1. 前言

在生產汽車等批量型產品的過程中，各道作業工序都廣泛使用了機器人。而在船舶及橋梁等的大型鋼構件產品中，正在積極推進焊接工程的機器人化，它已成為工業生產中必不可少的一部分。而且為進一步構筑CIM（計算機集成制造系統）做著準備，也將它作為該領域下一步的開發目標。與焊接技術一樣，噴涂的機器人化也是重要的基礎技術之一。然而該領域的噴涂機器人化的研究還很少。 其原因之一是技術難度大而且比焊接的經濟效益差。 隨著社會的不斷進步，熟練的噴涂技術工人也急劇減少。另外，就象防止海洋污染采取的措施是要求油罐做成雙層底結構那樣，作為社會基礎的鋼構件產品要求更復雜的設計。在要求更高噴涂質量的同時，噴涂作業量也隨之增大。

在這種狀況下，我們開始開發鋼構件噴涂的機器人系統。目前有關機器人的研究成果已有很多，但作為機器人的應用研究，尤其是噴涂機器人的應用研究還很少，尤其是大型鋼構件噴涂的應用研究幾乎沒有。實際上有不少實用性的研究開發項目。例如，脫機的機器人運轉數據生成系統就是其中最重要的項目之一。該研究為生成的機器人軌道的實用精度評價，它是運轉數據生成系統的必要的輔助系統。對軌道精度有直接影響的機器人機構性能評價現已有采用雅可比行列式評價方法的研究成果，它能進行理論的、定量的處理，所以原則上可以用于軌道精度評價。然而這些研究的本來目的不是用于軌道評價，而是用與機構性能的評價和最佳軌道生成。鋼構件噴涂中要處理的軌道數目極大，無論如何要開發出既簡便又在短時間內能操作的軌道評價法。本報告即是為此目的而研究的評價法，該評價法提出對于工具的一定姿勢，找到能決定特異點的軌道，再根據該軌跡和軌道之間的定量位置關系，來判斷軌道精度可否的方法。以下介紹利用鋼構件噴涂的特點，確立實用的、簡便的評價方法。

2. 鋼構件噴涂機器人和軌道的評價

2．1鋼構件噴涂的運轉數據生成系統

為能構筑鋼構件噴涂機器人系統，必須從工件構造的特點、噴涂施工法、CIM化三個方面進行研究。而且為實現所設定的幾個開發課題，又必須先開發許多基礎技術。它們可分成機器人的機構、控制；噴涂施工技術；以及CAD/CAM等有關系統。

圖1鋼構件類型
作為噴涂對象的工件主要是橋梁構件和船舶構件，如圖1所示，是由板材構成的。其構造的特點是尺寸大、立體，而且還帶加固件等，結構復雜。舉一個例子，從機器人的位置來看船舶構件的一部分即如圖2所示。圖中機器人的左右、上面、正面都有鋼板圍著，而且在鋼板的縱、橫向都有構件。機器人噴涂鋼構件時，在確保噴涂質量的同時，還要保證鋼構件完整無損，噴涂效率還要高。為此，將機器人裝在叫作“placer”的三維機器人移動裝置（母體機器人）上，來選取噴涂面。此外，機器人運轉的編程已經不能用人工示教，因此采用NC控制方式的噴涂機器人和帶脫機編程功能的機器人運轉數據生成系統是必不可少的。在CIM下流的運轉數據生成系統的作用是適應鋼構件形狀，快速生成NC碼。運轉數據生成系統首先根據CAD數據識別鋼構件形狀，將其構造數據與數據庫積累的噴涂條件、噴涂施工法庫鏈接，生成機器人動作，再將NC數據輸出給噴涂機器人。

圖2 從機器人上看工件
2．2 NC噴涂機器人軌道精度的評價

NC噴涂機器人的運轉數據生成系統的動作生成中，評價所生成的機器人軌道是否準確的功能是系統必不可少的輔助系統。對生成的軌道應評價的項目有兩個，一個是軌道中的機器人與構件是否有碰撞；二是軌道精度。這里的軌道精度指的是工具前端（TCP：Tool Center Point）的位置經路精度和工具的姿勢經路精度以及經路速度精度的總稱。當然前提是能回避構件，還有為能進行穩定的噴涂作業及具有必要的作業技巧，確保軌道精度也是必不可少的。也就是說，運轉數據生成系統的作用是將能保證軌道精度的噴涂軌跡傳送給NC噴涂機器人。

但是，提供給運轉數據生成系統有關動作生成的信息，有被機器人設置的基準坐標中的構件構造數據和使用NC噴涂機器人的諸因素。如上所述，靠CAD的信息，數值識別構件構造后，以機器人諸因素之一的動作范圍等為基礎，來決定機器人原點的位置。再根據識別好的構件構造和所決定的機器人原點的位置，生成適合構件各部分的噴涂軌道和移動軌道。然而，此時生成的軌道精度是否十分準確，還不清楚。因為多關節型機器人在其動作范圍內的運動性能不一樣，它依賴于機器人的姿勢。即運動性能低的機器人姿勢，軌道精度也低。在采用人工示教方式編程時，操作員可以直接判斷其軌道精度。不行的話，不改變從構件方向看到的作業軌道，用手動方式操作“placer”，在機器人原點上移動，若運動性能更高的領域，能對機器人看到的新的機器人軌道重新編程。然而，NC機器人用的脫機編程中，用肉眼是不能看到軌道精度的，所以很難判斷。這也是必須要對運轉數據生成系統生成的軌道精度進行評價的理由。采用附加干擾校驗和軌道精度確認的動作生成的運轉數據生成系統的概略處理如圖3所示。這里可根據軌道評價的結果，修正機器人軌道。軌道精度的評價與干擾校驗一樣，都是運轉數據生成系統不可缺少的輔助系統。

圖3運轉數據生成
3. 特異區域和軌道精度的關系

3.1特異姿勢與軌道精度的關系

多關節型機器人的位置經路精度等的軌道精度會影響運動性能，而運動性能又會影響機器人的姿勢，這些在上一章已有論述。多關節型機器人在其動作范圍內，機器人機構和參數固有的特異姿勢都存在著，眾所周知，越靠近特異姿勢，其運動性能越差。（10）這是因為在軌道生成時的特異姿勢中，所要求的特定關節軸的回轉速度過大。其結果是損壞了TCP的位置、刀具姿勢、速度控制性能，致使軌道精度惡化。尤其是軌道的指定速度越大影響也越大。弧焊機器人的作業所需軌道速度為約100mm/min；噴涂機器人的軌道速度也必須保證約100mm/s。與焊直線相比，焊平面的機器人軌道焊道數相差懸殊，而采用特異姿勢的概率也相差懸殊。噴涂機器人因特異姿勢致使軌道精度惡化，這是個極其重要的問題。

軌道精度是由TCP的位置經路精度、工具的姿勢經路精度和經路速度精度構成。例如：如圖4所示，軌道精度的惡化有幾種原因造成，如噴涂面的噴涂圖形偏離目標位置、因噴槍到噴涂面的噴涂距離變化而引起噴涂層的厚薄不均、因速度改變而引起噴涂層的厚薄不均等。所以，這種特異姿勢附近的軌道精度的惡化，造成噴涂層不均，也不能確保噴涂質量。