施釉机器人离线示教装置及示教方法

摘要

一种施釉机器人离线示教装置，属于工业机器人领域。其示教机构与施釉机器人具有相同的自由度、相同铰链类型和数量、相同机构尺寸和相同的工作空间，各关节之间用连杆连接，它们的转轴上均连接编码器。示教机构末端安装示教喷枪，人工手握示教喷枪进行示教，数据采集单元采集、记录各关节位置速度和喷枪开关状态。示教机构末端安装接触开关，测量工件表面形状尺寸，在计算机内建立工件三维模型。施釉过程仿真软件模拟施釉过程工件表面釉料堆积过程及厚度分布；数据传输单元将示教得到的数据生成控制程序给施釉机器人，机器人按照数据序列执行施釉动作。本发明轻便灵活，示教效率高、操作方便，施釉过程仿真模拟可以预测工件表面釉层厚度分布情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业机器人领域，具体地说是一种施釉机器人离线示教装置，用于施釉机器人离线示教编程及施釉过程仿真模拟。

背景技术

现有的工业机器人编程主要有以下几种形式：

1.在线示教编程：在机器人现场，由操作者手把手或利用示教盒引导机器人终端按工作轨迹路线移动，并记录机器人关节角度信息；工作时，控制器读出存储的位置信息并驱动机器人重复示教时的轨迹和操作。

2.机器人离线编程：利用计算机图形学建立机器人及其工作环境的几何模型，对机器人所完成的任务进行离线规划和编程，并对编程的结果进行动态图形仿真，最后将满足要求的编程结果传给机器人控制系统。

3.虚拟示教编程系统：利用计算三维几何图形学构造虚拟环境和虚拟机器人，在虚拟模型中引入机器人机构、场景及约束条件，操作者面向虚拟环境，通过人机接口在虚拟场景中引导机器人的末端执行器进行虚拟示教，产生机器人作业轨迹，生成机器人语言程序，并进行相应的仿真与优化，传送给机器人执行。

上述三种编程方式中，在线示教编程直观、简单易行，其中手把手示教是早期的机器人示教方式，效率高，能够发挥工人的实际操作经验，尤其适于喷涂类对轨迹精度要求不高的作业，但由于示教中需克服机器人的重力、关节阻力等，工人劳动强度很大，运动不协调，且编程员处于机器人工作空间的危险环境中，现已较少采用。目前工业机器人普遍采用示教盒在线示教，尤其适于机器人点-点运动示教，对于连续运动轨迹操作，示教盒示教占用机器人时间较长，影响着机器人生产效率。离线编程不占用机器人工作时间，但系统要求操作人员具备专门的机器人知识和程序设计的能力，不能简单直接描述机器人作业任务，使用不方便。虚拟示教编程需要花费很大的精力构造虚拟环境，而且在计算机上操作虚拟机器人不如在线示教方便直观。

如果能构建一种集在线示教的操作方便、离线编程的不占用机器人工作时间和虚拟示教的过程仿真等优点于一身的机器人编程系统，无疑会推动机器人技术在实际生产中的应用与推广。

施釉是陶瓷生产中的重要工序，对于卫生洁具类大型、薄壁、形状复杂的坯体，通常采用喷釉法施釉，它是利用压缩空气将釉浆通过喷枪雾化并粘附于坯体上。喷釉过程中，喷枪与坯体的相对距离和相对运动速度、釉浆浓度、喷釉次数决定了釉层的厚度。机器人施釉是由机器人携带喷枪对工件表面喷釉。由于机器人施釉喷涂轨迹重复性高、釉层厚度一致性好，能够改善工作环境、提高生产率，实现生产过程自动化，自20世纪80年代，国内外一些陶瓷生产企业开始采用机器人对卫生陶瓷施釉，机器人施釉是卫生陶瓷生产的发展方向。

现有的施釉机器人普遍采用示教/再现工作方式，即采用示教盒点动操作机器人做喷釉运动，并记录喷枪喷涂过程中的各轨迹点位置；通过调整喷枪运动速度、设置喷枪的开/关后，机器人连续通过各轨迹点并对工件进行整体喷涂。主要存在以下问题：

