5G智能機器人噴涂生產線關鍵技術的探討及應用

胡 松，劉建雨，柯美元

（1.廣東博碩涂裝技術有限公司，廣東 佛山 528300；2.順德職業技術學院，廣東 佛山 528300）

0 引言

從20世紀90年代汽車工業引入噴涂機器人代替噴涂機械開始，噴涂機器人技術應用得到了快速的發展，并快速地擴展到各行各業[1]。現今，歐美、日本等發達國家在噴涂機器人仿真技術、控制技術、遠程再示教技術等方面積累了生產經驗和大量實驗數據，促使噴涂機器人的設計與制造進入產業化階段。其中比較具有代表性的就是日本的發那科、安川、三菱以及瑞士的Asea Brown Boveri等公司生產制造的機器人產品。雖然我國通過引進國外領先的機器人技術，加大了機器人關鍵技術的研發，取得了長足的進步[2,3]。但我國的噴涂機器人技術和噴涂機器人的工程應用領域上的水平和國外相比有很大的差距，關鍵技術與零件依賴于國外進口。隨著5G時代的到來和人工智能的發展，工業生產線的智能化越來越普及，未來的噴涂智能生產線將是以噴涂機器人為主體。目前，現有的人工噴涂裝備作業等落后的生產方式已經不能滿足多產品和多漆料的噴涂任務的要求。因此，以滿足國家建材家具制造業的生產效率和產品質量提升的重大需求為目標，進行5G智能機器人噴涂生產線關鍵技術的探討及應用研發項目。

本文通過噴涂裝備其中的共性、基礎性的關鍵科學問題以及5G通信的機器人智能噴涂生產線共性關鍵技術問題，更深層次地探討關鍵性的人工智能、研究智能噴涂生產線的數字化設計、模塊化快速重構與小批量多品種建材及家具噴涂的柔性制造技術、噴涂過程實時感知、噴涂生產線故障檢測與控制、噴涂參數工藝優化等技術。導入了機器人、機器視覺、人工智能、5G與工業互聯網等功能模塊，通過網絡管理平臺統一管理。構建一條高智能、低能耗、高可靠性、集成化、標準化、模塊化、柔性化、數字化、可視化更具備前沿創新技術的5G智能機器人噴涂生產線。實現不需要專門IT來管理和配置設備，流量可視化，鏈路透明，產能、能耗、狀態自動顯現等技術的研發目標。解決了在生產過程中工件品種多、每個工件噴涂時間及加工處理的工序要求存在差異、工人怠工、生產效率低、質量不穩定、涂料損耗大等問題。

1 5G智能機器人噴涂生產線關鍵技術分析

1.1 基于5G通信的智能生產線數據傳輸技術

實現機器人智能噴涂生產線的人工智能化，必然要有巨量的數據來訓練人工智能平臺，在傳統的涂裝工藝中由于家具重量大、體積大和結構形狀各異噴涂加工工件品種多、小批量以及噴涂時間和加工工序要求存在差異會出現工人怠工、生產效率低下等特點。為實現建材家具智能生產線能夠滿足這些特點，集成化、標準化、模塊化的生產方法，就要通過5G技術、物聯網等技術把建材家具的噴涂工藝組成智能生產線。在物聯網和5G等技術的支持下，改造升級單元制造生產線體系，通過工業物聯網平臺實現建材家具智能噴涂生產線。

5G應用技術是銜接生產線設備和數據的重要通道，在工業場景中5G的應用起到了高速率、低時延、移動性和大容量等作用，通過5G的先進功能提供可靠、實時數據流，人工智能應用就能立即生成可行的洞察分析，從而實現智能化生產線，保持高效工作。通過數據采集噴涂過程的信息，將感知層獲取的海量異構數據通過5G無線通信的方式上傳至云平臺，將集成信息技術的系統存在于云中，云從資源層收集大量數據，并通過控制終端與人的互動，實現深度集成物理對象和信息技術的人機物聯網絡制造系統，滿足生產線無線數據傳輸高吞吐量、高可靠性和低延遲要求。圖1所示為5G結構界面圖。

