[基金项目]广州南洋理工职业学院2023年度校级“创新强校工程” 大学生校外实践教学基地项目（NY-2023CQ-XWJD005）；广州南洋理工职业学院2024年度校级科研项目（NY-2024KYYB-01）.

Tecnomatix 软件是先进的工厂数字化、工艺规划和仿真软件，应用于机器人喷涂工作站的设计能够实现精确的工艺规划、布局布线优化、任务仿真等功能。实现优化和智能化的工作站设计^[1]。在喷涂行业生产过程中原料会产生一些对人体和环境不利的有害气体和光照射，机器人喷涂工作站的设计能够减少人工操作和劳动强度，降低人力成本。同时，合理的布局和安全措施能够提升工作站的安全性，减少事故风险。通过基于 Tecnomatix 软件的喷涂机器人工作站设计，可以实现工作站布局的优化和任务仿真，确保喷涂过程的精确性和稳定性。这将提高喷涂作业的效率和一致性，减少人为误差，提高产品质量，降低废品率。基于 Tecnomatix 软件的喷涂机器人工作站设计的选题来源于市场需求和技术创新的推动，其意义在于提升生产效率和质量，降低风险^[2]。

1.喷涂工作站总体方案设计 

1.1 喷涂作业对象分析

本文所设计的机器人喷涂工作站主要作业对象为钟形壳，喷涂生产作业流程需一气呵成，即使一些很小的失误也会导致不合格的喷涂产品产生。

1.2喷涂工作站仿真环境

机器人喷涂工作站需要建立包含机器人、喷枪、喷涂工件、作业环境模型的机器人仿真系统。在本文的机器人喷涂工作站中，包括有机器人、喷枪、转台、喷涂工件以及机器人控制柜等其他设备。

1.3喷涂机器人方案设计

本设计中考虑的是埃夫特公司生产的六自由度关节型喷涂机器人。该机器人结构紧凑、功能强劲、工作范围大、重复定位精度高。在喷涂行业中应用范围广 ，通用性较强，总体性能优异。喷涂机器人工作站仿真流程图如图1所示。

图1. 工作站仿真流程图

2. 喷涂机器人工作站仿真

2.1喷涂机器人的路径规划

在虚拟环境中，应用选定的路径规划算法计算出机器人的最优运动路径。优化路径，使得机器人能够高效、准确地完成喷涂任务。运行机器人，按照规划好的路径进行喷涂仿真。检查喷涂质量、喷涂效率和机器人运动是否符合预期。在软件中进行路径示教设计，新建复合操作CompOp ，设置起点Start ，不停改变机器人关节形态记录运动点位，在本设计中待喷涂物料需要旋转完成全面喷涂。最后添加home点让机器人回到安全位置。待轨迹规划完成后将路径设计完成后，将设置好的复合操作拖拽进入序列编辑器以及路径编辑器中，在路径编辑器中在机器人喷涂对应的点位添加命令进行喷涂。建立路径仿真如下图2所示。

图2. 机器人路径图

在路径编辑器中，我们需要其中的离线编程命令功能来实现机器人的喷涂动作，双击机器人喷涂的第一点位via1对应的离线编程命令，通过ChangeBrush和OpenPaint Gun两个指令完成漆刷和喷枪启动。同样的喷涂停止点位via2对应的离线编程命令我们赋予ClosePaint Gun指令使其喷涂停止。

2.2待喷涂零件设置与检验

网格颜色图层是一种在数字喷涂系统中用于监控和评估喷涂质量的工具。它通过在喷涂过程中创建一个虚拟的网格层，将喷涂效果映射到一个颜色编码的系统中，从而能够直观地识别出喷涂的不均匀性或问题区域。油漆成膜厚度和漆膜的均匀性是喷涂质量最重要的评价指标。只有达到了足够的漆膜厚度，油漆才能发挥充分的保护作用。同时，漆膜厚度越均匀，工件表面越美观，工件的抗腐蚀性能也越好。 为了获得膜厚均匀的喷涂效果，相邻喷涂轨迹之间需要有一定的重叠区域。

为了能显示喷涂完成效果，需要先将待喷涂零件创建喷涂实体，编辑漆刷，在所需喷涂的零件上创建网格，通过PDPS软件中的网格颜色图层来检测喷涂机器人工作完成质量，一共有多个阶段的不同颜色，可通过观察零件表面颜色来确定喷涂是否完成，是否出现漏喷、多喷的情况，不同的颜色对应不同的喷涂密度。喷涂距离是指喷枪中心到工件表面的垂直距离，喷涂距离越大上漆率越低，反之越高，但越易产生积漆而流挂现象，因此需要在注意把控喷涂距离。常规建议在 250~300mm。按照客户需求，通过改变喷枪与待喷涂零件之间的距离和机器人喷涂点位停留时间来控制喷涂的密度，实现喷涂精准控制。

2.3机运线与旋转挂件的设定

在本文所描述的机器人喷涂工作站设计中，为了实现待喷涂零件的全面喷涂，设计了一个流水线系统，在Tecnomatix 软件的资源库中，创建了一个名为"conveyer"的文件夹，其中包含了设计的流水线元素。

为了确保机器人能够准确地沿着预定的路径移动，利用Tecnomatix软件中的"多样曲线"功能，根据建立的轨道精心绘制了机器人的运动路径。在完成运动路径的绘制后，通过点击"定义机运线"功能，选择了绘制的机运线，并设置了相应的机运线速度，以保证喷涂过程的流畅性和效率。