1.工件表面釉层为多次喷涂累计得到，示教盒示教点动控制机器人逐点取得喷枪运动轨迹，工作效率低，示教效果差，占用机器人时间长。

2.因缺乏先进的釉层厚度测量手段，喷涂效果不直观。现有的釉层检验方法是将喷涂后的坯料打破测量其断面釉层厚度或烧成后观察釉面质量。一个新型工件的程序生成需经多次示教、施釉、试烧、检验等过程，示教周期太长。

3.对不合理示教轨迹在线不易调整。

上述问题严重制约着机器人施釉的普及应用。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的缺陷，一是提供一种实施方便、不占用机器人工作时间、结构简单、轻质灵活的施釉机器人离线示教装置；二是提供一种具有手工施釉经验的操作工引导示教机构进行手把手示教，同时数据采集系统采集、记录各关节位置和速度得到机构运动轨迹的施釉机器人离线示教装置的示教方法。

实现上述发明目的采用以下技术方案：一种施釉机器人离线示教装置，包括：示教测量单元、数据采集单元、施釉过程仿真软件和数据下载单元，所述的示教测量单元由示教机构、工件转台、示教喷枪和接触开关构成，该示教机构与实际施釉机器人具有相同的自由度、相同铰链类型和数量、相同机构尺寸和相同的工作空间，该示教机构的各关节之间用连杆连接，各关节转轴上安装有测量关节角度用的编码器，示教机构的末端安装有用于离线示教的示教喷枪或用于测量工件表面形状尺寸的接触开关，工件转台安装在转轴上，其转轴上安装有编码器；所述的数据采集单元由计算机、数据采集卡和数据采集软件构成，该数据采集卡内部与计算机通讯，其输入端口外与示教机构编码器、接触开关连接。

一种施釉机器人离线示教装置的示教方法，包括离线示教过程，所述的离线示教过程包括示教、工件表面尺寸形状测量、工件三维建模、施釉过程仿真、轨迹修正和示教数据下载过程，其方法是：

所述示教由操作者手握示教喷枪手柄带动示教机构模拟施釉过程动作，包括沿喷涂轨迹运动和开关喷枪，与此同时数据采集单元采集安装在各关节上的编码器信号，记录各关节位置和速度随示教进程的变化，得到机构施釉过程运动轨迹；数据采集单元同时记录喷枪的开关状态；

测量过程中由操作者引导机构用接触开关点按工件表面，接触开关接通时数据采集系统采集、记录各关节位置，计算机软件通过机构正解模型计算工件表面接触点空间位置，如此取得工件表面各点空间位置后，在计算机上建立工件表面三维模型；

所述施釉过程仿真软件模拟施釉过程工件表面釉料堆积过程及厚度分布；数据传输单元将示教所得到的施釉过程各关节角度、速度和喷枪状态数据序列生成机器人控制程序并下载给施釉机器人控制器，施釉机器人执行该程序进行施釉。

由于采用了上述技术方案，通过示教机构和数据采集系统实现施釉机器人手把手离线示教和工件表面测量；通过施釉过程仿真系统可以得到工件表面釉层厚度分布情况。该示教方法将手把手示教与离线编程技术相结合，操作方便，示教效率高；示教与喷涂过程仿真相结合，仿真结果直观显示涂层厚度分布情况，能够预测釉层缺陷。系统集示教、仿真与轨迹修正技术为一体，使得机器人编程更加简单方便，尤其适用于施釉类对机器人轨迹精度要求不高的场合，也可用于机器人喷漆操作。

附图说明

图1是本发明施釉机器人离线示教装置的测量单元示教时结构示意图。

图2是本发明施釉机器人离线示教装置测量工件表面形状尺寸时的结构示意图。

图3是本发明离线示教过程流程图。

图中，示教机构1，编码器2，示教喷枪手柄3，数据采集卡4，示教喷枪5，示教喷枪扳机6，工件7，工件转台8，工件转台编码器9，计算机10，接触开关11。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的描述。

