(shù)都基本保持固定，因此噴涂質(zhì)量主要受噴涂角度、噴涂距離、工具中心點(diǎn)速度和路徑間隔距離等機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)穩(wěn)定性的影響，即保持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定能提高涂層厚度的均勻性。一般來說，噴涂距離和路徑間隔距離在噴涂軌跡設(shè)計(jì)中較容易控制穩(wěn)定，而噴涂角度在實(shí)驗(yàn)往往中無(wú)法實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確地獲取，因此通常把工具中心點(diǎn)速度的穩(wěn)定性作為一個(gè)噴涂機(jī)器人噴涂軌跡優(yōu)化效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
RobotStudio作為專業(yè)的ABB機(jī)器人仿真平臺(tái)，能提供與實(shí)際運(yùn)行高度吻合的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)仿真結(jié)果。因此本實(shí)驗(yàn)通過建立與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境完全一致的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖11所示，并仿真噴涂過程的方法來獲取近似的工具中心點(diǎn)的移動(dòng)速度的變化。
在RobotStudio開發(fā)平臺(tái)中，基于熱噴涂工具軟件包，分別生產(chǎn)了實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2兩個(gè)不同條件下的噴涂機(jī)器人涂軌跡。機(jī)器人的涂軌跡通?？蛇x擇沿垂直路徑移動(dòng)或沿水平路徑移動(dòng)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的工件，沿垂直路徑移動(dòng)的方案較好。因?yàn)橥ㄟ^RobotStudio仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴槍的運(yùn)動(dòng)是上下直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)行速度相對(duì)會(huì)保持平穩(wěn)。此外，根據(jù)程序的設(shè)定，當(dāng)協(xié)調(diào)的第七軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工具中心點(diǎn)正處在工件的外面的運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)中，因此機(jī)器第七軸的旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響噴涂的效果。
圖12是實(shí)驗(yàn)1的噴涂軌跡。由于機(jī)器人六軸的運(yùn)動(dòng)空間的限制，無(wú)法一次性完成全部曲面的噴涂工作。因此只能在完成一側(cè)曲面的噴涂工作后，人工將工件旋轉(zhuǎn)180°，再以同樣的方法完成另一側(cè)的噴涂。
圖13是實(shí)驗(yàn)2的噴涂軌跡。由于加入了協(xié)調(diào)的第七軸，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間被擴(kuò)大，因此可以一次性完成整個(gè)曲面的噴涂工作。
在噴涂實(shí)驗(yàn)前，工具中心點(diǎn)的移動(dòng)速度的變化已通過RobotStudio平臺(tái)仿真近似得到（根據(jù)測(cè)試，工具中心點(diǎn)的移動(dòng)速度在仿真中軟件平臺(tái)的輸出值與在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中機(jī)器人控制器的輸出值之間的偏差不超過5%）。圖14是在實(shí)驗(yàn)2中15個(gè)噴涂周期的工具中心點(diǎn)速度的變化情況，采集時(shí)間的45 s左右。從圖中可以看出，在噴涂時(shí)，大部分的工具中心點(diǎn)的速度都能保持在預(yù)設(shè)值500 mm/s左右，僅有少部分點(diǎn)低于500 mm/s。通過進(jìn)一步細(xì)節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，這些工具中心點(diǎn)的速度基本都是機(jī)器人在工件外緩沖區(qū)內(nèi)加速或減速時(shí)采集的，因此不會(huì)對(duì)噴涂質(zhì)量造成影響。
圖15是在實(shí)驗(yàn)1中工具中心點(diǎn)速度的變化情況。為了更好地闡述現(xiàn)象，特地選取了一個(gè)水平往返運(yùn)動(dòng)（即2個(gè)噴涂周期）的數(shù)據(jù)行進(jìn)分析。從圖中可以看出，在噴涂時(shí)，由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的限制，工具中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至工件兩側(cè)時(shí)，其速度大幅下降至400 mm/s左右。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工具中心點(diǎn)位于工具噴涂曲面上時(shí)，所有采集的速度中有近一半的值低于500 mm/s。而且根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)工具中心點(diǎn)速度下降時(shí)，其噴涂角度也往往無(wú)法保持90°的最優(yōu)值。因此通過以上分析可以預(yù)測(cè)，在實(shí)驗(yàn)1中工件兩側(cè)的涂層質(zhì)量應(yīng)該會(huì)比較差。
為了驗(yàn)證以上分析，在實(shí)物噴涂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用Elcometer 456涂層測(cè)厚儀測(cè)量工件上涂層的厚度。工件的側(cè)面水平周長(zhǎng)約為58 cm，每間隔0.5 cm取一點(diǎn)，可獲得在水平邊沿均勻分布的115個(gè)間隔點(diǎn)。由于噴涂時(shí)工具中心點(diǎn)是沿垂直方向的軌跡運(yùn)動(dòng)，因此在每個(gè)間隔點(diǎn)沿垂直方向的涂層厚度大致一樣。為了降低實(shí)驗(yàn)誤差和測(cè)量誤差，在涂層厚度計(jì)算中分別選取每個(gè)間隔點(diǎn)沿垂直方向上高、中、低3個(gè)位置點(diǎn)，每個(gè)位置點(diǎn)的涂層厚度測(cè)量5次，最后把這15個(gè)厚度測(cè)量值取平均即為該間隔點(diǎn)的平均測(cè)量厚度。由于起始時(shí)噴槍相對(duì)于工件表面是從右至左移動(dòng)，因此在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，定義工件左側(cè)的尖端為數(shù)據(jù)起始端。
圖16和圖17分別是實(shí)驗(yàn)1中的涂層厚度分布情況和實(shí)驗(yàn)2中涂層厚度分布情況。由圖可見，實(shí)驗(yàn)1中，工件中央的涂層厚度較為均勻，而兩側(cè)由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間限制的影響，涂層質(zhì)量大幅下降。而實(shí)驗(yàn)2中涂層厚度較為均勻，厚度基本保持在630 μm左右，僅在工件右側(cè)尖峰處涂層質(zhì)量有明顯的下降，這是因?yàn)樵诠ぜ覀?cè)尖峰處垂直噴涂面極為狹窄，涂料無(wú)法有效地附著。這個(gè)結(jié)論也與之前在工具中心點(diǎn)速度仿真中的分析結(jié)論相符。實(shí)物噴涂實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人軌跡生成方案(實(shí)驗(yàn)1條件)相比，本文提出的方案(實(shí)驗(yàn)2條件)復(fù)雜曲面的噴涂效果更好，更適于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。
5 結(jié)論
本文提出了一種基于離線編程技術(shù)的噴涂機(jī)器人第七軸的噴涂軌跡生成優(yōu)化方案，旨在通過引入?yún)f(xié)調(diào)的第七軸擴(kuò)展噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，使其能夠完成復(fù)雜工件曲面的噴涂。
文中介紹了該方案在RobotStudio ABB機(jī)器人仿真平臺(tái)上的應(yīng)用開發(fā)方法，并通過兩個(gè)熱噴涂的對(duì)照實(shí)驗(yàn)說明了在面對(duì)復(fù)雜曲面工件時(shí)，噴涂機(jī)器人第七軸的引入確實(shí)能優(yōu)化工具中心點(diǎn)的速度，從而提高工件的噴涂質(zhì)量。因?yàn)楸疚奶岢龅膰娡寇壽E生成優(yōu)化方案是基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的特點(diǎn)，因此也適用于其他公司的噴涂機(jī)器人，因此具有較高的工程實(shí)用性。
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