基于KUKA Sim Pro的噴涂機器人仿真研究與噴涂效果分析

魏雄冬

（廣東省機械技師學(xué)院，廣州 510450）

隨著“工業(yè)4.0”的不斷發(fā)展和制造業(yè)全自動化的普及，制造業(yè)的制造過程變得越來越智能。很多環(huán)境惡劣、有害身體健康的崗位都已逐步被自動化設(shè)備代替，其中應(yīng)用最多的當(dāng)屬工業(yè)機器人。工業(yè)機器人的應(yīng)用場景很多，如焊接、打磨、搬運、碼垛和噴涂應(yīng)用等。在工業(yè)領(lǐng)域，噴涂一直應(yīng)用廣泛，特別是在汽車行業(yè)，但因為噴涂對人的傷害極大[1]，會長期損害人的身體，從事噴涂的工人也越來越少，所以噴涂工作的自動化變得尤為重要。

噴涂工業(yè)機器人是一種用在工業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)自動化設(shè)備，它能在工件表面均勻噴涂所需涂料。因為現(xiàn)在的工業(yè)機器人重復(fù)精度很高，所以得到的產(chǎn)品也可以達(dá)到很好的噴涂效果，而且噴涂機器人代替人工作業(yè)能夠達(dá)到更高的工作效率。同時，它能適應(yīng)有毒有害、易燃易爆、粉塵較多的工作環(huán)境，從而使工人在惡劣的環(huán)境中解放出來。

1 KUKA Sim Pro的噴涂功能

1.1 啟用噴涂功能插件

KUKA Sim Pro虛擬仿真軟件的噴涂功能在默認(rèn)狀態(tài)下沒有打開，需要手動打開后才能使用[2]。使用時，在文件面板下的導(dǎo)航面板上選擇“選項”，然后在選項下選擇“附加”，即可看到噴涂插件。在噴涂過程中，需要完成以下操作之一：若要啟用插件，則選擇啟用；若要禁用插件，則選擇禁用。開啟噴涂插件后，點擊確定即可，無需重啟軟件。

1.2 噴涂功能介紹

打開噴涂面板，如圖1所示。該面板由準(zhǔn)備幾何元、顯示顏料、測量、刪除顏料等部分組成。若要噴涂一個組件，需要為噴涂準(zhǔn)備幾何元、物料并選擇表面，組件的幾何元可鑲嵌成想要的細(xì)節(jié)層次用于噴涂。

圖1 噴涂面板

顯示顏料功能選項中可以顯示顏料的顏色和厚度。已準(zhǔn)備好的組件物料由一個顏色映射表定義，該顏色映射表能夠根據(jù)涂層厚度為幾何元指定物料。通常來說，已準(zhǔn)備好的組件沒有顏料，因此，其物料就是映射到零顏料厚度的物料。除一些特殊情況外，當(dāng)已準(zhǔn)備的組件被另一個組件覆蓋時，不會噴涂另一個組件覆蓋的任何表面區(qū)域，而且已準(zhǔn)備組件的細(xì)節(jié)層次會影響顏料印流，從而導(dǎo)致被遮掩區(qū)域的邊含有一些顏料。通常來說，這種情況會在組件幾何元的邊過長時才會出現(xiàn)。另外，有些噴涂槍可能不支持環(huán)境光遮蔽，因此，被遮掩的區(qū)域仍然會被噴涂。

3D世界的渲染會影響顏料的顯示，但不會影響其顏色，因此可以隨時在不同顏色模式之間切換或在表面顯示/隱藏顏料。在顏料面板上，若不想顯示任何顏料，則選擇“無”，若要使用顏色漸變顯示顏料，則選擇“顏色”，若要使用顏色間隔顯示顏料，則選擇“厚度”。

顏料厚度工具可用于測量和記錄已噴涂組件上任何表面點上的顏料厚度。默認(rèn)情況下，顏料厚度以微米（μm）為單位。在顏料面板上的測量組中，選擇“顏料厚度”，然后在3D世界中完成以下操作之一：若要顯示測量值，則指向一個已噴涂表面，顯示結(jié)果如圖2所示；若要記錄測量值，則選擇已噴涂表面上的一個點，這會為該測量點添加一個臨時注釋。

