鄭長(zhǎng)源

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

機(jī)械臂作為一種高精度，多輸入多輸出、高度非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，逐漸應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事以及太空探索等各個(gè)領(lǐng)域中，給人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大的便利。隨著人類(lèi)對(duì)機(jī)械臂的需求不斷提高，機(jī)械臂也逐漸集自動(dòng)化、精密機(jī)械、傳感器、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)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(jī)械人來(lái)完成零件的噴涂工作，其主要性能參數(shù)有：簡(jiǎn)單零件，占比75%，通過(guò)機(jī)械臂一次性順利噴涂，保障漆膜厚度在75 ～80 微米；較復(fù)雜零件，占比24.5%，通過(guò)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)除特殊點(diǎn)位的其他范圍噴涂，保障特殊要求的漆膜厚度。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主要解決的問(wèn)題

（1）人工噴涂對(duì)零件鍍膜厚度控制相對(duì)較差，無(wú)法保證厚度均勻。

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

（3）噴涂過(guò)程中揮發(fā)有毒氣體，對(duì)人體造成危害。

（4）提高噴涂工作效率并降低過(guò)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(shù)路線(xiàn)方案（如圖1）

（1）結(jié)合目前機(jī)械臂噴涂的研究現(xiàn)狀，進(jìn)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(duì)噴涂機(jī)械臂及配套等設(shè)備選型，包括防爆噴涂機(jī)械臂本體、噴槍及供漆系統(tǒng)等；對(duì)機(jī)械臂控制器自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，使用PLC 控制器和力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制和上位機(jī)監(jiān)控。

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

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械臂噴涂系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，除了滿(mǎn)足機(jī)械臂精準(zhǔn)控制外，還需要利用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)三維建模重構(gòu)，并與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，從而獲取零件信息，最后，機(jī)械臂完成噴涂軌跡規(guī)劃。

圖1

2.1 圖像識(shí)別與建模

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

（2）特征點(diǎn)提?。簷z測(cè)極值點(diǎn)，獲得尺度不變性；關(guān)鍵點(diǎn)精確定位；過(guò)濾噪聲點(diǎn)；分配關(guān)鍵點(diǎn)方向；生成特征點(diǎn)。

（3）角度定位：采集設(shè)備拍攝時(shí)所處的三維空間坐標(biāo)，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(jìn)行初始分割，利用圖片生成的視錐求交得到輪廓，通過(guò)輪廓信息作為圖像分割的初始跳進(jìn)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(gè)初始的三維模型。再根據(jù)分割結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)模型修正，紋理映射生成最終模型。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

結(jié)合Visual Fox Pro8 建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用Visual C++軟件基于OpenGL 環(huán)境下在數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)每個(gè)零件的三維模型及尺寸存儲(chǔ)，供生成的模型進(jìn)行匹配操作等操作。

2.3 路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)。

需要將自由曲面進(jìn)行離散，形成多個(gè)近平面、圓柱面、圓錐面和球面，對(duì)不同平面進(jìn)行軌跡規(guī)劃形成子行程，對(duì)各子行程完成路線(xiàn)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(duì)待相應(yīng)零件特征部分（如鍵槽）噴涂的過(guò)程中造成的加減速度變化會(huì)造成噴涂過(guò)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(duì)近平面、規(guī)則曲面等子行程組合成自由曲面等復(fù)雜工件表面的總體行程，需要對(duì)噴涂性能及路徑進(jìn)行仿真。最終，通過(guò)OpenGL 技術(shù)實(shí)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(yǔ)

現(xiàn)階段，工業(yè)機(jī)械臂技術(shù)已相當(dāng)成熟，圖像識(shí)別、機(jī)械臂路徑精度等技術(shù)在國(guó)內(nèi)外很多地方有了應(yīng)用，且反響良好。使用機(jī)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。