淺談ABB涂膠機器人的功能及應用

淺談ABB涂膠機器人的功能及應用
閆肅
（中國第一汽車集團股分有限公司，長春 130000）

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，伴隨著材料、機械加工、電子、控制、傳感器等相關技術的不斷進步，機器人已經被廣泛地應用于各大汽車生產廠。特別是隨著我國城市化進程的不斷推進，汽車產量的不斷增加，機器人的需求量也急劇增加。在這一背景下，對機器人的研究就顯得尤為重要。

1 噴涂機器人歷史已及現階段狀態(tài)
自從20世紀50年代第一臺工業(yè)機器人問世以來，機器人的發(fā)展已經半個世紀，從機器人誕生到現在，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程?？v觀半個世紀以來機器人的發(fā)展歷史，機器人技術在需求的牽引下得到了巨大的發(fā)展。隨著科學技術的不斷進步，機器人學科越來越具有強大的生命力，它代表當今信息技術、自動化技術、系統(tǒng)集成等技術的最新發(fā)展。工業(yè)機器人被廣泛地應用于汽車、電器、摩托車、工程機械等制造業(yè)領域，從事焊接、裝配、噴漆、搬運、包裝、檢測等作業(yè)。
本文通過轎車公司新建車間項目，通過安裝、調試ABB機器人IRB 2600，了解和熟悉機器人的結構原理和工作原理。機器人主要由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)組成。
2 底涂機器人噴涂系統(tǒng)

2.1 ABB機器人 IRB2600簡介
涂裝車間電氣化設備自動化程度高，底涂作業(yè)采用2臺ABB 機器人IRB2600可完成大本分噴涂工作，減輕了人工勞動的強度，改善了工人的工作環(huán)境，并在最大程度上保證了生產的有序進行。機器人采用2個7軸（其中一個為附加的行走軸）機器人來完成工作，避免了人在不宜久留的有毒的空間工作，最大程度地保證人身的安全。
IRB 2600機器人包括機械結構系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、末端執(zhí)行器系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要負責控制驅動系統(tǒng)動作、示教再現以及存儲信息、I/O等。
自由度是機器人的一個重要的參數，也就是由機器人的底座算起相對獨立運動部件的個數。機器人要按照人的要求完成工作，其末端執(zhí)行器必須達到所需要執(zhí)行任務的位置，而且要求末端執(zhí)行器必須有一個合適的能夠完成工作的姿態(tài)，也就是作業(yè)空間的概念。底涂機器人由于作業(yè)范圍比較大，因此增加了一個行走的附加軸來完成噴涂要求。關節(jié)式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。

2.2 照相系統(tǒng)原理
底涂機器人主要是通過ISRA攝像系統(tǒng)進行位置坐標修正，用于攝像定位的矯正。車身定位測量系統(tǒng)CAPMES（Car Body Position Measurement System）是一個用于快速 3D 位置測量的系統(tǒng)。用于確定在3個位置坐標內以及在空間的3個相移角中與規(guī)定的理論位置之間的偏差。

測量利用4個CCD 相機進行。系統(tǒng)在由相機所提供的圖像中分別識別到需測量的車身上一個或多個預先示教的特征，并由此計算出其位置作為測量結果。特征也就是各類工藝孔或沖孔或邊緣的交點。在生產中必須以足夠的精確度確保特征在車身坐標中的位置。將測量所得的特征孔在車身坐標系中的準確位置輸入到該系統(tǒng)中。由 CAPMES 所測定的位置用于對機器人程序進行位置修正。為此必須將機器人和測量系統(tǒng)的坐標系相互協調。由相機所攝取的圖像以數字形式存儲在計算機中。
數字圖像由一個個圖像點（像素）構成。每個像素都被分配了一個灰度值，以表示該圖像點的亮度。灰度值可以取0和255之間的值。一個灰度值為0的像素是黑色的。一個灰度值為255的像素是白色的，圖像處理利用不同的數學算法，以確定邊線或一個孔的位置。

