噴涂機(jī)械臂軌跡規(guī)劃控制系統(tǒng)設(shè)計

劉 波，高清冉

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源 459000）

為了滿足各企業(yè)的實際應(yīng)用需求，需要將軌跡規(guī)劃算法與實際生產(chǎn)的噴涂工藝相結(jié)合，實現(xiàn)對噴涂機(jī)械手的軌跡自動規(guī)劃控制。以前，噴涂機(jī)器人的軌跡都是根據(jù)現(xiàn)場工作人員的指導(dǎo)，設(shè)定參數(shù)，再進(jìn)行最優(yōu)的噴涂軌跡，而不同的外形和形狀的工件，則需要重新設(shè)計，這對提高效率是非常不利的。而且，重復(fù)而又繁瑣的工作，會讓工作人員更加疲憊。軌跡規(guī)劃控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對噴涂機(jī)器人手臂的操作進(jìn)行控制，能夠?qū)娖岬某叽邕M(jìn)行精確的控制，從而實現(xiàn)對復(fù)雜表面的噴涂，并實現(xiàn)了對工件噴涂過程的監(jiān)測，實現(xiàn)了軌跡規(guī)劃與監(jiān)測的綜合效應(yīng)。該軌跡規(guī)劃控制系統(tǒng)能有效地減少傳統(tǒng)的手工指導(dǎo)作業(yè)，提高作業(yè)、管理的效率，保證作業(yè)的安全性。

1 體系結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)生產(chǎn)和使用的需要，本文對軌跡自動規(guī)劃控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。機(jī)器人的軌跡自動規(guī)劃控制系統(tǒng)主要由兩個主要內(nèi)容組成：工件的噴涂過程實時監(jiān)測和離線噴涂軌跡的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，給出了噴涂機(jī)器人的自動軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。噴涂機(jī)器人手臂包括4臺噴涂底漆、6臺噴涂色漆、4臺噴涂清漆，共計14臺ABBIRB5400噴涂機(jī)械臂。離線噴涂軌跡設(shè)計是根據(jù)軌跡生成的，然后是工件三維模型的獲取、工件曲面的分析、噴涂軌跡的設(shè)計、噴涂線路的離線仿真。各功能模塊分別設(shè)計了相應(yīng)的用戶界面，便于操作人員進(jìn)行流程化的設(shè)計。根據(jù)通用化的方法，軟件分為兩個層面：接口層面和數(shù)據(jù)處理層面。

在C++語言和QT 架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了機(jī)械手噴涂軌跡自動規(guī)劃控制系統(tǒng)，見圖1。

圖1 自動規(guī)劃噴槍機(jī)器人的軌道設(shè)計體系

2 噴涂過程監(jiān)測

2.1 生產(chǎn)線軌跡運行監(jiān)測

針對所要研究的目標(biāo)，自動規(guī)劃噴涂機(jī)器人的軌跡規(guī)劃控制系統(tǒng)需要對工件的位置進(jìn)行分析和監(jiān)測。在噴涂工藝中，懸架的位置信息是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它的位置和噴槍的位置以及噴涂過程中的位置信息都是由噴涂的軌跡信息來決定的。

該系統(tǒng)能實時、直觀地將噴涂過程的狀態(tài)呈現(xiàn)在顯示屏上，便于操作人員對被噴工件進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確掌握，并能有效地減少工作人員的往返操作，有效地防止了油漆噴涂過程中的有毒氣體泄漏，從而提高了作業(yè)效率。作業(yè)掛車的位置，直接關(guān)系到噴漆機(jī)械手能否正常工作。在圖2中顯示了監(jiān)控過程。在此過程中，在工件掛車達(dá)到預(yù)定位置時，噴漆機(jī)器人就會開始工作。根據(jù)計劃的軌道進(jìn)行操作。在進(jìn)行噴漆作業(yè)時，掛車會減速、低速、勻速行駛。噴涂機(jī)器人根據(jù)參數(shù)設(shè)置的參數(shù)，進(jìn)行了反饋控制，使噴涂機(jī)器人能夠與軌道配合工作。

圖2 噴涂監(jiān)測過程

圖3顯示了掛車地面軌道的操作控制原理，在掛車到達(dá)預(yù)定的位置時觸碰到了紅外線傳感器，向控制主部件發(fā)送信號。指令傳至CPU，由CPU 進(jìn)行操作控制，噴涂機(jī)器人便會發(fā)出脈沖訊號至伺服驅(qū)動器。操作導(dǎo)軌與噴漆機(jī)械臂一起工作，電機(jī)轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速伺服運算來控制，然后由轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行相關(guān)的反饋校正，使之達(dá)到穩(wěn)定的輸出。