圖2 顯示測量值

2 噴涂系統(tǒng)搭建

2.1 噴槍工具選擇

在KUKA Sim Pro仿真軟件中，要使用噴涂功能，必須給機器人配置噴涂工具。噴涂工具可以從外部導(dǎo)入，也可以用軟件自帶的噴涂功能。因為外部導(dǎo)入的噴涂工具模型文件并不具備該軟件的一些智能組件屬性，需要自己重頭到尾配置制作，使用起來較麻煩，所以一般會選擇系統(tǒng)自帶的噴槍工具。系統(tǒng)自帶的智能組件噴槍工具有兩種，如圖3所示，其中一種是平行噴槍，另一種為帶45°角彎曲噴槍，本文選擇第二種進(jìn)行系統(tǒng)搭建。

圖3 噴槍工具

在噴槍工具屬性中，Distribution Map用于通過位圖定義距噴槍噴嘴不同距離的涂料分布，而Map Distances之間的分布是混合的，如果分布圖是單個圖像，則無論表面與噴槍噴嘴的距離如何，都將使用相同的分布，如圖4所示。在模擬運行期間，噴涂槍會以動態(tài)的方式為已準(zhǔn)備組件的幾何元添加紋理坐標(biāo)，這些坐標(biāo)能夠用于定義表面上顏料的厚度。因此，可以在3D世界中渲染之前或者之后更改顏料的顯示。表面上顏料的顯示方式有兩種：一種是使用映射至顏料厚度值的漸變色，會將顏色混合并且像在真實世界一樣顯示顏料的應(yīng)用；另一種是使用映射到顏料厚度值間隔的顏色，可以清楚地界定表面上的顏料厚度，如顏料厚度值為X的表面區(qū)域，其物料匹配規(guī)則為：X≤0，Y為白色；0＜X≤0.5，Y為藍(lán)色；0.5＜X≤1，Y為紅色。

圖4 噴槍涂料分布

2.2 搭建噴涂環(huán)境

噴涂環(huán)境由工業(yè)機器人、噴槍工具和噴涂目標(biāo)物組成[3]，由于需要做噴涂仿真研究，本文只搭建最簡單的系統(tǒng)環(huán)境。首選，選擇噴涂機器人，在所有模型搜索框中輸入“KR 60L45-3”，選擇“KR 60L45-3”機器人，并雙擊機器人加載到3D世界中。其次，找到Paint Gun噴槍工具，并將其加載到3D世界中，然后選擇PnP工具，將噴槍安裝到機器人法蘭盤。在創(chuàng)建完工業(yè)機器人和噴槍工具后，要想通過機器人編程控制噴槍工具，需要將工業(yè)機器人的輸入/輸出信號和噴槍工具的輸入/輸出信號連接起來。再次，在程序視圖下，勾選信號框，將機器人的“Out”信號連接到噴槍的“InSignal”信號，并將機器人輸出口設(shè)置成101端口[4]，如圖5所示。最后，需創(chuàng)建目標(biāo)物，在建模視圖下，創(chuàng)建一個箱體幾何元，并設(shè)定該幾何元尺寸的長寬高分別為10 mm、1 000 mm、1 000 mm。

圖5 機器人和噴槍IO信號配置

3 噴涂仿真編程

要完成噴涂仿真編程，除了編程機器人控制程序以外，還需選擇噴涂目標(biāo)物，并配置相關(guān)顏色、涂料等參數(shù)。本文以機器人走4個點的軌跡進(jìn)行噴涂，以研究噴涂仿真效果。在涂繪視圖下，先選擇“為涂繪準(zhǔn)備組件”，并選中組件為噴涂目標(biāo)物，然后設(shè)置最大邊長為50 mm，并選擇“準(zhǔn)備選中的組件”，之后選中噴槍，在噴槍組件屬性面板中，根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。示教噴涂點P1、P2、P3、P4如圖6所示。

圖6 示教噴涂點

上述操作完成之后即可編寫涂繪程序，此時要先規(guī)劃機器人運動軌跡[5]，使機器人回原點，移動到P1點后，打開噴槍，移動到P2、P3、P4點后關(guān)閉噴槍，確保機器人最終回到原點，程序如圖7所示。若要達(dá)到理想的噴涂顏色，還需配置噴涂效果、顏色、厚度等參數(shù)。在顏色設(shè)置下，選擇“編輯顏色映射圖”工具，設(shè)置有色顏料顯示。機器人噴涂完成后最終顯示的顏色取決于有色顏料的設(shè)置。除此之外，還需設(shè)置厚度顏料，這需要噴涂后根據(jù)不同的顏料厚度顯示不同的顏色，在對噴涂厚度有需要的應(yīng)用場所，此參數(shù)的設(shè)置非常必要。

