浅析机器人自动化涂胶系统应用设计

浅析机器人自动化涂胶系统应用设计

滕广力

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

【摘要】机器人自动化涂胶由于其稳定的工作特性和良好的产品质量在汽车制造等工业领域已经得到了广泛的应用。但是对于工业制造领域中某些体积较大、刚性较弱、变形较大的部件，特别是部件的连接处，由于末端TCP的定位困难，在涂胶过程中，还是以手工涂胶为主，未实现自动化。手工涂胶对操作人员的技能水平要求较高，难以保证涂胶质量的一致性，因此有必要对如何实现机器人自动化涂胶作业的相关技术进行研究。本文通过论述机器人自动化涂胶系统的系统组成、工艺流程、数据通讯、TCP标定等方面的内容，以长桁和壁板连接处涂胶为例进行项目设计并试验应用了基于点云分析的机器人自动化涂胶系统。

【关键词】机器人   自动化   涂胶   点云分析

1.系统组成

机器人自动化涂胶系统一般包含机器人涂胶系统（如图1所示）一般包含机器人、涂胶末端、加工产品（本文以长桁与壁板组合件为例）、点云扫描装置。

图1涂胶系统示意图

本项目所使用的主要系统配置信息如表1所示。

表1系统配置

长桁与壁板的连接缝是两个面形成的交线，即涂胶的轨迹线，机器人带动涂胶末端沿着该线移动，并对涂胶末端的控制系统发送指令，完成涂胶过程。涂胶系统的位置精度主要是由机器人保证的，长桁与壁板连接缝密封的位置精度要求约在2mm左右，机器人的绝对定位精度受载荷重量、惯量匹配、精度补偿等影响，在开启位置补偿后，可以满足精度要求。点云扫描装置可以采用手持式的，手动完成点云采集，也可以将点云扫描装置安装在机器人末端上，基于离线编程实现机器人带动点云扫描装置自动化完成点云扫描。

2.工艺流程

点云扫描装置测量的点云数据是基于激光跟踪仪坐标系的，无需经过点云拼接就得到了完整的点云数据，实现了对产品外形的大范围测量。基于点云扫描装置的涂胶系统的特点在于充分利用点云扫描装置的全局高精度定位特性，采用实际测量的数据驱动涂胶系统运作（传统涂胶系统是采用手动试教的方式或完全基于离线编程实现涂胶轨迹控制）。在全局点云的基础上，结合点云分析技术实现对轨迹的提取，一方面提高了离线编程轨迹的精度，另一方面也可用于实际运动过程中碰撞监测，提高了安全性。此外，点云扫描装置测得的点云数据除用于提取涂胶轨迹外，还可以进行涂胶外形的质量检测。一个全自动化的典型涂胶工艺流程如图2所示。

图2涂胶工艺流程图

3.数据通讯

机器人涂胶过程中，需要控制的两个核心参数是轨迹和出胶流量。出胶流量是由机器人运动速度和胶条半径决定的，具有如下关系：

   （1-1）

其中，是出胶流量（cm3/s），是胶条半径（mm），是机器人点云扫描点的运动速度（mm/s）。在涂胶过程中，机器人的速度并不是定值，为了实现稳定的胶条半径，胶枪的出胶量需要适应机器人的实时速度。所以，机器人需要将点云扫描点的实时速度发送给涂胶末端的控制器，以此控制出胶量（FANUC机器人的TCP Speed Output软件包可以实现该功能，其余机器人也有类似功能的软件包）。在涂胶的启动和停止阶段，由于胶枪和产品之间有一定的间隙，会造成“堆胶”现象，所以胶枪的开启和关闭需要有一定的提前量。除了出胶流量的控制，在涂胶过程中，还需要对涂胶末端各个位置的温度、胶枪的预压力、胶枪的报警信息等进行控制和协调，这部分工作只是简单的数字量和模拟量的交互和时间上的等待。机器人、涂胶末端、上位机之间的交互和数据传输，如图3所示。

图3数据传输路线图

本项目中，机器人控制器是自动化涂胶控制系统的核心，一方面控制涂胶末端的定位，另一方面通过PLC向涂胶末端发送信息，实现对胶枪开闭和出胶速度等的控制。机器人与PLC通讯采用Profibus总线，PLC与涂胶末端通讯采用Profinet总线。点云的采集通过PolyWorks软件实现，并通过点云分析实现对涂胶轨迹的提取生成。轨迹信息经后处理形成机器人程序，添加针对涂胶控制的信息形成最终控制程序，该程序通过FANUC机器人的FTP服务器上传至机器人控制器，机器人利用该程序完成涂胶过程。

4.TCP标定

在涂胶末端安装到机器人上后，需要对其TCP进行标定。TCP的标定一般有两种方式，一是根据三维模型得到理论位姿，二是根据现场装配好的系统，基于六点法获取机器人TCP的位姿。由于涂胶末端的姿态对涂胶影响不大，可以认为其各轴与法兰盘平齐。这样可以用四点法确定末端TCP的位置。设法兰相对于机器人基坐标系的位姿矩阵为，机器人工具坐标系相对于法兰的位姿矩阵为，则有

（1-2）

即：

（1-3）

平移部分有，四个位姿可以构造四个等式，利用其两两差值可得：

（1-4）

即：

（1-5）

右式“+”代表广义逆，由此可解得，即TCP点。一般在机器人中已经集成了该标定模块。

5.项目试验过程及结果

在项目试验过程中，首先利用三维点云扫描装置扫描全局点云，进行点云分析，生成精确的涂胶轨迹，然后再自动进行离线编程，生成涂胶控制代码，最后通过机器人和涂胶末端的配合，实现全自动化、柔性化的涂胶过程。这种模式对产品本身的定位精度要求低，且能适应体积较大、刚性较弱、变形较大的产品，在技术成熟后，甚至不需要离线编程的验证，而是直接采用点云数据完成涂胶过程。试验件涂胶效果图如图4所示。

图4试验件涂胶效果图

6.结束语

本项目试验结果证明，经过点云扫描装置的点云分析，可形成精确的涂胶轨迹，通过对涂胶轨迹进行离线编程所形成的涂胶控制代码可有效的控制机器人实现自动化的涂胶过程，不但降低了人工劳动强度，提高了生产效率，而且确保了涂胶质量，适用于工业制造领域中体积较大、刚性较弱、变形较大的部件的连接处的自动化涂胶工艺流程。

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