淺談ABB涂膠機(jī)器人的功能及應(yīng)用

淺談ABB涂膠機(jī)器人的功能及應(yīng)用
閆肅
（中國(guó)第一汽車集團(tuán)股分有限公司，長(zhǎng)春 130000）

0 引言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，伴隨著材料、機(jī)械加工、電子、控制、傳感器等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各大汽車生產(chǎn)廠。特別是隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，汽車產(chǎn)量的不斷增加，機(jī)器人的需求量也急劇增加。在這一背景下，對(duì)機(jī)器人的研究就顯得尤為重要。

1 噴涂機(jī)器人歷史已及現(xiàn)階段狀態(tài)
自從20世紀(jì)50年代第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)半個(gè)世紀(jì)，從機(jī)器人誕生到現(xiàn)在，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程?？v觀半個(gè)世紀(jì)以來(lái)機(jī)器人的發(fā)展歷史，機(jī)器人技術(shù)在需求的牽引下得到了巨大的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人學(xué)科越來(lái)越具有強(qiáng)大的生命力，它代表當(dāng)今信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)集成等技術(shù)的最新發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用于汽車、電器、摩托車、工程機(jī)械等制造業(yè)領(lǐng)域，從事焊接、裝配、噴漆、搬運(yùn)、包裝、檢測(cè)等作業(yè)。
本文通過(guò)轎車公司新建車間項(xiàng)目，通過(guò)安裝、調(diào)試ABB機(jī)器人IRB 2600，了解和熟悉機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理和工作原理。機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。
2 底涂機(jī)器人噴涂系統(tǒng)

2.1 ABB機(jī)器人 IRB2600簡(jiǎn)介
涂裝車間電氣化設(shè)備自動(dòng)化程度高，底涂作業(yè)采用2臺(tái)ABB 機(jī)器人IRB2600可完成大本分噴涂工作，減輕了人工勞動(dòng)的強(qiáng)度，改善了工人的工作環(huán)境，并在最大程度上保證了生產(chǎn)的有序進(jìn)行。機(jī)器人采用2個(gè)7軸（其中一個(gè)為附加的行走軸）機(jī)器人來(lái)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(jī)器人包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、末端執(zhí)行器系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作、示教再現(xiàn)以及存儲(chǔ)信息、I/O等。
自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要的參數(shù)，也就是由機(jī)器人的底座算起相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)部件的個(gè)數(shù)。機(jī)器人要按照人的要求完成工作，其末端執(zhí)行器必須達(dá)到所需要執(zhí)行任務(wù)的位置，而且要求末端執(zhí)行器必須有一個(gè)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(jī)器人由于作業(yè)范圍比較大，因此增加了一個(gè)行走的附加軸來(lái)完成噴涂要求。關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。

2.2 照相系統(tǒng)原理
底涂機(jī)器人主要是通過(guò)ISRA攝像系統(tǒng)進(jìn)行位置坐標(biāo)修正，用于攝像定位的矯正。車身定位測(cè)量系統(tǒng)CAPMES（Car Body Position Measurement System）是一個(gè)用于快速 3D 位置測(cè)量的系統(tǒng)。用于確定在3個(gè)位置坐標(biāo)內(nèi)以及在空間的3個(gè)相移角中與規(guī)定的理論位置之間的偏差。

測(cè)量利用4個(gè)CCD 相機(jī)進(jìn)行。系統(tǒng)在由相機(jī)所提供的圖像中分別識(shí)別到需測(cè)量的車身上一個(gè)或多個(gè)預(yù)先示教的特征，并由此計(jì)算出其位置作為測(cè)量結(jié)果。特征也就是各類工藝孔或沖孔或邊緣的交點(diǎn)。在生產(chǎn)中必須以足夠的精確度確保特征在車身坐標(biāo)中的位置。將測(cè)量所得的特征孔在車身坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置輸入到該系統(tǒng)中。由 CAPMES 所測(cè)定的位置用于對(duì)機(jī)器人程序進(jìn)行位置修正。為此必須將機(jī)器人和測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系相互協(xié)調(diào)。由相機(jī)所攝取的圖像以數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。
數(shù)字圖像由一個(gè)個(gè)圖像點(diǎn)（像素）構(gòu)成。每個(gè)像素都被分配了一個(gè)灰度值，以表示該圖像點(diǎn)的亮度?；叶戎悼梢匀?和255之間的值。一個(gè)灰度值為0的像素是黑色的。一個(gè)灰度值為255的像素是白色的，圖像處理利用不同的數(shù)學(xué)算法，以確定邊線或一個(gè)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(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后通過(guò)電壓值的高低，判讀視頻信號(hào)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(hào)，該電壓信號(hào)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(hào)，我們采用視頻采集卡提取行同步脈沖，消除隱性脈沖和場(chǎng)同步脈沖。采集卡內(nèi)部芯片的A/D轉(zhuǎn)換器，并配合從視頻信號(hào)分離出的同步信號(hào)，該采集卡可以直接將圖像信號(hào)采集到其內(nèi)部的RAM中，然后通過(guò)軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行處理。視覺系統(tǒng)灰度識(shí)別原理如圖1所示。



