数控喷涂机器人的轨道精度评价法

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1. 前言

在生产汽车等批量型产品的过程中，各道作业工序都广泛使用了机器人。而在船舶及桥梁等的大型钢构件产品中，正在积极推进焊接工程的机器人化，它已成为工业生产中必不可少的一部分。而且为进一步构筑CIM（计算机集成制造系统）做着准备，也将它作为该领域下一步的开发目标。与焊接技术一样，喷涂的机器人化也是重要的基础技术之一。然而该领域的喷涂机器人化的研究还很少。 其原因之一是技术难度大而且比焊接的经济效益差。 随着社会的不断进步，熟练的喷涂技术工人也急剧减少。另外，就象防止海洋污染采取的措施是要求油罐做成双层底结构那样，作为社会基础的钢构件产品要求更复杂的设计。在要求更高喷涂质量的同时，喷涂作业量也随之增大。

在这种状况下，我们开始开发钢构件喷涂的机器人系统。目前有关机器人的研究成果已有很多，但作为机器人的应用研究，尤其是喷涂机器人的应用研究还很少，尤其是大型钢构件喷涂的应用研究几乎没有。实际上有不少实用性的研究开发项目。例如，脱机的机器人运转数据生成系统就是其中最重要的项目之一。该研究为生成的机器人轨道的实用精度评价，它是运转数据生成系统的必要的辅助系统。对轨道精度有直接影响的机器人机构性能评价现已有采用雅可比行列式评价方法的研究成果，它能进行理论的、定量的处理，所以原则上可以用于轨道精度评价。然而这些研究的本来目的不是用于轨道评价，而是用与机构性能的评价和最佳轨道生成。钢构件喷涂中要处理的轨道数目极大，无论如何要开发出既简便又在短时间内能操作的轨道评价法。本报告即是为此目的而研究的评价法，该评价法提出对于工具的一定姿势，找到能决定特异点的轨道，再根据该轨迹和轨道之间的定量位置关系，来判断轨道精度可否的方法。以下介绍利用钢构件喷涂的特点，确立实用的、简便的评价方法。

2. 钢构件喷涂机器人和轨道的评价

2．1钢构件喷涂的运转数据生成系统

为能构筑钢构件喷涂机器人系统，必须从工件构造的特点、喷涂施工法、CIM化三个方面进行研究。而且为实现所设定的几个开发课题，又必须先开发许多基础技术。它们可分成机器人的机构、控制；喷涂施工技术；以及CAD/CAM等有关系统。

图1钢构件类型
作为喷涂对象的工件主要是桥梁构件和船舶构件，如图1所示，是由板材构成的。其构造的特点是尺寸大、立体，而且还带加固件等，结构复杂。举一个例子，从机器人的位置来看船舶构件的一部分即如图2所示。图中机器人的左右、上面、正面都有钢板围着，而且在钢板的纵、横向都有构件。机器人喷涂钢构件时，在确保喷涂质量的同时，还要保证钢构件完整无损，喷涂效率还要高。为此，将机器人装在叫作“placer”的三维机器人移动装置（母体机器人）上，来选取喷涂面。此外，机器人运转的编程已经不能用人工示教，因此采用NC控制方式的喷涂机器人和带脱机编程功能的机器人运转数据生成系统是必不可少的。在CIM下流的运转数据生成系统的作用是适应钢构件形状，快速生成NC码。运转数据生成系统首先根据CAD数据识别钢构件形状，将其构造数据与数据库积累的喷涂条件、喷涂施工法库链接，生成机器人动作，再将NC数据输出给喷涂机器人。

图2 从机器人上看工件
2．2 NC喷涂机器人轨道精度的评价

NC喷涂机器人的运转数据生成系统的动作生成中，评价所生成的机器人轨道是否准确的功能是系统必不可少的辅助系统。对生成的轨道应评价的项目有两个，一个是轨道中的机器人与构件是否有碰撞；二是轨道精度。这里的轨道精度指的是工具前端（TCP：Tool Center Point）的位置经路精度和工具的姿势经路精度以及经路速度精度的总称。当然前提是能回避构件，还有为能进行稳定的喷涂作业及具有必要的作业技巧，确保轨道精度也是必不可少的。也就是说，运转数据生成系统的作用是将能保证轨道精度的喷涂轨迹传送给NC喷涂机器人。

但是，提供给运转数据生成系统有关动作生成的信息，有被机器人设置的基准坐标中的构件构造数据和使用NC喷涂机器人的诸因素。如上所述，靠CAD的信息，数值识别构件构造后，以机器人诸因素之一的动作范围等为基础，来决定机器人原点的位置。再根据识别好的构件构造和所决定的机器人原点的位置，生成适合构件各部分的喷涂轨道和移动轨道。然而，此时生成的轨道精度是否十分准确，还不清楚。因为多关节型机器人在其动作范围内的运动性能不一样，它依赖于机器人的姿势。即运动性能低的机器人姿势，轨道精度也低。在采用人工示教方式编程时，操作员可以直接判断其轨道精度。不行的话，不改变从构件方向看到的作业轨道，用手动方式操作“placer”，在机器人原点上移动，若运动性能更高的领域，能对机器人看到的新的机器人轨道重新编程。然而，NC机器人用的脱机编程中，用肉眼是不能看到轨道精度的，所以很难判断。这也是必须要对运转数据生成系统生成的轨道精度进行评价的理由。采用附加干扰校验和轨道精度确认的动作生成的运转数据生成系统的概略处理如图3所示。这里可根据轨道评价的结果，修正机器人轨道。轨道精度的评价与干扰校验一样，都是运转数据生成系统不可缺少的辅助系统。

图3运转数据生成
3. 特异区域和轨道精度的关系

3.1特异姿势与轨道精度的关系

多关节型机器人的位置经路精度等的轨道精度会影响运动性能，而运动性能又会影响机器人的姿势，这些在上一章已有论述。多关节型机器人在其动作范围内，机器人机构和参数固有的特异姿势都存在着，众所周知，越靠近特异姿势，其运动性能越差。（10）这是因为在轨道生成时的特异姿势中，所要求的特定关节轴的回转速度过大。其结果是损坏了TCP的位置、刀具姿势、速度控制性能，致使轨道精度恶化。尤其是轨道的指定速度越大影响也越大。弧焊机器人的作业所需轨道速度为约100mm/min；喷涂机器人的轨道速度也必须保证约100mm/s。与焊直线相比，焊平面的机器人轨道焊道数相差悬殊，而采用特异姿势的概率也相差悬殊。喷涂机器人因特异姿势致使轨道精度恶化，这是个极其重要的问题。

轨道精度是由TCP的位置经路精度、工具的姿势经路精度和经路速度精度构成。例如：如图4所示，轨道精度的恶化有几种原因造成，如喷涂面的喷涂图形偏离目标位置、因喷枪到喷涂面的喷涂距离变化而引起喷涂层的厚薄不均、因速度改变而引起喷涂层的厚薄不均等。所以，这种特异姿势附近的轨道精度的恶化，造成喷涂层不均，也不能确保喷涂质量。