圖1 5G結構界面圖

5G遠程傳輸與數據可視化系統由生產線的運行狀態參數感知節點、邊緣服務器、網絡傳輸子系統、后端管理子系統組成。感知節點由多源傳感器和數據采集控制器組成，網絡傳輸采用基于5G無線通信的方式，感知節點完成現場的數據采集和壓縮感知預處理，然后通過5G通信設備將壓縮后的數據上傳到云平臺，另一方面將數據傳輸到邊緣節點服務器，完成運行狀態的實時分析與預測。遠程用戶通過訪問云平臺獲取現場的實時數據并進行可視化分析。

1.2 智能生產線的模塊化設計

模塊化的技術研究及應用于1930年，德國在用模塊化方法設計制造的機床已取得了很好的經濟效益，由此提出“模塊化構造”的設計方法在全世界得到迅速發展。由于采用模塊化柔性生產線,可縮短產品生產周期，大幅度提高勞動生產率，降低生產成本并保證產品質量，使中小批量生產創造的價值能與大批量生產抗衡。近年來，在西歐、美國、日本模塊化柔性生產線越來越廣泛應用。Tanaka等人[6]提出了一個新的生產系統，名稱為“模塊結構生產系統（MSP）”。MSP由多個生產線和制造執行系統組成，生產線是由幾個生產單元組成的功能單元。通過改變生產單元和功能單元的加工產品，優化生產線，同時MSP向客戶訂單發送無延遲生產線的信息[7]，縮短生產線和服務商信息傳遞時間提高生產效率，系統能夠完全按照訂單生產裝配產品，作為一種有效的多組合多品種產品的生產系統可以靈活應對各種客戶和社會需要。

智能生產線模塊化的設計是針對個性化、多種類的家具進行柔性化定制，根據實際產品加工情況需求，借鑒國內外同行業先進科技的生產線裝備技術，進行優化創新生產線的各個生產單元和功能單元的加工產品技術組成結構。在模塊化生產方式下，對工業生產過程進行分離、替代、模塊增減及創新等模塊化操作，分解為不同子過程或者創建新的工業過程。通過設定能滿足與各個模塊操作相對應的模塊接口、自動化、智能化通訊控制功能，統一的產品標準條件等模塊化所需要求情況下，進行產品模塊組合創新，實現模塊的替換、組合、創新。實現不同種類的家具在短期內完成生產計劃，降低企業的生產成本，最大限度地實現顧客價值，提高企業的利潤和競爭力。圖2所示為智能噴涂生產線的模塊化設計與配置。

圖2 智能噴涂生產線的模塊化設計與配置

1.3 建立智能噴涂工藝參數庫

噴涂過程的噴涂參數是完成噴涂工作的重要數據，是衡量噴涂加工正常運作、保證產品質量的關鍵。面對日益增多的噴涂數據，快速有效地提取噴涂工藝參數信息，科學地管理噴涂數據將會直接關系到企業的生產效率與加工成本。工藝參數庫的出現，使得用戶可以不用經過長時間上機訓練就可獲得滿足加工要求的合理參數，極大地提升了加工效率和質量。通過智能噴涂工藝參數庫，建立噴槍行程、霧化點結構、速度適配等工藝參數之間的關聯關系，后續噴涂加工過程中，能夠在已有噴涂加工工藝參數庫中查看是否有現成的滿足條件的噴涂加工工藝參數數據作為參考，從而降低噴涂材料的損耗，提高噴涂質量和材料使用率。圖3所示為智能噴涂工藝參數庫設計流程圖。

圖3 智能噴涂工藝參數庫設計流程圖

1.4 智能生產線的柔性化設計

基于現代制造業發展追求逐漸偏向品種多樣、小批量生產、用戶定制、響應市場變化等因素[5]均符合柔性生產線的特點，柔性生產線的設計理論也逐漸成為國內外學者的研究對象。張杰[4]從柔性生產線的產生，進入中國的發展及其在制造行業的應用，淺議柔性生產。劉冠麟提出公理化行為設計理論，尋求在柔性生產線的設計上以整體角度考慮新的方法[8]。雖然柔性化生產的概念已經被引入，但是在很多領域中并沒有和實際生產結合在一起。因此需要將柔性化生產引入噴涂生產線中，提高生產線的智能化程度，快速完成對生產線的設計，實現不同種類的家具在短周期內完成生產線的規劃。研究智能生產線的柔性化設計主要包括：