CAPMES 帶有全自動(dòng)校準(zhǔn)功能，測(cè)量都應(yīng)在一個(gè)規(guī)定的參考坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)。CAPMES 具有與機(jī)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(jī)器人時(shí)，傳輸時(shí)間也可以很短。其接口有以下幾種：數(shù)字輸入/輸出卡（24個(gè)輸入端和24個(gè)輸出端）、串行通訊卡（RS232或 RS422/RS485）、ProfiBus-DP 接口卡。在校正時(shí)將確定所需的設(shè)備幾何參數(shù)。在安裝了 CAPMES 的設(shè)備中有以下坐標(biāo)系：機(jī)器人坐標(biāo) R、參考坐標(biāo) O、車身坐標(biāo) K、相機(jī)坐標(biāo) B、校準(zhǔn)盤坐標(biāo) T。

機(jī)器人坐標(biāo)和參考坐標(biāo)也就是噴房坐標(biāo)之間的關(guān)系在調(diào)試機(jī)器人時(shí)建立后不再變化。根據(jù)這些坐標(biāo)，機(jī)器人就可以按照ISRA攝像定位系統(tǒng)測(cè)量所得的偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行程序調(diào)整，從而達(dá)到準(zhǔn)確噴涂的目的。并且根據(jù)其監(jiān)控帶來(lái)的各位置的偏移量，我們可以設(shè)定初始值，如果超出該值攝像系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，防止機(jī)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(jī)器人噴涂系統(tǒng)包括：ABB機(jī)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(yīng)用于工業(yè)控制。它通過(guò)用戶存儲(chǔ)的應(yīng)用程序來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程，具有可靠性高、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?？删幊绦蚩刂破魇前延?jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為工業(yè)自動(dòng)化提供的幾乎完美的現(xiàn)代化自動(dòng)控制裝置。
控制系統(tǒng)通過(guò)PLC收集和處理現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，底涂機(jī)器人的控制信號(hào)通過(guò)PLC噴涂系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(jī)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(chǎn)。Shop Floor Editor 使用熟知的Windows 編輯技術(shù)，因此學(xué)習(xí)及操作都很簡(jiǎn)單。Editor 包括Rapid 語(yǔ)法檢查器、一個(gè)Point Editor 和一個(gè)圖形化程序編輯的三維彩色圖形屏幕。
3 機(jī)器人調(diào)試編程

本章以ABB底涂機(jī)器人噴涂系統(tǒng)添加新車型調(diào)試為基礎(chǔ)，說(shuō)明調(diào)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(fù)制一個(gè)現(xiàn)有車型的程序，將名字改為新車型的名字，打開measurement style1，對(duì)車體進(jìn)行拍照，每個(gè)相機(jī)照一張照片，在照片上選取比較明顯的點(diǎn)作為特征點(diǎn)，選定特征點(diǎn)后需在車身底板的三維圖紙上找到特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，將坐標(biāo)值輸入到相應(yīng)位置。
其次是確定該特征孔的搜索范圍。右鍵點(diǎn)擊圖片，選擇100%放大，拉大或者縮小綠色范圍來(lái)定義搜索區(qū)域，范圍需大于正負(fù)25mm；定義特征孔的位置，通過(guò)修改綠色方框的范圍，點(diǎn)擊teach，來(lái)使右側(cè)的十字定位孔的中心，之后點(diǎn)擊result，檢查結(jié)果，直到結(jié)果為1。

