（安川首钢机器人有限公司技术中心，北京100176）

0 前言

喷涂机器人是工业生产中重要的涂装设备。与手工喷涂相比，机器人喷涂的精确度更高，可以提高涂料利用率和产品质量、降低成本。另一方面，涂装车间的涂料悬浮颗粒、挥发性溶剂等都对人工喷涂操作工的健康有害[1]。因此，充分利用喷涂机器人来提高效率、降低成本和减少危害是整个涂装业的发展方向。

目前，大多采用手工示教的方法对喷涂机器人编程。该方法存在一些弊端：（1）对于小批量多品种的产品，示教工作量大；（2）喷枪的位姿选择很大程度上取决于操作工人的涂装经验，对示教人员的技术要求较高；（3）示教过程中生产线需要暂停，对于较复杂的工件，可能需要花费大量时间，降低了包括机器人在内的整条生产线的使用效率。

针对以上弊端并结合工件形状规则、仅尺寸变化的特点，安川首钢机器人有限公司开发了一款专门用于移动悬挂箱体喷涂系统的工业机器人自动离线编程软件。在此介绍机器人运动奇点问题以及软件的设计和使用情况。

1 机器人奇点

1.1 机器人奇点问题产生的原因

6轴串联机器人存在一个不可避免的特性，就是奇点。在奇点时，无法通过逆向运算将笛卡尔坐标系转化为轴的角度，如式（1）所示，并且笛卡儿坐标系内一点微小变化都会引起轴角度的剧烈变化[2]。

6轴串联关节机器人有3种奇点：腕部奇点、肩部奇点、肘部奇点。腕部奇点发生在4轴和6轴重合或平行时；肩部奇点发生在腕部中心（见图1中C点）位于1轴旋转中心线时；肘部奇点发生在腕部中心和2轴、3轴共面时（见图2）[2-3]。本研究提及工况所涉及奇点问题以腕部奇点为主。

图1 工业机器人各轴关节与腕部中心（C点）

当机器人以笛卡尔坐标系运动并经过奇点附近时，TCP点（Tool Center Point，工具中心点）的路径速度会显著减慢，某些轴的速度会突然变得很快。日本株式会社安川电机生产的Motoman工业机器人在奇点附近时，TCP点速度会有所减慢，若轴速过快会有段超出报警并停机。因此，需避免此类问题发生。

图2 机器人奇点

1.2 解决机器人奇点问题的主要方法

为了避免机器人轨迹经过奇点附近造成轴速的剧烈变化，主要采取以下两种方法。

（1）插入脉冲示教点。

奇点只存在于轨迹运动中，而由各轴脉冲值表示的示教点可控制机器人直接到达唯一位置和姿态，无需逆运算，即不存在奇点问题。故根据规划好的轨迹，通过选定合理的脉冲示教点，可以避免机器人在后续喷涂过程中发生奇点问题。

（2）修改MOVL指令为MOVJ。

MOVL是两点间直线运动的指令，MOVJ是两点间轴关节运动的指令。此方法仅适用于无需走直线的情况，机器人会按照内部底层算法自行调整出合理的轨迹和姿态，避免运动到奇点及其附近位置。

2 机器人系统的构成及特点

2.1 机器人系统的构成

整套喷涂机器人系统主要由上位机、工业机器人、喷涂设备以及工件传送装置构成。

工业机器人是2台日本安川电机生产的Motoman-EPX2050 Lemma（レンマ）型6轴喷涂机器人（见图3b），配备标准NX100机器人控制柜，分别用于喷涂工件的内外表面，工况如图4所示。

当不同尺寸的箱体或盖板悬挂在传送线上边移动边由机器人进行喷涂作业时，通过操作上位机软件，在生产线保持运转情况下，自动生成机器人程序并加载至机器人控制柜中依次调用。机器人会执行传送带同步功能，使喷涂与工件移动同步[4]。

图3 安川工业机器人Motoman-EPX2050

图4 喷涂工况

2.2 Lemma型喷涂机器人奇点问题分析

与通用型喷涂机器人（见图3a）相比，Lemma型喷涂机器人的使用优势在于：当工件基本处于机器人正前方时，腕部三关节结构方面的独特设计，使机器人出现腕部奇点的可能性很小（见图5a）。然而，在喷涂箱体这类较复杂的工件时，随着传送线的移动，在喷涂左右箱体两侧时仍可能出现4轴和6轴平行的腕部奇点问题（见图5b）。

图5 Lemma型喷涂机器人腕部奇点分析

出现奇点问题时，在喷涂程序指定TCP点的轨迹恒速的情况下，某些轴的速度可能会突然变快以致段超出（某轴瞬间转速过大）报警并停机，也可能为适应程序内容，出现“翻腕”动作（见图6a、图6b）。当出现向上翻腕的动作后，喷涂箱体下部或向机器人左侧喷涂时会发生机械干涉（见图6c）。