（1）在設計生產線時使用計算機進行仿真模擬，為前期生產得出相應的參數，進行對應的生產規劃，有效節省不同產品的生產參數調整時間。同時針對加工工件不同類型的噴涂程序，采用相應的噴涂程序預先編輯，減少在生產過程中不必要的過渡時間。實現在一條生產線上對不同規格的建材家具進行噴涂加工，生產出不同的新產品。

（2）生產線的柔性是指生產線系統自身的柔性，對于生產線布局之間的干涉擁有自檢功能。面對產量大且規格種類多的家具類產品，將工業機器人與噴涂工藝相結合設計一條機器人噴塑柔性生產線，并生成合理的噴塑路徑，可有效提高涂料的使用率和生產效率，所加工生產的產品質量更有保障。

（3）針對產品個性化定制的需求，由智能生產單元和柔性控制系統組成的柔性智能生產線，使生產過程靈活、高效、計劃精準、生產透明、事后可追溯且將來可優化，實現了高效、高質、低成本的智能化生產。柔性生產控制系統如圖4所示，集成了加工系統、物流儲運系統、在線質量檢測和智能管控系統，通過數據接口與其他系統進行數據交換，進而實現生產全流程狀態的綜合分析、對比計算與自主決策，從而達到智能柔性生產線的最優化控制、運行和實時調度。

圖4 家具柔性智能噴涂工藝流程圖

1.5 智能生產線的數字化設計

在涂裝生產線數字中心設計建模時，依據設計要求，分析產品各元素間的工程關系與幾何關系，設計驅動參數、從動參數與常量，為圖形元素或形體特征元素建立幾何約束與工程約束，使各元素間產生關聯，并通過配置各種屬性信息，得到參數化全息模型。修改產品設計或進行系列化設計時，只需調整相關驅動參數的附值，即更新產品模型，這就為大規模個性化定制中，家具產品因客戶個性化需求，而出現的變形、重用、延伸、重組提供了可行性的解決途徑。在噴漆過程中，噴頭移動的速度、噴漆的流量、噴漆的濃度、噴頭到噴面的距離和噴頭的角度均會對噴漆涂層的厚度和密度產生影響。通過建立相應數學模型，可得到最優的噴涂效果。圖5所示為涂裝生產線數字中心。

圖5 涂裝生產線數字中心

1.6 智能生產線噴涂過程實時感知系統

實時感知系統主要通過5G遠程傳輸與數據可視化系統由生產線的運行狀態參數感知節點、邊緣服務器、網絡傳輸子系統、后端管理子系統組成。感知節點由多源傳感器和數據采集控制器組成，如圖6所示。網絡傳輸采用基于5G無線通信的方式，感知節點完成現場的數據采集和壓縮感知預處理，然后通過5G通信設備將壓縮后的數據上傳到云平臺，另一方面將數據傳輸到邊緣節點服務器，完成運行狀態的實時分析與預測。遠程用戶通過訪問云平臺獲取現場的實時數據并進行可視化分析。

圖6 5G遠程傳輸數據可視化感知節點示意圖

實時感知系統在機器人智能生產線噴涂過程中是一種必不可少的關鍵性技術，在智能生產線中引入實時感知的監測系統，采集不同噴涂缺陷的圖片進行分析，如斑點、劃痕、積粉等噴涂過程中容易產生的缺陷，通過機器視覺算法進行分析，最終檢測出噴涂存在缺陷的地方并做出對應的舉措，使噴涂過程順利完成。同時可以實時感知到噴涂過程的進行和完成度，可以方便對產品完成時間進行預測，如圖7所示。

