趙秀栩,王志超,唐紅濤,陳 成,陳文興,趙安林

(1.武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070;2.中車長江運輸設備集團有限公司科技開發(fā)分公司 工藝研究所,湖北 武漢 430200)

目前國內(nèi)外鐵路貨車車車廂表面字符標識噴涂作業(yè)主要依靠人工手持噴槍和模板對其進行噴涂,對于超過1.6 m的字符標記均由兩人以上作業(yè)或者采用升降機作業(yè)。鐵路貨車車型眾多,每種車輛模板各不相同,導致車輛模板用量大、消耗量大;人工噴涂作業(yè)質(zhì)量因人而異,有的噴涂字體排列不整齊不規(guī)范導致需要返工;作業(yè)過程中包含登高作業(yè),存在較大的安全隱患;噴涂過程中操作人員近距離接觸噴涂目標,油漆對人體呼吸道傷害較大,油漆工崗位上職業(yè)病患者較多。如何改善人工油漆噴涂作業(yè)環(huán)境,降低人工作業(yè)比例,提高鐵路貨車車體噴涂工藝水平和噴涂質(zhì)量是中國中車各子公司廣泛研究的課題[1]。史聰偉等[2]針對提取骨架特征對邊界噪聲敏感且易產(chǎn)生毛刺等問題,提出基于中軸變換的特征提取改進算法,筆者結(jié)合該算法提出中心線填充算法,進一步解決字符噴涂內(nèi)容填充問題。張鵬等[3]針對曲面表面的噴涂問題,結(jié)合曲面擬合理論與噴槍建模方法,建立噴槍軌跡優(yōu)化模型,提出一種滿足大曲率組合曲面上噴槍軌跡首尾銜接的算法程序,但并未解決噴槍參數(shù)對字符軌跡影響的問題。Yang等[4]通過實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測量,研究了噴槍口徑和噴涂壓力對噴槍霧化的整體影響,并測試了最佳整體霧化性能下的參數(shù)。Singh等[5]針對無定型固體分散體噴涂干燥問題,提出了新的噴涂干燥方法。

綜上所述,針對鐵路貨車標記噴涂問題,國內(nèi)外都進行過一定程度的探索,但并未能提出完整的解決方案。因此筆者提出采用協(xié)作機器人夾持改造后的油漆噴槍運用中心線填充方法進行軌跡運動來完成機器人工作范圍內(nèi)的字符標記噴涂方案,并結(jié)合自動導引車(automated guided vehicle,AGV)完成整車字符標記噴涂。結(jié)合Qt優(yōu)越的跨平臺性,筆者自行設計和實現(xiàn)了一套基于Qt的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)。

1 設計輸入

鐵路貨車車型眾多,車體大小不一,筆者以敞車C80EH為例,介紹噴涂該類型車廂所要達到的設計輸入標準。該車型典型字符標記內(nèi)容標準如圖1所示,永久性標志的外觀應圓滑平整、字跡應清晰完整;字號、字符間距、字符厚度及字符位置誤差等應滿足產(chǎn)品圖樣的要求,且均滿足TB/T1.1、TB/T1.2和TB/2345等國家標準要求。另外根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)節(jié)拍,目標生產(chǎn)節(jié)拍應滿足:噴涂效率要有所提高,噴涂時間要比原噴涂方式減少20%以上。還要保證操作人員減少1人,且不使用字符標記模板,最后是單車油漆消耗量要比現(xiàn)有消耗量減少20%以上。

圖1 C80EH典型字符標記內(nèi)容

2 噴涂系統(tǒng)的機械組成

噴涂系統(tǒng)主要由AGV小車、改進后的油漆噴槍、油漆供應系統(tǒng)、協(xié)作機器人及機器人控制柜、上位機和電源電池等部件組成,噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。AGV小車由激光反射板導航在平行于車廂方向沿著車廂側(cè)面方向移動和定位;改造后的油漆噴槍是噴涂字符標記的關(guān)鍵部件,由自行設計的機器人末端夾具夾持進行字符標記噴涂;油漆供應系統(tǒng)由油漆供應器、壓力罐、氣壓供應器、電磁閥以及油漆沖洗盒等組成;機器人要同時滿足車廂頂部和底部的字符標記噴涂,AGV小車加上機器人高度不能滿足此需求,需要通過增加底座高度來完成;上位機和電池電源等部件擺放在小車頭部,便于工人操作和充電。

圖2 噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 改進油漆噴槍及供應系統(tǒng)

由于目前國內(nèi)外沒有成熟的直接用于噴涂字符標記的油漆噴槍,因此本方案重點在于研究基于發(fā)散性油漆噴槍和噴墨打印機的噴涂設備?，F(xiàn)有的油漆噴槍有很多種類,按壓縮空氣的供給方式可分為內(nèi)混式和外混式兩種[6];按涂料的供給方式可分為重力式、虹吸式和壓送式[7]。油漆噴槍主要是依靠涂料輸送設備加壓來進行的,涂料通過壓力泵或隔膜泵壓送出來,因此可以通過施加不同的壓力調(diào)節(jié)涂料流量,運用壓縮空氣將涂料擊成霧狀,涂料均勻附著在被噴物體表面,形狀不可控且易產(chǎn)生毛邊,現(xiàn)有車廂字符噴涂正是依賴油漆噴槍與模板完成。噴墨打印機的油墨在油墨泵的帶動下在內(nèi)部管道形成墨流回路,在墨路導向閥門的控制下經(jīng)過供墨管道對噴頭施加壓力,使得油墨能夠從噴嘴噴射出來最終形成墨線[8],其基本滿足噴涂需求,然而油墨壽命一般為2～3年,無法滿足鐵路貨車在惡劣環(huán)境下8～10年的壽命要求。結(jié)合兩者優(yōu)點設計出仿油墨噴頭的油漆噴槍,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,其工作原理是有一定壓力的壓縮空氣從噴嘴的環(huán)形孔噴出時在噴嘴前形成負壓,油漆涂料在氣壓的作用下通過中心孔道被抽出,涂料與壓縮空氣匯合后分散成細小的涂料顆粒,最后經(jīng)過前端噴嘴重新匯聚成束狀粒子附著在被噴物體表面,形成整齊的線條,其噴涂效果如圖4所示,噴涂寬度調(diào)節(jié)范圍為3～25 mm,基本可以滿足字符標記噴涂。

