涂胶机器人涂胶轨迹离线编程仿真技术应用探究

摘要：为提高涂胶机器人在线调试的效率，结合在改款车型的涂胶轨迹程序编制及调试中的应用经验，以车底焊缝胶机器人为例，从虚拟环境的搭建，离线编程，虚拟仿真3个方面对涂胶轨迹离线编程仿真技术进行了探究及论述。

实践证明，涂胶机器人涂胶轨迹离线编程仿真技术可有效提高在线调试效率，减少在线调试时间。

关键词：涂胶机器人离线编程
虚拟仿真
中图分类号：TQ639
文献标识码：B
DOI ：10.19710/ki.1003-8817.20190270
涂胶机器人涂胶轨迹离线编程仿真技术应用探究
王泽龙
潘雷亮
王圣男
乔伟
肖飞
（北京汽车股份有限公司，北京101300）
作者简介：王泽龙（1987—），男，中级工程师，硕士学位，主要研究涂装机器人的规划及技术应用。

1前言
目前机器人在汽车涂装喷漆工序中得到广泛
的应用，随着机器人技术的不断成熟以及车型对涂胶质量要求的不断提高，人力成本的增加，涂胶工序也逐步开始应用机器人。

目前在车底焊缝涂胶（UBS ），底部减震胶（UBC ），裙边胶（RPP ）等工序应用机器人较多。

随着对材料和涂胶质量要求的提高，水性阻尼胶（LASD ），内板涂胶也逐渐应用机器人[1]。

在新车型导入过程中，机器人涂胶轨迹的编制及调试，主要依靠在线示教。

在线示教的工作量大且周期较长。

涂胶轨迹离线编程仿真技术可以提高在线调试的效率，减少在线调试时间。

作者对涂胶离线编程仿真技术进行了探究，并在三款改款车型的涂胶轨迹程序编制上进行了应用。

从虚拟环境的搭建，离线编程，虚拟仿真三个方面对涂胶轨迹离线编程仿真技术进行了论述，希望为以后涂
胶机器人的规划建设项目及使用提供借鉴。

不同的涂胶工序因为工艺要求的不同，在涂胶轨迹程序的编制上也存在差异。

因车底焊缝胶的涂胶轨迹编程工作量和难度都比较大，因此主要论述了车底焊缝胶机器人的涂胶轨迹离线编程仿真技术。

2涂胶机器人站工作流程
涂胶机器人站包括机器人本体，七轴轨道，机
器人控制柜，站控制柜，视觉系统，输送装置，安全光栅，胶枪系统。

工作流程，新车型通过视觉系统测量，确认车身位置（工件坐标），该位置是调试和生产的基准。

生产时，车身进入站内，输送进行锁紧，然后视觉系统对车身位置进行测量，并将测量的位置偏差传输给机器人。

机器人接受位置偏差后进行涂胶。

涂胶完成后，车身出站。

3涂胶轨迹离线编程仿真
离线编程仿真是在PC 机上搭建虚拟环境，根
据车身数模和工艺要求完成机器人的涂胶轨迹编程，并进行虚拟仿真验证。

经过虚拟仿真验证合格的离线程序直接导入到现场供机器人使用。

因此离线编程仿真，需具有必要的虚拟环境，且虚拟环境和现实环境具备高复合度，这样经过虚拟仿真验证的离线程序，才具有实用性，真正起到提高调试效率，减少现场调试时间的作用。