圖7 噴涂測試程序

有色顏料和厚度顏料的設(shè)置如圖8所示，將有色顏料顯示范圍設(shè)定為0～250，厚度顏料顯示范圍設(shè)定為0～200，且都分為6個階段，以此為基礎(chǔ)開始做噴涂實驗。顏色配置完成后，啟動系統(tǒng)，使機器人按照噴涂軌跡行走，最終的噴涂顏色效果如圖9所示，從圖9中可以看出，越靠近噴涂中間顏色越深，越靠近噴涂邊沿，顏色越淺。除了看到厚度的顏色顯示，還能在不同的顏色上通過鼠標(biāo)左鍵，測量不同顏色厚度值，如圖10所示為不同厚度顏料區(qū)域?qū)?yīng)的厚度值。

圖8 噴涂顏色設(shè)置

圖9 噴涂顏色效果顯示

圖10 噴涂厚度顏色對應(yīng)的厚度值顯示

4 噴涂效果分析

當(dāng)噴槍打開時，每秒鐘都有限定的涂料量分布到目標(biāo)物表面，此時涂料體積等于噴槍流量乘以噴槍效率，如噴槍流量為1 cm3·s-1，噴槍效率為100%時，則涂料體積為1 cm3，這個體積分布在噴槍的錐形區(qū)域中，其面積S的計算方式為：

式中：X、Y分別為X向和Y向的噴霧直徑。

例如：噴槍屬性中X的參數(shù)值為300，Y的參數(shù)值為300，則錐形區(qū)域面積為70 686 cm2。因為噴槍使用的是橢圓形作為噴漆區(qū)域，所以分布圖上的涂料密度應(yīng)在圓形區(qū)域內(nèi)。

若分布圖為全白色，則分布到表面的涂料厚度L應(yīng)為體積與面積之比，例如：油漆體積為1 cm3·s-1， 面 積 為 70 686 cm2， 則 涂 料 厚 度 為0.001 41 cm。因為分布圖的實際分辨率會影響計算中每個“像素”的總涂料量，所以分布圖的分辨率會稍微影響厚度結(jié)果。若分布圖不是“全白”，則需要根據(jù)圖的像素值將涂料量分配到非黑色區(qū)域。因此，一個100%的白色像素將會比上述示例獲得更多的涂料。

通過在地圖上累積“白色”的總量來計算每個地圖的飽和度，然后，將總的地圖繪制區(qū)域除以該值以獲得該地圖的飽和度乘數(shù)。因此，總厚度為體積與面積的比值乘以像素值和飽和度。因為每秒噴射的涂料量相同，所以一個較小的分布圖/區(qū)域會比一個更大的分布圖產(chǎn)生更厚的涂料布局。另外，由于分布圖混合在地圖距離之間，頻率會影響涂料的效果，機器人移動速度越快，就需要越多的樣本，如圖11所示。當(dāng)涂料量相同時，表面角度（法線）與噴槍噴嘴角度之間的關(guān)系是通過增加表面積來影響涂料厚度，但此時涂料粒子的距離也可能會變化，并且不同的涂料粒子可能會使用不同的分布圖。

圖11 機器人移動速度噴涂效果

5 結(jié)語

通過對KUKA Sim Pro虛擬仿真軟件的噴涂功能進(jìn)行研究，首先，研究了仿真軟件的具備的噴涂功能。其次，通過軟件特有的智能組件以及軟件自帶的噴涂工具，在虛擬環(huán)境下搭建一個噴涂仿真系統(tǒng)。再次，通過模擬現(xiàn)實噴涂仿真，來驗證該軟件特有的涂繪功能，再細(xì)化到每一個參數(shù)，并研究了每一個參數(shù)的變化給噴涂帶來的影響。最后，研究了噴涂涂料的用量、噴涂的顏色、涂料的厚度、噴涂面積等參數(shù)，實現(xiàn)了參數(shù)的合理控制，為實際智能制造節(jié)約了成本，并減少了現(xiàn)場調(diào)試的工作量。