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图6 由于奇点问题出现的“翻腕”动作

因此，即使使用Lemma型喷涂机器人，在喷涂箱体这类复杂工件时仍需考虑如何避免奇点问题。

3 自动离线编程技术

3.1 编程软件的设计

本系统的软件部分包括上位机软件界面（由Microsoft Visual Studio编写）以及连接上位机和机器人控制柜的通讯软件MOTOCOM32[5]。

软件操作界面主要由工件参数、位置调整、喷涂设置、功能选项、程序控制按钮和程序序列显示等几部分构成，如图7所示。现场软件操作人员可根据实际工况输入相关参数，选择各项设置，点击控制按钮，实时按序地生成、加载、调用机器人程序。

图7 软件界面

3.2 仿真软件的应用

对于箱体这样形状规则的工件来说，离线编程完全可以省略图形操作的部分，为现场软件操作人员带来显著便利。因为在软件设计过程中，离线编程的部分任务可以利用仿真软件提前完成，3D动态模拟工况如图8所示。

图8 3D动态模拟工况

仿真软件以3D动画形式模拟验证编程软件生成的机器人作业程序是否可以顺利执行，是否符合生产要求以及实现喷涂轨迹的最优规划，调用程序时TCP轨迹的动态模拟如图9所示。

仿真试验发现，无论箱体的具体尺寸如何，在喷涂流程中奇点问题发生的相对位置大致相同，编程软件可以利用其共同特征生成具有相同格式的机器人作业程序。

3.3 应对同步跟踪和奇点问题的轨迹规划

图9 调用程序时TCP轨迹的动态模拟

为了避让奇点位置，纠正因奇点而产生的姿态异常，保证整个喷涂过程的顺利完成，需根据箱体的几何特征和随传送线移动到的大致相对位置来规划合理的轨迹；又因负责喷涂箱体内部的机器人的动作较复杂，遇到奇点问题的情况较多，故需在必要处增加脉冲控制点，以调整并纠正异常姿态。这些均可在仿真软件中得到验证。

一台机器人负责内部的喷涂任务，包括左右外棱边、底部外棱边、上外表面和箱体内部；另一台负责外部的喷涂任务，包括除上外表面之外的各外表面。

内部喷涂的轨迹规划原则是：喷涂棱边先左后右，喷涂平面先右后左、先上后下，底部外棱边的喷涂穿插在上下内表面喷涂之后。仿真试验和生产实践证明，这是同步跟踪喷涂时最合理的轨迹流程。

（2）脉冲控制点。

机器人向右喷涂左外棱边和右内表面时，由于TCP点上下恒速运动会使机器人接近腕部奇点位置可能出现“翻腕”动作，故需在此两步喷涂结束后插入脉冲控制点。另外，在下内表面喷涂结束后为喷涂底部棱边而“出箱”时，由于机器人姿态变化较大，同样会出现段超出报警，故在此处也插入脉冲控制点增加过渡动作。

通过加入上述脉冲控制点，虽然看上去有一些“不必要”运行轨迹和动作[6]，但能够有效避让奇点位置，纠正异常姿态，保证整个喷涂过程顺利完成。

3.4 自动控制的实现

生成机器人作业程序所需要的各数据完全实现了参数化，均可以由操作人员通过上位机软件实时输入，直接读取或间接计算得到。操作人员点击上位机软件界面上的按钮，通过内部通讯软件MOTOCOM32，控制机器人启动并依次调用程序，最大限度地减少人为介入，实现机器人自动离线编程。

4 结论

实践证明，系统功能完全符合客户需求，极大节约了人力成本，提高了生产效率。但由于静电喷粉受重力影响自然下落，使工件上部的着粉量少于下部的着粉量，尤其在工件内部棱角处表现较明显（见图10），一定程度上还需人工补喷上内棱边。如果再修改编程软件，使生成的程序中加入重复喷涂箱体内部上棱边的动作，相应减少对落粉堆积处的喷涂，能达到更理想的效果。

图10 喷涂效果

该自动离线编程技术不仅可以用于规划机器人的运动轨迹，生成移动悬挂箱体喷涂机器人的作业程序，还重点分析机器人奇点问题产生的原因和解决方法，并利用仿真软件来验证整个喷涂流程的合理性，形成最优化的程序结构。

本软件系统不仅有简洁直观的人机交互界面，便于操作，还利用机器人控制方面的各种优势实现对多尺寸、任意量箱体的喷涂，避免了现场对机器人的人工示教和离线编程时的图形操作，具有较高的推广应用价值。

[1] 祁文砚．喷涂机器人离线编程的研究和应用[D]．江苏：江苏大学，2014．

[2] Singularities in six-axis vertically-articulated industrial robots[OL]./blog/?p=107．

[3]Hayes M J D，Husty M L，Zsombor-Murray P J.Singular Configurations of Wrist-Partitioned 6R Serial Robots：a Geometric Perspective for Users[J].Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2002，26（1）：41-55.

[4]株式会社安川电機．NX100コンベヤ同期運転機能取扱説明書[Z]．2014．

[5] 张颖，曾孔庚．MOTOMAN机器人新型二次开发软件介绍[J]．机器人技术与应用，2012（4）：23-25．

[6] 叶晖．工业机器人实操与应用技巧[M]．北京：机械工业出版社，2010．