目前喷漆机器人仿形离线编程仿真技术已经在广泛应用[2]，而涂胶机器人的涂胶轨迹离线编程仿真应用较少。

表1从机器人动作的复杂程度，工作空间，轨迹，作业对象，精度要求等5个方面和喷漆仿形离线编程仿真技术进行了对比。

因为涂胶轨迹离线编程仿真有不同于喷漆仿形离线编程仿真的特点，所以在编程仿真时需要重点关注极限位置，干涉，数模的质量，车身的位置精度等。

4虚拟环境
虚拟环境是离线编程仿真的基础，包括机器
人站和车身数模。

4.1
机器人站虚拟环境
机器人站虚拟环境包括机器人本体，七轴轨道，3D 胶枪，如图1所示。

在虚拟环境中，各机器人的位置（在世界坐标系下的位置）都是经过三维坐标测量过的，因此和现实环境的复合度满足离线编程的要求。

另外在编程时，为了能目视TCP 的位置，模拟涂胶喷幅状态，需要胶枪喷幅的数模。

4.2
车身底盘数模
车身底盘数模是离线编程仿真的作业对象。

高质量的底盘数模可以提高编程效率，并提高仿真的有效性。

底盘数模的处理方法如下。

a.所有零部件需要隐藏所有点、直线、曲线、草图、曲面等编程仿真不需要的数据，以减少车身数模占用的内存，提高离线编程软件的运行速度。

b.保留焊缝附近的零件，方便进行机器人和车身的干涉检查。

经处理后的车身底盘数模见图2。

离线编程时，需要根据工艺文件编制涂胶轨迹程序，但是二维的工艺文件不能直观的表示出涂胶位置，尤其是边角、多胶线等位置，在做离线编程时容易落漏。

使用涂胶路线数模（图3）可以解决这个问题。

车身底盘数模和涂胶路线数模的结合使用，能清晰地展现出涂胶路线，增加可视性，进而提高编程的效率。

5
轨迹编程
5.1
工具坐标和工件坐标
进行轨迹编程前首先需要确定工具坐标和工
件坐标（也称车身坐标）。

正确的工具坐标能保证
工作空间轨迹
作业
对象
涂胶轨迹离线编程仿真机器人工作空间小，机
器人之间以及机器人和车身之间容易发生干涉。

涂胶轨迹基本是独立的，轨迹间影响小。

作业对象是车身底盘，底盘数模比较复杂，处理喷漆仿形离线编程仿真
机器人之间以及机器人
和车身之间不容易发生
干涉。

仿形轨迹需要整体规
划，互相影响。

作业对象是车身外
板，车身外板数模较简
图1机器人站虚拟环境
图2车身底盘数模
图3
涂胶路线数模
实际喷涂时，胶可以涂到焊缝上，否则，会偏离焊缝。

采用3D胶枪，有3个枪嘴，每个枪嘴都对应1个工具坐标。

各个工具坐标在建站时已经建立，所以编程时只需调用即可，但是一定要确保各个枪嘴调用正确的工具坐标。

工件坐标是指车身坐标原点在世界坐标系下的位置，通过视觉系统测量建立。

因做离线编程时，还没有实车，所以无法进行视觉系统测量。

本文讨论的是改款车型的离线编程仿真，改款车型和老车型的位置没有变化，所以直接用老款车型的工件坐标。

5.2分区域编程
编程时，对车身的底盘进行分区域编程。

各区域的轨迹程序为子程序。

主程序中调用各子程序。

编程区域可以根据车身的物理结构进行划分，如轮罩，前地板，后地板，备胎，边梁，前机舱。

分区域编程，增加了程序的可读性，以及便于设置防碰撞。

5.3程序结构
程序包括主程序和子程序（轨迹程序），主程序结构如下。

a.选择机器人；
b.定义工件坐标；
c.接受视觉系统对车身位置偏差的校正值；
d.定义机器人运动的加速度和速度；
e.调用子程序（轨迹程序）；
f.设置防碰撞指令；
g.调用子程序（home位程序）；
h.释放机器人。

子程序（轨迹程序）结构如下。

a.选择机器人；
b.定义工具坐标和工件坐标；
c.接受视觉系统对车身位置偏差的校正值；
d.定义机器人运动的加速度和速度；
e.运动指令；
f.涂胶参数设置；
g.开关枪设置；
h.释放机器人。

5.4防碰撞设置
在完成各台机器人的轨迹程序以及主程序编制后，需要对机器人间可能存在的干涉区域设置防碰撞。

设置防碰撞是要避免在正常运行情况下，喷涂相近区域时，机器人间发生碰撞。

还要避免在喷涂过程中，如果某台机器人发生故障，防止其它机器人进入该喷涂区域。

防碰撞设置的方法如下。

a.合理规划机器人对各区域的喷涂顺序。

不同机器人对可能发生碰撞的区域进行分时喷涂。

b.添加防碰撞指令进行设置。

6虚拟仿真验证
6.1极限位置和奇点检查
利用3D-OnSite软件的极限位置检查和奇点检查功能，检查各点是否接近极限位置和奇点位置。

为保证车身位置变动时，机器人不会出现极限位置报警，各轴离极限位置至少预留5°的余量。

6.2节拍分析
在确保程序能正常运行后，需对整个机器人站进行运动仿真，并输出节拍。

整个站的节拍不能超过生产要求的节拍，且为保证各机器人的工作量均衡，各机器人的节拍差异不能太大。

如果不能满足上述要求，需要重新分配机器人的工作量或者修改程序直至符合要求。

6.3干涉验证
干涉验证的内容如下。

a.验证防碰撞指令的设置是否生效；
b.验证在正常运行时，机器人与机器人之间，机器人与车身之间是否有干涉。

在机器人运行时如果有干涉，干涉的部位会显示红色；
c.验证某台机器人在home位，其它机器人运行，是否存在干涉。

6.4平顺性验证
涂胶时，机器人变换位姿，机器人会减速。

位姿变换越大，减速越明显，机器人的运行的平顺性也越差。

当减速超过50%时，机器人运行的平顺性很差，会产生明显积胶（图4）。

通过虚拟仿真可验证机器人运行时的减速情况。

对减速比较明显的
轨迹，需要调整轨迹程序。

调整的方法如下。

a.添加过渡点，让机器人位姿平顺转换；b.涂胶轨迹减少小角度（小于90度）转弯。

6.5
七轴运行验证
编程时，机器人七轴的位置是系统默认分配的。

如果直接使用默认分配的七轴位置，在喷涂某些区域时，七轴会出现频繁的微动，导致七轴的磨损加快，影响使用寿命。

因此需要对七轴的运行进行虚拟仿真验证并进行优化。

七轴频繁微动的优化方法是：通过虚拟仿真，寻找可以完成该区域涂胶的一个七轴位置，并把这个位置写入程序。

7结束语
涂胶机器人离线编程仿真技术得以应用，首
先具备完整的虚拟环境（机器人站的数模、车身数模）。

其次通过三维坐标测量技术精确确定机器人的位置，通过视觉系统确认车身的位置，保证了虚拟环境和现实环境具有高复合度。

最后虚拟仿真验证以及根据验证结果进行程序优化，保证了离线程序的可用性。

本文是以改款车型为基础进行论证的，工件
坐标用的是老款车型的。

那么对全新车型，没有实车之前如何确定工件坐标，是后期需要解决的一个课题。

参考文献：
[1]何彬等.新型水性阻尼材料在汽车涂装中的应用[J].涂料工业,2014,44（6）:61-68．
[2]王泽龙.涂装喷漆机器人仿形离线编程仿真技术应用探究[J].现代涂料与涂装,2019（2）:34-40．
图4
积胶问题。