噴漆機器人應用技術研究與未來展望

　　涂裝是制造業中一項非常重要的工序，它能有效地防止工件受外界環境侵蝕，提高工件壽命，而且能美化工件外觀。目前在國內，涂裝工序主要還是靠人工完成，涂裝的質量受工人的技術熟練程度、心情等因素的影響很大。同時，涂裝過程中揮發出來的有毒氣體對工人的身體健康影響很大。實現涂裝過程自動化，具有巨大的社會與經濟效益。噴涂機器人就是一種典型的涂裝自動化裝備。使用機器人進行噴涂作業，工件涂層均勻，重復精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環境中解放出來。國際上將機器人應用到噴涂領域已有二十多年的歷史，最早將機器人技術應用于噴涂的有美國的minihit公司、fudge公司、德國的hatel公司等。

　　隨著機器人技術的不斷完善，噴涂精度得到顯著提高，噴涂機器人在主要的發達國家得到廣泛的應用。我國的華南理工大學、華中科技大學等科研機構先后對噴涂機器人技術進行深入的研究，取得了不少進展。航天航空部的703所、625所使用熱噴涂機器人進行作業，用來噴涂一些重要而特殊航空部件。目前在我國，還沒有完全意義上的獨立生產噴涂機器人的廠家，機器人市場大多為歐美、日本、韓國等國的生產廠家所壟斷。近年來，我國的一些企業積極與高校開展噴涂機器人的項目合作，進一步推動我國噴涂機器人技術的成熟，普及與應用。

　　1、噴涂機器人的種類

　　1.1 仿形噴涂機器人

　　仿形噴涂機器人根據被噴涂工件的外形特點，簡化機器人本體的結構與控制方式，造價低廉，維修簡便，噴涂質量基本上能滿足工業的需求。據國外公司統計的數字顯示，采用仿形噴涂機器人進行作業，噴房內部尺寸可減少2/3 ，排風量減少3/5 ，漆霧處理的沖水流量減少1/3，涂料節省大概30%—50%。仿形噴涂機器人廣泛應用于汽車、鐵路機車車輛等機械制造業的噴涂作業，用于完成被工件頂部與側面的噴涂。相關資料介紹了一種用于汽車車身噴涂的仿形噴涂機器人，該機器人模仿汽車車身的形狀，同時在頂部與側面各安裝噴槍，噴槍固定在機架上，噴槍與車身的距離、角度可以調解，以滿足不同型號的車身的噴涂需要。機器人采用PLC控制方式，整個系統可靠性高，組態可靈活調整，編程方便，調試維護簡單，對不同車型的車身通過編程即可達到仿形編程目的。

　　1.2 移動式噴涂機器人

　　這類機器人主要用于高空的噴涂作業，如大樓、橋梁的高空噴涂等，配備纜繩、真空或磁吸附裝置，充當機器人的下肢，使機器人能夠在高空噴涂作業的同時進行移動。相關資料介紹一種纜索機器人，用于斜拉橋的高空噴涂，利用PLC作為機器人的控制系統，機器人系統運行穩定，可靠性高，可滿足斜拉橋高空噴涂的需要。還有一種用于高層建筑噴涂作業的移動機器人，以真空吸附的方式進行高層建筑物的噴涂作業，機器人由支援系統、機器人本體、控制系統組成。其中支援系統包括移動小車、卷纜部件、懸掛裝置;控制系統采PLC控制。機械手采用往復運動的方式，同時在噴涂機械手上還安裝了兩套CCD攝像系統，可從支援小車的監視器實時監視噴涂作業情況和墻面噴涂的質量。該機器人的推廣應用提高了高層建筑噴涂作業的質量、工作效率和安全可靠性，降低工人的工作量。

　　1.3 經濟型簡易噴涂機器人

　　這類機器人本質上是一種三自由度直角坐標機器人，采用龍門架式的框架結構，配備有專門的夾具，進行噴涂作業時，須先手工將被噴涂工件夾緊到工作臺上，再操縱機器人進行噴涂。主要用于手機、計算機鍵盤等小型電子產品外殼的噴涂作業，該機器人結構簡單、操作簡便易行，且成本較低。但系統功能單一，一般只能用于小型件的噴涂作業。