圖7 智能噴涂生產線實時感知顯示系統

2 家具機器人智能噴涂生產線

家具機器人智能噴涂生產線重點研究柔性輕量化的智能噴涂產線成套裝備，優化綠色環保涂裝工藝，配套可視化人機交互系統、智能遠程運維系統、對接企業ERP并預留生產過程執行系統（MES）接口、通過人工智能技術與工業互聯網技術的關鍵技術分析與研究。實現機器人可對噴涂工件進行三維掃描，通過特定算法，對機器人噴涂的行程進行規劃，提高噴涂材料均勻性和產品質量，減少生產時間和材料損耗降低成本；可針對個性化、多種類的家具進行柔性化定制；通過結合數字化、模塊化設計，可以快速完成對生產線的設計，實現不同種類的家具在短周期內完成生產計劃；機器人智能噴涂生產線具有實時感知能力，可以檢測生產過程中的各個參數，并利用5G技術的低延遲性將數據上傳智能遠程運維系統，對這些參數進行實時處理，保證噴涂質量的穩定性。

2.1 家具機器人智能噴涂生產線的結構組成

機器人智能噴涂的研究除了機器人的機械結構的設計，還包括了三維工件模型掃描[9,10]和噴涂軌跡規劃。國內學者在機器人噴涂軌跡規劃方面做了大量研究，并取得了一些階段性的研究成果。比如：Asakawa等人[11]提出了一種基于工件CAD模型自動生成噴涂路徑并自動完成機器人噴涂軌跡編程的系統，保證涂層質量的同時大幅度提升了編程效率。Chen等人[12]提出了一種機器人多段運動軌跡組合的方法，一定程度上減少了涂料的浪費并縮短了工作周期。張川[13]建立了漆膜生長速率模型，對曲面分片后進行軌跡規劃并組合得到最優路徑。葉超[14]設計了一種基于視覺傳感器Kinect2的噴涂機器人定位系統，為解決各類型工件的定位問題提供依據。葉瀟[15]利用激光三維掃描技術對機器人噴涂軌跡進行規劃設計，借助激光掃描儀完成對待噴涂工件的重建，結合點云切片技術對工件表面的路徑信息進行了求解。劉偉良[16]提出了自動軌跡規劃和人工示教編程相結合的離線編程技術，為解決批量小、種類多的復雜曲面的噴涂軌跡規劃提供思路。為了滿足客戶需求，提高企業產品核心技術競爭優勢，借鑒以上成功案例進行深入研究分析，結合原有噴漆產線裝備結構技術存在的問題，研發出一款結構緊湊合理，占地空間少，節能環保，可縮短工藝流程，加快噴涂速度，提高生產效率家具機器人智能噴涂生產線。該生產線的結構是根據生產線的關鍵技術所研制出不同功能的多個單元模塊化生產線設備而組成。主要分為“數據處理系統、智能管理系統、傳輸線路、生產線主體”四大類別組成。其中包括：三維掃描系統、圖像處理系統工藝參數庫、MES系統、網絡管理平臺、云平臺、噴涂機器人、傳感器、生產線各模塊（含：往覆智能噴漆機、自動噴漆設備、平面涂裝設備、多軸噴頭裝置、噴頭運動控制裝置、干燥設備、自動化連線設備、擺動/回轉/平移復合運動機構、驅動控制器等）、物料傳輸機構、5G專線、普通網線、電路設施等。

2.2 生產線的實踐效果分析

智能噴涂機器人生產線主要應用在辦公臺面、辦公臺側板、套房家具床頭架、弧形柜板、展示柜臺面等較為復雜的木制品綠色建材加工噴漆生產線設備領域。生產線的技術實踐效果如下：

（1）采用三維掃描系統通過輸送線上的檢測工件位置的光電傳感器、上位機分別與執行機構的工控機、PLC控制器、上料單元、下料單元、噴涂機器人、激光器、攝像機、光電傳感器電控連接。設計了在線三維掃描、拍攝、提取深度圖特征輪廓圖像數據以及進行圖像數據處理系統模型，自動生成機器人噴涂路徑，再根據噴涂路徑控制噴涂機器人同時又解決了機械定位和光幕定位無法對工件形狀進行有效掃描的問題，提高掃描精準度，實用性強。實現精準軌跡噴涂降低噴涂材料的損耗，提高噴涂質量和材料使用率。

