KUKA库卡机器人在涂装车间的应用

图1 机器人坐标系对应关系

在涂装生产线中，KUKA机器人与总线控制、网络通信等国际先进技术相结合，使机器人的功能更加强大、操作更加方便，同时将操作工人从高温、繁重、单调、危险的工作环境中解放出来，极大地提高了工作效率。

在涂装生产中采用工业机器人代替人工操作，构成自动化生产单元或组成全自动生产线，是进行高速、高效、高质量的涂装生产的一种有效方法，也是现代生产技术的重要发展方向。

工业机器人简介

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，现已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。工业机器人在多个生产领域的使用实践证明，其在提高生产自动化水平、提高劳动生产率和产品质量以及经济效益、改善工人劳动条件等方面，有着令人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。

一汽轿车股份有限公司直属涂装车间底涂作业采用两台KUKA机器人，在一定程度上缓解了人工劳动的强度，改善了工人的工作环境，并最大程度地保证了生产的有序进行。底涂操作采用两个7轴(其中一个附加的行走轴)KR16机器人来完成;聚氨酯喷涂采用两个KR16 L6机器人来完成，避免了人在不宜久留的有毒空间的工作，最大程度地保证了人身的安全。

图2 各坐标系之间关系

1、工业机器人的组成

机器人由以下几个系统组成：

□ 机械结构系统;

□ 控制系统，主要负责控制驱动系统动作，包括示教再现以及存储信息、I/O等;

□ 驱动系统，包括电气的、液压的、气动的驱动系统;

□ 末端执行器系统。

图3 利用CAPMES对车身进行定位测量

2、工业机器人的自由度

自由度是指由机器人的固定端算起相对独立运动部件的个数。机器人要按照人的要求完成工作，其末端执行器必须达到所需要执行任务的位置，而且要求末端执行器必须有一个合适的能够完成工作的姿态，也就是作业空间的概念。举例说明，一个人的腰是一个回转的自由度，其大臂可以抬起来，小臂可以弯曲，那么这就是3个自由度，同时，腕部还有一个调整姿态来使用的3个自由度，所以一般的机器人有6个自由度，就能把空间的3个位置、3个姿态完全实现。

底涂机器人由于作业范围比较大，因此增加了一个行走的附加轴来完成喷涂要求;而聚氨酯的喷涂没有采用附加轴的形式，原因是在机器人安装期间技术人员增加了一个机器人与辊床之间信号处理的技术包，另外安装了相应的旋转变压器用以机器人计算相应的辊床的运动速度、车身位置跟踪等，因此车身喷涂是在车身与机器人都在运动的情况下完成的。

图4 直线差补运动的速度变化曲线

3、工业机器人的坐标系

工业机器人坐标系的选择也是机器人一个很重要的概念。机器人坐标系对应关系如图1所示。

机器人在底涂作业中的应用以及与摄像系统的结合

针对轿车公司混流生产的需要，技术人员在机器人喷涂前增加了一套读写系统，该读写系统能够将相应的车型信息包括车型代号、车身序列号、颜色信息等传递给机器人，与机器人的控制系统进行数据信息的交换，从而指导机器人进行相对应车型的喷涂。底涂机器人还与isra摄像系统进行了结合，用于摄像定位的矫正。CAPMES(车身定位测量系统)是一个用于快速3D位置测量的系统，用于确定在3个位置坐标内以及在空间的3个相移角中与规定的理论位置之间的偏差。测量利用4个CCD相机进行，系统在由相机所提供的图像中分别识别需测量的车身上一个或多个预先示教的特征，并由此计算出其位置以作为测量结果。特征也就是各类工艺孔、冲孔或边缘的交点。在生产中必须以足够的精确度确保特征在车身坐标中的位置。技术人员采用三坐标测量仪进行测量，然后将测量所得的特征孔在车身坐标系中的准确位置输入到该系统中。由CAPMES所测定的位置用于对机器人程序进行位置修正，为此必须将机器人和测量系统的坐标系相互协调，坐标系之间的关系如图2所示。

CAPMES带有全自动校准功能，测量都应在一个规定的参考坐标系内进行。利用CAPMES对车身进行定位测量如图3所示。

图5 直线差补运动的编程语言

CAPMES具有与机器人控制系统之间的集成式串行接口。由于这些接口部分是并行的，因此，即使是有很多机器人时，传输时间也可以很短。其接口有以下几种：

□ 数字输入/输出卡，带有24个输入端和24个输出端;

□ 输入/输出卡，带串行接口RS232或RS422/RS485;