3.2 人機(jī)界面添加新車型
現(xiàn)在系統(tǒng)已經(jīng)有3種車型，在人機(jī)界面上設(shè)置新車型的車型名稱和程序號(hào)，車型名稱和程序號(hào)通過(guò)數(shù)組對(duì)應(yīng)。代碼欄內(nèi)的車型數(shù)據(jù)信息通過(guò)數(shù)組地址訪問(wèn)的形式發(fā)送到PLC，無(wú)需更改PLC程序。添加完成后需要使PLC的數(shù)據(jù)和PC的數(shù)據(jù)相一致。點(diǎn)擊下方按鈕確認(rèn)數(shù)據(jù)一致。

3.3 機(jī)器人系統(tǒng)程序添加車型
增加該軌跡程序的自動(dòng)調(diào)用設(shè)置，在home\robodata\Routine_R21.SYS中把新車型的名稱填入到程序號(hào)索引的第4個(gè)位置，增加該車型的工件坐標(biāo)系，把計(jì)算出的數(shù)據(jù)填入home\robodata\workobj_R21.sys中的坐標(biāo)系內(nèi)。修改視覺系統(tǒng)例行子程序的調(diào)用索引，在user.sys內(nèi)的VMT索引表中，把車型代碼填入到第4個(gè)位置，當(dāng)程序號(hào)為4時(shí)自動(dòng)調(diào)用名為新車型的例行程序。

3.4. 機(jī)器人運(yùn)行程序編寫
ABB機(jī)器人編程語(yǔ)言類似C語(yǔ)言，編程原理是主程序調(diào)用子程序，每條語(yǔ)句其實(shí)是調(diào)用一個(gè)形參函數(shù)，語(yǔ)句內(nèi)部有運(yùn)行方式、開關(guān)槍、運(yùn)行速度、坐標(biāo)系等實(shí)參值。下面是UBS機(jī)器人主程序，主程序調(diào)用每一塊的分段程序，每一個(gè)分段程序都是由多條標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)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(duì)應(yīng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句的參數(shù)功能講解。



對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程調(diào)試實(shí)際上就是一個(gè)示教再現(xiàn)的過(guò)程。示教也就是通過(guò)計(jì)算機(jī)把人的作業(yè)命令發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人通過(guò)內(nèi)部的編碼器感知時(shí)間以及位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、工藝參數(shù)等信息，然后記錄到控制器中。機(jī)器人將獲得的運(yùn)行軌跡通過(guò)自身算法計(jì)算出每個(gè)軸的伺服運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)機(jī)器人就按照程序進(jìn)行工作,就是“再現(xiàn)”過(guò)程。示教再現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，在現(xiàn)場(chǎng)直接操作機(jī)器人即可完成，同時(shí)可以修正機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差，但是其缺點(diǎn)同樣明顯：因?yàn)橐加脵C(jī)器人方能完成示教再現(xiàn)，因此無(wú)法在生產(chǎn)中完成調(diào)試，這就給調(diào)試工作帶來(lái)一定的困難。

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

4.1 機(jī)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(zhǔn)備工作，例如在人機(jī)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(jīng)都介紹過(guò)，在這里主要介紹一下如何針對(duì)某車型如何建立一個(gè)獨(dú)有的噴涂軌跡程序。
由于各個(gè)車型所選用的底板不同，所以新車型來(lái)了就需要對(duì)其底板噴涂軌跡進(jìn)行示教。利用示教器，對(duì)機(jī)器人噴涂軌跡上的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定義，并且調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，讓機(jī)器人可以用最少的時(shí)間完成最多的工作。

4.2 機(jī)器人軌跡的后期優(yōu)化
當(dāng)機(jī)器人軌跡最初建立完畢之后，雖然噴涂的位置都已經(jīng)確定，但是噴涂的膜厚還未必達(dá)到要求，焊縫打膠還會(huì)有細(xì)微的偏差。這是就可以利用外部編輯器對(duì)軌跡進(jìn)行微調(diào)，但是如果需要增加程序段仍需要通過(guò)示教器來(lái)完成。例如，調(diào)整噴涂的膜厚可以通過(guò)調(diào)整噴涂的速度來(lái)改變。

5 結(jié)語(yǔ)
涂裝生產(chǎn)線ABB機(jī)器人與PLC控制、總線控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，使機(jī)器人的功能更加強(qiáng)大、操作更加方便，同時(shí)將操作工人從有毒、繁重、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)，極大地提高了工作效率。通過(guò)在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的一些問(wèn)題和不足，也促使我們不斷努力學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，不斷尋求更加有效的手段，讓機(jī)器人為中國(guó)的汽車制造業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。
（詳情見《現(xiàn)代涂料與涂裝》2018-5）