（2）基于點云的圖像處理及不同關鍵輪廓的噴涂軌跡生成技術和提取技術的研究。也是數控噴涂動態自主感知配置生產線及機器人噴涂控制策略研究。實現快速噴涂運動以及快速涂裝切換，改善了涂料利用率，提高了建材生產線的生產效率和產品質量合格率。即結合3D視覺識別與圖像處理，利用人工智能（AI）規劃噴涂軌跡，解決復雜工件噴涂。

（3）通過5G專線鏈路與互聯網混合的智能組網模式，融合生產信息化管理系統（MES），采用面向服務的整體架構設計的集成系統。實現生產線各部分間的數據聯動，高效協同。可將設備工況信息和生產數據上傳云端，幫助生產線實現智慧調度、實時采集、實時感知，噴涂件測量、噴涂生產線故障檢測與控制機器人噴涂、漆料回收、漆霧處理、設備清洗等智能化實時控制。建立互聯網+智能化數字化定制家具自動噴涂生產線控制系統，實現人、設備、物料、產品間的信息互通和生產過程逆向追溯。并可遠程操控生產線改造，組建生產線內部私有云平臺，將關鍵生產系統部署于私有云上，將非關鍵生產線應用部署于公有云，重要數據專線傳輸，非敏感數據應用互聯網傳輸，保證數據安全，簡化生產線IT運維。達到了網絡管理人員通過集中管理平臺對生產線設備、網絡功能、業務流量和安全態勢進行統一可視化便捷高效的網絡管理效果。

（4）采用一種帶噴涂機械手的轉動架裝置結構及往復式噴涂機械設備的工藝與結構設計的技術，提高各個構件之間的連接緊湊性，簡化整體結構，減小占地空間。實現精準的定位、自動智能噴涂。縮短了工藝流程，加快噴涂速度，提高了生產效率。

（5）采用一種具有跟隨工件移動的噴涂設備控制技術，建立噴槍行程及霧化點結構參數、噴漆房大小的規劃及噴漆房內進排風流量、速度的適配、過噴漆回落到輸送帶上的回收技術等工藝參數之間的關聯關系，構建底漆和面漆工序的控制模型，實現一次針對工件的四個邊和工件上面進行均勻噴涂，達到無死角均勻噴涂，減少噴房內二次污染；改善和提高加工產品高光面漆和修色的噴涂效果，提高產品優質成品率。

3 結束語

本文從“運輸模塊、機器視覺模塊、噴涂機器人模塊、往復機模塊、油漆回收模塊”五大模塊和“輸送速度、漆霧狀況、油漆回收、節能指數”四個指標進行差異化劃分，研發出一款家具智能涂裝一體化設備的智能機器人噴涂生產線。可提高設備對板式工件生產效率、異形面產品噴涂質量的精度、油漆材料利用率及回收量、降低制造生產污染、設備故障檢測及處理等技術能效，實現了綠色環保智能制造，集“四級控制、無縫對接、定義配方、中央供漆、應急處理、遠程運維、云數據庫、終身升級”于一體，具有智能化、自動化、光幕檢測、交錯式往復自動噴漆功能。該生產線與原有噴涂裝備對比具有以下特點。

（1）具有工件涂裝的三維掃描系統，可建立圖形數據系統模型、提取輪廓圖形數據和深度特征數據，自動生成機器人噴涂路徑，降低了噴涂材料的損耗，提高了噴涂質量和材料使用率。

（2）采用數字化設計、模塊化快速重構定制智能噴涂生產線，可快速實現小批量多品種建材及家具的柔性噴涂。

（3）具有機器人噴涂數字化裝備、噴涂過程實時感知功能，實現數字化噴涂控制和輸送帶上的過噴漆回收，建立噴槍行程、霧化點結構、速度適配等工藝參數庫，構建底漆和面漆工序的智能控制模型。通過5G及互聯網技術將設備工況信息和生產數據上傳云端，實現噴涂件測量、噴涂生產線故障檢測與控制機器人噴涂、漆料回收等智能化控制。