攝像頭常分為彩色和黑白兩種攝像頭，主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點，當掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉換成與灰度成一一對應關系的電壓值，然后通過電壓值的高低，判讀視頻信號的灰度。攝像頭連續(xù)地掃描圖像，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。為了有效地獲取攝像頭的視頻信號，我們采用視頻采集卡提取行同步脈沖，消除隱性脈沖和場同步脈沖。采集卡內部芯片的A/D轉換器，并配合從視頻信號分離出的同步信號，該采集卡可以直接將圖像信號采集到其內部的RAM中，然后通過軟件對圖像信息進行處理。視覺系統(tǒng)灰度識別原理如圖1所示。



CAPMES 帶有全自動校準功能，測量都應在一個規(guī)定的參考坐標系內進。CAPMES 具有與機器人控制系統(tǒng)之間的集成式串行接口。由于這些接口部分是并行的，因此即使是有很多機器人時，傳輸時間也可以很短。其接口有以下幾種：數字輸入/輸出卡（24個輸入端和24個輸出端）、串行通訊卡（RS232或 RS422/RS485）、ProfiBus-DP 接口卡。在校正時將確定所需的設備幾何參數。在安裝了 CAPMES 的設備中有以下坐標系：機器人坐標 R、參考坐標 O、車身坐標 K、相機坐標 B、校準盤坐標 T。

機器人坐標和參考坐標也就是噴房坐標之間的關系在調試機器人時建立后不再變化。根據這些坐標，機器人就可以按照ISRA攝像定位系統(tǒng)測量所得的偏移數據進行程序調整，從而達到準確噴涂的目的。并且根據其監(jiān)控帶來的各位置的偏移量，我們可以設定初始值，如果超出該值攝像系統(tǒng)會報警，防止機器人的碰撞，有效地避免了碰撞故障的發(fā)生。

2.3 PLC控制系統(tǒng)
底涂機器人噴涂系統(tǒng)包括：ABB機器人、明信公司輸膠系統(tǒng)、ISRA攝像系統(tǒng)、西門子PLC控制系統(tǒng)。
可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）廣泛地應用于工業(yè)控制。它通過用戶存儲的應用程序來控制生產過程，具有可靠性高、穩(wěn)定性和實時處理能力強的優(yōu)點。可編程序控制器是把計算機技術與繼電器控制技術有機結合起來，為工業(yè)自動化提供的幾乎完美的現代化自動控制裝置。
控制系統(tǒng)通過PLC收集和處理現場的各種信號，底涂機器人的控制信號通過PLC噴涂系統(tǒng)的數據通信傳輸，如圖2所示。



2.4 Shop Floor Editor編程軟件介紹
Shop Floor Editor 是一款在Shop Floor 上優(yōu)化流程及編輯程序的高效快速的程序編輯器。尤其是在機器人噴房的安裝及操作階段，操作員需要頻繁地優(yōu)化Rapid 程序。它可讓你離線編輯Rapid 程序而不打斷生產。Shop Floor Editor 使用熟知的Windows 編輯技術，因此學習及操作都很簡單。Editor 包括Rapid 語法檢查器、一個Point Editor 和一個圖形化程序編輯的三維彩色圖形屏幕。
3 機器人調試編程

本章以ABB底涂機器人噴涂系統(tǒng)添加新車型調試為基礎，說明調試步驟和如何編寫程序。

3.1 ISRA視覺系統(tǒng)添加新車型
首先復制一個現有車型的程序，將名字改為新車型的名字，打開measurement style1，對車體進行拍照，每個相機照一張照片，在照片上選取比較明顯的點作為特征點，選定特征點后需在車身底板的三維圖紙上找到特征點的空間三維坐標，將坐標值輸入到相應位置。
其次是確定該特征孔的搜索范圍。右鍵點擊圖片，選擇100%放大，拉大或者縮小綠色范圍來定義搜索區(qū)域，范圍需大于正負25mm；定義特征孔的位置，通過修改綠色方框的范圍，點擊teach，來使右側的十字定位孔的中心，之后點擊result，檢查結果，直到結果為1。

3.2 人機界面添加新車型
現在系統(tǒng)已經有3種車型，在人機界面上設置新車型的車型名稱和程序號，車型名稱和程序號通過數組對應。代碼欄內的車型數據信息通過數組地址訪問的形式發(fā)送到PLC，無需更改PLC程序。添加完成后需要使PLC的數據和PC的數據相一致。點擊下方按鈕確認數據一致。