圖3 掛車地軌運行控制

2.2 噴涂機(jī)械手的操縱

本文采用ABB 公司的IRB5400噴涂機(jī)械臂作為研究對象。機(jī)器人的運動控制是西方國家最先提出的。20世紀(jì)70年代，斯坦福大學(xué)的機(jī)器人控制語言小組首先提出了WAVE 語言的概念，它是通過對運動和力量的分析，與人工智能方法相結(jié)合來實現(xiàn)的。

該系統(tǒng)可以利用離線程序進(jìn)行編程，然后在計算機(jī)上對其進(jìn)行仿真，經(jīng)過模擬和優(yōu)化后與CPU 相連。位置感應(yīng)器對工件掛車的就位進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)，就進(jìn)行噴漆。如果半成品掛車還沒有達(dá)到預(yù)定的地點，則繼續(xù)等待。圖4為噴涂控制流程。

圖4 噴涂系統(tǒng)的流程

2.3 離線噴涂軌跡設(shè)計

離線噴涂軌跡設(shè)計主要由工件三維模型獲取、噴涂軌跡設(shè)計、離線模擬模擬三個方面構(gòu)成。該系統(tǒng)利用QT 框架建立了噴涂軌跡圖形用戶界面，該界面是在Robot Studio機(jī)器人手臂控制軟件上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了工件的自動識別和軌跡規(guī)劃。

在QT 編程中，該軟件的圖形接口尺寸設(shè)定為1 920*1 080，能夠滿足普通計算機(jī)的要求。圖5中顯示了噴涂機(jī)器人的軌道規(guī)劃程序接口。其中，序號①是選擇噴涂機(jī)械手臂的設(shè)備，當(dāng)前只能選擇IRB5400型噴涂機(jī)械手臂；序號②是工件3D 模型的導(dǎo)入，當(dāng)前只能導(dǎo)入STL；序號③是軌道計劃的起始和隨后的軌道窗口；序號④是一個異常信號的反饋窗口；在整個信息列中，如果工件的識別有異?；蜍壍烙媱澋膯栴}。序號⑤為柔性控制選項窗，包含了兩種抖動處理方法，分別是：力-位相混合控制和自適應(yīng)控制。

圖5 噴漆機(jī)器人的軌道規(guī)劃端口界面

2.4 工件三維建模

工件三維建模是實現(xiàn)工件軌跡規(guī)劃的首要環(huán)節(jié)，它可以將工件的三維模型直接引入到噴塑件模型中。GUI 接口呼叫Robot Studio 標(biāo)識工件應(yīng)用系統(tǒng)，具有相同的系統(tǒng)特性，同時也為以后的計劃提供了一個簡潔的計劃。在圖形用戶界面的左下角，利用QPush Button 組件產(chǎn)生導(dǎo)入按鈕，并將其與父類組件連接。

當(dāng)前，只有在副接口中引入STL 格式的模型，才能對工件模型進(jìn)行正確的識別。導(dǎo)入保險杠模型視窗，可清楚地顯示所導(dǎo)入的STL 格式保險杠模式，見圖6。

圖6 保險杠模型視窗

2.5 軌道生成單元

在整個軟件系統(tǒng)中，軌道產(chǎn)生模塊是一個非常關(guān)鍵的部分，它以這個為中心，展示窗口位于軟件的中部偏上。通過采集到的零件的參數(shù)，可以根據(jù)需要選擇合適的噴漆機(jī)器人。引入力位混合控制或自適應(yīng)控制，并對運動軌跡進(jìn)行了優(yōu)化，降低了機(jī)械手的擺動。圖7中顯示了軌跡生成接口。

圖7 軌跡生成

利用五次多項式插值方法，在機(jī)器人Studio 工作站上建立GUI 接口連接系統(tǒng)模塊，然后通過Robot Studio 軟件實現(xiàn)對應(yīng)的噴涂軌跡。

3 結(jié)論

設(shè)計了一種用于噴涂機(jī)器人的軌跡規(guī)劃控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為兩個方面：流水線作業(yè)監(jiān)測與離線作業(yè)跟蹤。在生產(chǎn)中，動態(tài)噴涂軌跡的設(shè)計與生產(chǎn)線的操作速度密切相關(guān)，其中的軌道規(guī)劃也包括在內(nèi)。本系統(tǒng)基于Robot Studio 軟件的二次開發(fā)，采用QT 軟件開發(fā)了噴漆用戶界面。利用該系統(tǒng)對噴涂軌跡進(jìn)行了優(yōu)化，并將其用于工業(yè)噴涂軟件Shop Floor Editor 中，實現(xiàn)了噴涂過程的規(guī)劃和噴涂過程的仿真。