为了实现零件的双面喷涂，设计中采用了旋转装置来翻转零件。这样，机器人可以在不同的角度和位置对零件的两侧进行均匀喷涂。为了确保旋转挂件能够正确地配合机器人的运动，将机器人喷涂位置所对应的旋转挂件模型放入资源库中的"device"文件夹中。在"device"文件夹中，为旋转挂件创建运动学模型，并对挂件的姿态进行了编辑。这一步骤至关重要，因为它确保了挂件能够在翻转过程中保持正确的位置和姿态，以便机器人能够准确地喷涂零件的每个部位。

此外，还为旋转挂件和机器人之间的交互定义了工具，并创建了逻辑信号，以实现挂件和机器人之间的同步运动。点开创建逻辑信号功能，先添加四个信号，再点击操作分别赋予这四个信号不同的指令。这些逻辑信号可以确保待零件运输到位在机器人喷涂第一遍完成之后，挂件开始翻转，以及在机器人喷涂完成后，挂件能够及时翻转回初始位置，为下一个喷涂过程做准备。通过这种方式，本文所设计的机器人喷涂工作站能够高效地完成零件的双面喷涂，保证了喷涂质量和效率，同时降低了人工操作的复杂性。

3. 喷涂工作站控制系统设计

3.1总体分析描述

对本文设计的喷涂机器人工作站而言，它的控制系统设计主要包括三个方面，分别为HIM界面的建立与开发、PLC控制程序的设计与实现以及机器人喷涂作业轨迹的示教编程。选用西门子旗下的博途V17软件来进行PLC控制程序的设计和HIM的建立。通过PLCSIM Advanced，用户可以模拟出真实生产线上的各种复杂控制逻辑和操作流程，从而在无需实际物理硬件的情况下，测试和验证PLC程序的正确性和可靠性。

在创建一个虚拟PLC实例后，用户可以在TIA Portal中轻松地将PLC变量与PDPS（过程数据点）信号相关联。PDPS信号通常代表了生产过程中各种设备和传感器的实时状态和参数。通过这种方式，用户可以确保仿真环境中的PLC与实际生产环境中的PDPS信号相匹配，从而确保仿真结果的准确性和实用性。

3.2 PLC程序编写及功能实现

系统初始化完成之后，默认进入自动控制状态，在自动控制状态下，程序会依据用户在触摸屏操作界面上的选择功能上进行操作，喷涂工作会自动进行。程序运行后，待传感器检测到零件到位后传送带停止悬挂夹紧，喷涂机器人开始工作，第一面喷涂完成后，零件旋转进行第二面喷涂。

3.3 HMI界面设计

HMI界面中主要分为自动、手动和信号三个界面，在自动界面中我们首先需要点击自动模式按钮将模式切换为自动模式，再点击急停按钮确保所有机构均已停止运行，急停成功后点击复位按钮待各机构复位成功点击启动工作站即可正常运行。自动模式界面如下图3所示。

图3.  自动模式界面图

信号界面则是通过观察信号灯是否两栖来监各机构是否到位起到实时监控的状态。编辑人机交互界面，使得用户能够有效地操作机器或系统。信号界面图如图4所示。

图4. 信号监控界面图

3.4仿真信号连接

综合利用TIA Portal和S7-PLCSIM Advanced 搭建虚拟仿真调试环境，实现由外部虚拟 PLC 控制喷涂工位的机器人工作。[为了实现PLC软件和仿真软件之间达成互通，在Tecnomatix  PDPS 软件里将所有创建的所要用到的信号进行PLC的关联。在PLC连接成功后，将软件里将所要用到的信号进行PLC 的关联，为仿真建立联系。

 图5. HIM与仿真结合运行界面

通过仿真和HIM结合的喷涂机器人工作站，可以显著提高工作效率。仿真技术可以在实际操作前预测和解决潜在问题，从而减少停机时间，提高设备运行效率。同时，HIM提供了直观的操作界面，使得操作人员可以更加便捷地控制机器人进行喷涂作业，降低操作难度，提高工作效率。

仿真技术的应用可以确保喷涂机器人在实际操作中遵循预设的轨迹和参数，从而保证喷涂质量。通过在仿真环境中不断优化喷涂参数，可以实现高质量的喷涂效果。此外，HIM提供了实时监控功能，使操作人员能够及时发现并解决喷涂过程中的问题，确保喷涂质量。

仿真和HIM结合的喷涂机器人工作站具有很高的安全性。在实际操作前，通过仿真技术可以预测潜在的安全风险，并采取相应措施加以防范。HIM提供了完善的安全防护功能，如紧急停止、故障诊断等，确保操作人员和设备的安全。

仿真和HIM结合的喷涂机器人工作站具有很好的易用性。仿真技术可以降低对新员工的培训时间，使操作人员快速掌握机器人操作技巧。HIM的直观界面使得操作人员可以轻松地调整喷涂参数，实现个性化喷涂。

4.结论

本文利用Tecnomatix软件成功设计并优化了一个机器人喷涂工作站，实现了高效、精确的喷涂作业。与传统人工喷涂技术相比，机器人喷涂提高了喷涂速度，保证了喷涂质量的一致性，并降低了劳动强度。仿真结果表明所设计的喷涂机器人工作站具有良好的工作稳定性和高效性。在不同工作情况下，机器人的运动轨迹和喷涂效果均能满足设计要求，达到了预期的喷涂效果。

参考文献

[1]李颖,高岚,朱志松.面向智能制造场景的机器人数字孪生建模与控制[J].系统仿真学报, 2024(7).

[2]周丹,管佳燕,凌雯雯,等.Tecnomatix虚拟仿真在智能生产线教学中的应用[J].科技与创新, 2024(7):179-181.