機械臂噴涂應用設計探索

鄭長源

（中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

機械臂作為一種高精度，多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)，逐漸應用于工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等各個領域中，給人類的生產(chǎn)生活帶來了巨大的便利。隨著人類對機械臂的需求不斷提高，機械臂也逐漸集自動化、精密機械、傳感器、電子、計算機等技術于一體，往智能化自主化的方向發(fā)展。本文主要研究一套航空零件的噴涂機械人來完成零件的噴涂工作，其主要性能參數(shù)有：簡單零件，占比75%，通過機械臂一次性順利噴涂，保障漆膜厚度在75 ～80 微米；較復雜零件，占比24.5%，通過機械臂實現(xiàn)除特殊點位的其他范圍噴涂，保障特殊要求的漆膜厚度。

1 整體設計

1.1 系統(tǒng)主要解決的問題

（1）人工噴涂對零件鍍膜厚度控制相對較差，無法保證厚度均勻。

（2）因人工無法避免噴涂色差，在航空零件等特殊零件上無法保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）噴涂過程中揮發(fā)有毒氣體，對人體造成危害。

（4）提高噴涂工作效率并降低過噴涂量和清洗溶劑的用量，提高材料利用率。

1.2 系統(tǒng)整體技術路線方案（如圖1）

（1）結(jié)合目前機械臂噴涂的研究現(xiàn)狀，進行功能和結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建系統(tǒng)框架，制定可行方案。

（2）對噴涂機械臂及配套等設備選型，包括防爆噴涂機械臂本體、噴槍及供漆系統(tǒng)等；對機械臂控制器自行開發(fā)設計，使用PLC 控制器和力控組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場控制和上位機監(jiān)控。

（3）選用陣列式相機，通過從不同角度提取工件表面圖像，獲取工件特征，通過特征重構(gòu)和3D 成像，建立零件的三維立體模型。

2 軟件設計

軟件設計是整個機械臂噴涂系統(tǒng)的重點和難點，除了滿足機械臂精準控制外，還需要利用數(shù)字圖像技術對零件進行識別，實現(xiàn)三維建模重構(gòu)，并與數(shù)據(jù)庫匹配，從而獲取零件信息，最后，機械臂完成噴涂軌跡規(guī)劃。

圖1

2.1 圖像識別與建模

（1）圖像采樣：使用根據(jù)實際噴涂需求的事件響應，拍攝盡可能高分辨率的一組圖片。

（2）特征點提取：檢測極值點，獲得尺度不變性；關鍵點精確定位；過濾噪聲點；分配關鍵點方向；生成特征點。

（3）角度定位：采集設備拍攝時所處的三維空間坐標，以及視角方向，得到視錐模型在空間中的位置。

（4）建立初始模型：圖片進行初始分割，利用圖片生成的視錐求交得到輪廓，通過輪廓信息作為圖像分割的初始跳進得到初始的剪影，剪影所形成的視錐在空間中求交，即可得到一個初始的三維模型。再根據(jù)分割結(jié)果的準確性，對模型修正，紋理映射生成最終模型。

2.2 數(shù)據(jù)庫建立

結(jié)合Visual Fox Pro8 建立三維數(shù)據(jù)庫，應用Visual C++軟件基于OpenGL 環(huán)境下在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)每個零件的三維模型及尺寸存儲，供生成的模型進行匹配操作等操作。

2.3 路徑規(guī)劃設計

根據(jù)涂料流量、霧化氣壓、噴炬張角、噴涂距離等噴涂參數(shù)以及噴涂零件參數(shù)，計算機械臂前端的行程間距和噴涂速度完成在自由曲面上的路徑設計。

需要將自由曲面進行離散，形成多個近平面、圓柱面、圓錐面和球面，對不同平面進行軌跡規(guī)劃形成子行程，對各子行程完成路線鏈接，構(gòu)成完整的噴涂軌跡。但因零件擺放位置和間隔劃分空白區(qū)且噴涂區(qū)特有零件噴涂手法各異，對待相應零件特征部分（如鍵槽）噴涂的過程中造成的加減速度變化會造成噴涂過程曲率變化，影響鍍膜厚度精度，需要后期軌跡優(yōu)化。

2.4 噴涂性能仿真

仿真零件對近平面、規(guī)則曲面等子行程組合成自由曲面等復雜工件表面的總體行程，需要對噴涂性能及路徑進行仿真。最終，通過OpenGL 技術實現(xiàn)3D 可視化顯示噴涂軌跡圖，曲面噴涂效果厚度色彩圖、曲面噴涂效果厚度三維圖、曲面涂厚度截面圖等結(jié)果。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，工業(yè)機械臂技術已相當成熟，圖像識別、機械臂路徑精度等技術在國內(nèi)外很多地方有了應用，且反響良好。使用機械臂替代人工噴涂將極大地改善現(xiàn)階段人工噴涂作業(yè)條件，提高生產(chǎn)效率。