本发明由示教测量单元、数据采集单元、施釉过程仿真软件和数据下载单元等组成。具体实施例如下：

参见附图1、附图2，示教测量单元由示教机构1、工件转台9、工件7、示教喷枪5和接触开关11构成。其中示教机构1根据实际施釉机器人设计制造，示教机构1又用作工件表面测量机构，它与施釉机器人具有相同的自由度、相同铰链类型和数量、相同机构尺寸和相同的工作空间，但各关节无驱动电机和减速器，仅用编码器测量关节角度。

示教机构1由六根转动关节组成，各关节之间用简单结构的轻质连杆连接。每个关节的转轴上都安装编码器2，用编码器2来测量关节角度。示教机构1的末端安装用于离线示教的示教喷枪5。示教喷枪5上设有示教喷枪手柄3和示教喷枪扳机6，示教喷枪扳机6的电信号接入数据采集卡4的输入端口。

工件转台8安装在竖轴上，可绕竖轴转动，其竖轴上接有工件转台编码器9，工件7放置在工件转台8上随工件转台8转动。示教机构1与工件转台8之间和实际施釉机器人与其工件转台8之间具有相同的空间位置关系，工件7为实际施釉工件或与其形状尺寸相同的模型。

数据测量单元由计算机10、数据采集卡4和采集软件组成。数据采集卡4与计算机10的主板或外部接口相连，将采集的数据传递给计算机10，数据采集卡4的信号输入端口与示教机构的编码器2、示教喷枪扳机6、接触开关11、工件转台编码器9连接，其作用是：读取各编码器2、9的位置信号和开关状态信号。接触开关电信号接入数据采集卡输入端口。计算机10内的数据采集软件记录处理上述信号。

本发明的示教方法：

附图1为示教测量单元示教时的实施例，此时示教机构1末端装示教喷枪5。示教过程中，操作人员手握示教喷枪手柄3进行示教，即操作工按照实际喷釉动作过程对工件7模拟施釉运动，同时根据需要勾动示教喷枪扳机6。为完成工件整体表面施釉，操作工还不断转动工件转台8。示教过程中，示教机构1在示教喷枪5的带动下其位姿不断发生变化，数据采集单元实时采集记录示教机构1各关节编码器2的角度、示教喷枪扳机6开、关状态、工件转台8的编码器9的角度等信号。

附图2为示教测量单元测量时的实施例，此时示教机构1末端安装用于测量工件表面形状尺寸的接触开关11。测量过程中，操作人员将接触开关11按向工件7表面被测点，开关信号接通后数据采集单元采集示教机构1各关节编码器2的角度和工件转台编码器9的角度信号；计算机内部软件依据机构正解模型计算、记录被测点空间坐标。如此按照一定规律取得工件7表面多点坐标后，计算机内部软件建立工件表面三维立体模型。

施釉过程仿真软件的功能是：模拟施釉过程工件表面釉料堆积过程及厚度分布，对示教轨迹和速度进行修正。施釉过程仿真软件根据示教过程记录的各关节位置通过机构正解计算喷枪位姿，依据测量过程中得到的工件表面三维模型和喷枪雾化射流内部釉料分布数学模型，示教得到的喷枪轨迹及速度和开关状态、在计算机内模拟施釉进程中工件表面釉料堆积过程及施釉完毕后工件表面釉层厚度分布，突出显示釉料过厚和过薄的部位。用仿真软件对示教轨迹或速度进行修正。数据传输单元将示教所得到的施釉过程各关节角度、速度和喷枪状态数据序列生成机器人控制程序并下载给施釉机器人控制器。

根据实际施釉机器人程序格式要求将经仿真、修正的各关节位置和速度、喷枪5的开关状态、工件转台8转角位置等数据生成施釉过程控制程序，并下载到施釉机器人控制器，机器人在该程序控制下进行施釉作业。

图4是本发明离线示教过程实施例，本发明的示教过程通常包括示教、测量工件表面尺寸形状、生成工件三维立体模型、施釉过程仿真、釉层厚度分析，看其分布是否合理，如果合理自动生成施釉机器人控制程序，并下载数据倒机器人控制器。反之修正轨迹路径和速度，再重返施釉过程仿真程序。如此循环。

以上是根据附图所示的实施方式所做的说明，这些实施方式只是个例说明，并不意味着限制。在本发明技术方案的指导下做出的实施方式，均属本发明的保护范围。