　　1.4 固定式多自由度噴涂機器

　　這種機器人常固定于噴涂生產線的兩側，作業時被工件通過輸送帶送入生產線，再由機器人對工件進行噴涂作業，這種機器人常為回轉式關節型機器人，常見的是5、6自由度關節機器人。機器人的控制系統常采用在工控機上插入輸入輸出I/O卡和運動控制卡的模式，再通過計算機高級語言編程實現整個噴涂作業過程的自動化，可適用于各種不同場合的噴涂作業需要

　　2、噴涂機器人運行方式

　　2.1 示教型噴涂機器人

　　這種方式必須首先確定機器人在噴涂件表面的運動軌跡，先操縱機器人沿運動軌跡空走一遍，即對機器人進行示教。在示教過程中，機器人記錄下各個示教點的軌跡坐標，在真正噴涂過程中，機器人根據先前記錄下來的示教點對工件進行自動噴涂作業，示教點之間的曲線部分采用插補算法確定各個插補點坐標，以逼近原曲線軌跡，最后通過機器人正逆解運算求出每一關節轉過的角度。

　　2.2 離線編程式噴涂機器人

　　這種方式首先獲取被噴涂對象的立體幾何形狀，然后采用各種算法確定出工件表面的噴涂點坐標，機器人根據已確定的點坐標進行自動噴涂作業。噴涂點之間的曲線部分通過插補運算確定插補點坐標，以逼近原曲面，最后通過機器人正逆解運算將插補坐標從三維空間轉換成各個關節角度空間。

　　3、噴涂機器人的控制方式

　　工業中應用的機器人控制系統一般采用二級控制方式，其中工控機充當主控制器，用于整個控制流程的協調與調度，第二級控制器用于噴涂機器人的運動控制。一種工控機加DSP的控制模式，工控機充當一級控制器，負責系統管理，機器人語言編譯與人機接口等功能;DSP充當二級控制器，主要負責機器人的運動控制，包括了機器人運動正逆解運算、插補運算、關節的位置控制等功能。工控機與DSP不直接進行通訊，通過公用內存交換數據，工控機與DSP均可從該內存中讀取數據，以達到通訊的目的。

　　當前比較通用的是工控機加上運動控制卡的模式，即將運動控制卡插入工控機的PCI插槽中，工控機與運動控制卡之間通過PCI總線進行通訊。工控機負責系統的文件管理、系統參數設置、機器人語言的解釋、示教檢查、系統程序的協調調度、故障診斷、機器人運動學正逆解與插補運算等功能。運動控制卡只擔負機器人的運動控制功能，增強了機器人運動的實時性。人機接口功能由插在工控機上專用的I/O卡來完成，I/O卡將設備運行狀況、行程限位開關等信息以開關量的形式實時反饋給工控機，工控機根據讀取到的信息做出相應的反應。示教盒與主機通過RS232總線進行通訊。控制系統硬件結構通常包括了工控機、運動控制卡、I/O卡、示教盒、伺服電機等部件，硬件控制系統結構如圖1所示。

　　圖1 噴涂機器人的控制系統結構圖

　　4、噴涂機器人技術難點

　　4.1 噴涂工件CAD造型的獲取

　　噴涂機器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的CAD數據，將工件的設計階段與加工制造階段集成起來，從工件設計階段直接獲取其CAD數據，再根據所獲取的CAD數據進行路徑規劃。使用三維激光掃描儀進行掃描，獲取工件實物表面的數據，形成點云，再通過三維重構，獲取工件的CAD實物數據。使用機械式探針沿工件表面滑動，以獲得工件表面數據，再對工件表面數據進行日樣條擬合，最終重構出工件的三維模型。隨著計算機視覺技術的成熟，可以利用模式識別技術先識別出待噴涂的工件，再利用圖像處理技術提取工件表面的特征點，形成數據點云，最后通過圖像的三維重構獲取工件的CAD數據。