3.3 機器人系統(tǒng)程序添加車型
增加該軌跡程序的自動調用設置，在home\robodata\Routine_R21.SYS中把新車型的名稱填入到程序號索引的第4個位置，增加該車型的工件坐標系，把計算出的數據填入home\robodata\workobj_R21.sys中的坐標系內。修改視覺系統(tǒng)例行子程序的調用索引，在user.sys內的VMT索引表中，把車型代碼填入到第4個位置，當程序號為4時自動調用名為新車型的例行程序。

3.4. 機器人運行程序編寫
ABB機器人編程語言類似C語言，編程原理是主程序調用子程序，每條語句其實是調用一個形參函數，語句內部有運行方式、開關槍、運行速度、坐標系等實參值。下面是UBS機器人主程序，主程序調用每一塊的分段程序，每一個分段程序都是由多條標準語句組成。
PROC UBC ()
GAD_Front_Wheel;
GAD_Bottom;
GAD_Rear_Wheel;
UBS_Rear_Wheel;
UBS_Front_Wheel;
ENDPROC

程序共分為5段子程序，分別對應前輪罩焊縫密封程序、底板焊縫密封程序、后輪罩焊縫密封程序、前輪罩噴膠程序、后輪罩噴膠程序。圖3為一個標準語句的參數功能講解。



對機器人進行編程調試實際上就是一個示教再現的過程。示教也就是通過計算機把人的作業(yè)命令發(fā)送給機器人，機器人通過內部的編碼器感知時間以及位置、姿態(tài)、運動參數、工藝參數等信息，然后記錄到控制器中。機器人將獲得的運行軌跡通過自身算法計算出每個軸的伺服運動，工作時機器人就按照程序進行工作,就是“再現”過程。示教再現的優(yōu)點是簡單方便，在現場直接操作機器人即可完成，同時可以修正機器人機械結構帶來的誤差，但是其缺點同樣明顯：因為要占用機器人方能完成示教再現，因此無法在生產中完成調試，這就給調試工作帶來一定的困難。

4 底涂機器人的應用
在實際的應用過程中底涂機器人在涂裝生產線上取得了巨大的作用。例如，在某主機廠就得到了應用，在建線之初的選型階段，考慮到車間的產能及生產節(jié)拍問題，所以選擇了IRB2600型號的機器人。此型號的機器人既可以實現GAD焊縫密封的打膠功能，又可以實現UBS底板防護的噴膠功能，這樣的選型即節(jié)省了空間，又可以使得機器人實現功能的最大化，節(jié)省了人工和成本。

4.1 機器人程序的初建立
首先新車型建立新的噴涂程序之前需要做許多準備工作，例如在人機界面添加新的車型，在照相系統(tǒng)中添加新車型等。這些前期工作在本文之前已經都介紹過，在這里主要介紹一下如何針對某車型如何建立一個獨有的噴涂軌跡程序。
由于各個車型所選用的底板不同，所以新車型來了就需要對其底板噴涂軌跡進行示教。利用示教器，對機器人噴涂軌跡上的每一個點進行定義，并且調整機器人的姿態(tài)，讓機器人可以用最少的時間完成最多的工作。

4.2 機器人軌跡的后期優(yōu)化
當機器人軌跡最初建立完畢之后，雖然噴涂的位置都已經確定，但是噴涂的膜厚還未必達到要求，焊縫打膠還會有細微的偏差。這是就可以利用外部編輯器對軌跡進行微調，但是如果需要增加程序段仍需要通過示教器來完成。例如，調整噴涂的膜厚可以通過調整噴涂的速度來改變。

5 結語
涂裝生產線ABB機器人與PLC控制、總線控制、網絡通訊等國際先進技術相結合，使機器人的功能更加強大、操作更加方便，同時將操作工人從有毒、繁重、單調、危險的工作環(huán)境中解放出來，極大地提高了工作效率。通過在機器人的實際應用發(fā)現機器人的一些問題和不足，也促使我們不斷努力學習先進技術，不斷尋求更加有效的手段，讓機器人為中國的汽車制造業(yè)做出更大貢獻。
（詳情見《現代涂料與涂裝》2018-5）