□ Profibus接口卡;

□ Interbus接口卡。

在校正时将确定所需的设备几何参数。在安装了CAPMES的设备中有以下坐标系：

□ 参考坐标O，现场采用的是喷漆房坐标系;

□ 车身坐标K;

□ 相机坐标B;

□ 校准盘坐标T。

机器人坐标和参考坐标(喷房坐标)之间的关系在调试机器人时建立后不再变化。根据这些坐标，机器人就可以按照isra摄像定位系统测量所得的偏移数据进行程序调整，从而达到准确喷涂的目的，同时根据这一定位系统监控带来的各位置的偏移量，技术人员可以设定初始值，如果超出该值，摄像系统会报警防止机器人的碰撞，有效地避免碰撞故障的发生。

图6 空间差补运动的编程语言

机器人在聚氨酯喷涂中的应用

在喷涂聚氨酯的过程中，传感器以及旋转变压器将车身型号的信息以及车身的位置速度等传递给机器人，机器人安装了(暂不可见)nveyorTech 3.1的程序包，这样机器人就能够根据这些信息作出相应的判断，达到在运动中喷涂的目的。缺点是：由于旋转变压器在输送设备或者机器人停止运动时无法“记住”停止时的位置，随之而来的问题就是在输送设备发生故障停止运行并导致机器人停止工作时必须将车身擦净并推回到起始点重新喷涂。

机器人的防碰撞应用及讨论

谈到机器人在涂装车间的应用，有关碰撞的问题就在所难免。这是每一个使用者必须时刻注意的问题。碰撞包括机器人之间的碰撞以及机器人与车身的碰撞。为了避免机器人之间的碰撞，技术人员在底涂喷涂程序中增加了4个防止碰撞的区域;为了避免机器人与车身的碰撞，增加了摄像校正系统检查车身位置的偏差是否超出了规定的范围。但是，摄像系统只能监控车身位置与原始设定位置之间的偏差，因此在机器人调试初期，仍然存在机器人与车身碰撞的问题，这就要求程序在设定调试期间留有足够的空间应付偏差值。

图7 圆弧差补运动的编程语言

机器人的编程

对机器人进行编程调试实际上就是一个示教再现的过程。示教也就是通过计算机把人的作业命令发送给机器人，机器人通过内部的编码器感知时间以及位置、姿态、运动参数、工艺参数等信息，然后记录到磁鼓中。机器人将获得的运行轨迹拆解成各轴的伺服运动，工作时机器人就按照记录在硒鼓中的程序进行工作，即“再现”过程。目前，轿车公司的KUKA机器人只能进行示教再现的编程方法，无法完成离线编程。示教再现的优点是简单方便，在现场直接操作机器人即可完成，同时可以修正机器人机械结构带来的误差。但其缺点同样明显，因为要占用机器人方能完成示教再现，因此无法在生产中完成调试，这就给调试工作带来一定的困难。因此，如果能够增加仿真模拟的机器人程序，则能够带来很好的效果。

示教再现型机器人的编程语言实际上包含位置、差补类型、速度、加速度、工具、坐标系等信息。差补类型包括：

□ 直角坐标系中的直线差补，也就是使机器人末端执行器沿直线运动，其速度变化如图4所示，其编程语言方式如图5所示。

□ 空间的差补，只能使机器人从一个点到另外一个点，但无法保证机器人的运行轨迹，其编程语言方式如图6所示。

□ 圆弧的差补，使机器人末端执行器按照圆弧运动，其编程语言方式如图7所示。

KUKA机器人的维修

相对来讲，KUKA机器人的故障率不是很高。常发生的故障大多是读写站或者profibus网络方面引起的，因此在休息日时需要特别注意这些方面的检修。当然，电气方面比如DSE(digital servo-electronics)卡、RDC(revolver digital-converter)卡、ESC卡以及KPS电源等也会导致故障发生。常发生的电气方面的故障有以下方面：

□ 大约有60%的内部故障是由ESC引起的，约30%的内部故障是由KPS电源引起的。ESC引起的内部故障可以通过复位来解决，但是其无法复位外部急停引起的故障。

□ 黑屏是相对较多的故障，遇到这种现象，首先要检查PC box，如果无电则检查27V电源是否有输出，若有输出则可能是显卡、主板、内存条等问题，若无输出则检查保险丝是否断裂。

□ 若存在单轴报警的现象，则首先要怀疑并检查KSD电源，然后检查马达，如果损坏需要更换则必须关闭电源将其拆下，重新安装后必须重新标定零点。

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