　　4.2 噴涂路徑規劃

　　路徑規劃是噴涂機器人離線編程的另一項關鍵技術。路徑規劃的好壞，直接關系到噴涂作業的效率以及工件表面的涂層是否均勻，對噴涂工件的質量的影響巨大。在獲取到工件的CAD數據后，基于有限元的思想，以三角形小單元來近似逼近工件曲面，提取各個三角形單元的中點作為噴涂點，連接各個噴涂點獲取噴涂路徑。將獲取到的工件CAD數據轉換成STL文件，基于快速成形的切片技術將工件的三維模型進行分層，將各層的點數據進行矢量擴展，得到一系列有方向的點系，最后按照一定的排列順序形成噴涂機器人的噴涂軌跡。采用虛擬現實技術，先構建噴涂過程的虛擬過程，在虛擬的環境下進行噴涂作業，定義最優的噴涂軌跡，同時將所定義的軌跡轉換成最終執行的機器人語言。根據噴槍在工件表面的涂層累積速率數學模型，構建工件曲面上任意一點的涂層厚度數學表達式，用于優化的方法，在曲面的函數空間內尋求一條最優路徑的函數表達式，由此得出噴涂的軌跡路徑。

　　4.3 噴涂機器人的位姿精度與標定

　　影響噴涂機器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態與動態因素。靜態因素包括了制造、裝配時所帶來的機器人本體機械結構上的誤差;由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機械部件的尺寸變化，由此造成機器人位姿的誤差。動態因素主要是由外力所引起的機械部件本身的彈性變形所帶來的機器人運動誤差。為解決以上因素所造成的機器人位姿誤差，必須在使用前對機器人進行標定，建立機器人的參照模型，目前用于機器人標定的技術有基于三坐標測量儀的標定、基于激光跟蹤儀的機器人標定以及基于 CCD的機器人標定。根據機器人實際運行時的位姿與參照模型間的誤差，建立機器人補償機制，以進一步提高機器人噴涂作業的精度。

　　4.4 噴涂機器人的控制

　　噴涂機器人的控制較為常用的仍是傳統的PID理論，在實際的應用中，噴涂機器人機械臂的長度往往很長，當整個機械臂伸展開時大約可達到2m的長度，且運行速度較高，各關節間的動力學效應非常顯著，不能忽略，從而造成機器人各關節的被控對象模型是時變的。而傳統PID理論的比例(P)、積分(I)、微分(D)參數的整定是建立在關節傳遞函數模型為定值基礎之上的，這對傳統的基于系統動力模型的控制理論帶來了挑戰。此外，實際工業現場往往存在有各種不確定的干擾，也會對PID控制器造成影響。以上兩個因素決定了PID控制器必須具備一定的自適應性，其比例、積分、微分參數應能夠隨著外界環境的改變而自動的變化。智能控制理論的提出與發展為問題的解決帶來了新的思路。智能控制是人工智能、生物學與自動控制原理結合的產物，是一種模仿生物某些運行機制的、非傳統的控制方法。將神經網絡、模糊理論、人工免疫、遺傳進化等智能控制算法與PID理論相結合，用于PID參數的整定，成為未來機器人控制發展的趨勢。

　　5、結論

　　本文介紹了噴涂機器人技術的研究進展情況，敘述了常見的噴涂機器人種類、運行方式、控制方式及其控制系統的結構體系，深入分析噴涂機器人的主要技術難點。展望未來，噴涂機器人離線編程技術方面，基于視覺的工件CAD模型構建方式與通過建立工件表面涂層累積量數學模型的機器人路徑規劃方法是未來發展的方向。機器人的位姿精度與標定技術方面，基于CCD的標定法是趨勢。機器人控制領域，新型智能控制算法之間、智能算法與傳統PID控制算法間的融合與應用是未來機器人控制發展的趨勢。隨著傳感檢測技術與人工智能的發展，未來的噴涂機器人將具備實時檢測，實時自主規劃噴涂路徑的能力，噴涂機器人將進一步朝著智能化的方向發展。