圖3 噴槍結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖4 噴涂效果圖

油漆供應系統(tǒng)在經(jīng)過長時間工作后油漆噴槍內(nèi)難免會產(chǎn)生堵塞,或者一段時間不工作噴槍內(nèi)也會由于油漆凝固而堵塞噴頭,因此給該噴槍配備一個油漆沖洗裝置是必不可少的。該油漆沖洗盒帶有清洗液、空氣出口、沖洗軟管和頭部空氣連接器,系統(tǒng)由24 V直流電磁閥控制。

2.2 激光導航AGV小車

AGV小車作為承載整個系統(tǒng)重量的部分,且負責整個噴涂設備沿車廂側(cè)面方向移動和定位。AGV小車有多種導航方式,常見的主要是電磁導航、激光導航和視覺導航等。激光反射板導航是指在AGV小車行駛的路徑周圍安裝激光反射板,AGV小車發(fā)射并接收所反射的激光束,根據(jù)檢測到的反射板的精確位置,計算AGV當前的位置和航向從而實現(xiàn)導航[9]。由于這種導航方式穩(wěn)定可靠,比較容易改變或擴充路徑,定位精度也較高,又無需在地面安裝其他定位設施,因此非常適合在貨車車廂標記噴涂中使用。每節(jié)待噴車廂由定位裝置固定在同一位置,車廂待噴區(qū)域側(cè)面對應位置會有相應的激光反射板,每個區(qū)域會有對應標定的數(shù)字。小車在行駛過程中通過激光雷達連續(xù)不斷的發(fā)送激光脈沖,激光雷達通過識別掃描范圍內(nèi)的物體表面反射率來識別激光反射板的位置信息,再通過最少3個反射板的位置計算出激光雷達所在的AGV的位置和姿態(tài)信息。該方法位置定位偏差為±10 mm,如圖5所示。當AGV到達指定區(qū)域后停止,小車定位產(chǎn)生的偏差使得字符位置偏差在±10 mm,滿足國家標準要求。完成單節(jié)車廂噴涂作業(yè)后隨即回到初始位置等待下一次噴涂。

圖5 噴涂位置定位圖

3 噴涂系統(tǒng)流程

在計算機應用系統(tǒng)中,字體格式主要分為點陣字體和矢量字體。矢量字庫是通過數(shù)學方程來對每個字形進行描述,一個字形上分割出若干關(guān)鍵點[10],然后用平滑曲線將各關(guān)鍵點按一定順序連接起來形成唯一的矢量字符,矢量字體的優(yōu)勢在于其隨意放大和縮小也不會產(chǎn)生形變。現(xiàn)有矢量字庫中的字母或數(shù)字是由字符輪廓上的各個關(guān)鍵節(jié)點連接而成,如何進行字符中間內(nèi)容填充是字符噴涂的關(guān)鍵問題。

3.1 矢量字符的中心線填充

筆者提出一種基于中軸變換(medial axis transformation,MAT)的中心線填充方法,在現(xiàn)有矢量字符庫的基礎上,根據(jù)字符對象不同,中軸變換方法可分為兩個部分:一種是等距自相交的中軸線生成方法,可用于等寬的數(shù)字、字母和圖形的內(nèi)容填充;另一種是多邊形的中軸變換,可以用于漢字輪廓這種像多邊形一樣的細長結(jié)構(gòu),同理可以將多邊形中軸變換方法運用到漢字輪廓的骨架化中,為后續(xù)漢字字符填充提供依據(jù)。

針對數(shù)字類的等距自相交字符,按照方法生成等距自相交中軸線,再將中軸線作為基準,將字符輪廓往內(nèi)部偏移一定距離,該距離應滿足噴涂直徑略大于中軸線與輪廓間距,然后生成新的關(guān)鍵點和平滑曲線組成的軌跡,最后將新生成的軌跡關(guān)鍵點存入數(shù)據(jù)庫中,軌跡生成方法如圖6所示。各個字號大小字符對應噴涂線條寬度不同,因而偏移距離不同,最終生成的字符軌跡關(guān)鍵點也不相同。在完成每個字符各字號的軌跡生成后,將軌跡點坐標以“字號_字符內(nèi)容”為表名存入MySQL數(shù)據(jù)庫中,通過自主編寫的軌跡點讀取算法將生成的字符軌跡關(guān)鍵點轉(zhuǎn)化為機器人能夠讀取的坐標點。確定好噴頭末端到機器手末端相對位置,通過自主編寫的修正算法將機器手末端運動軌跡轉(zhuǎn)化為噴頭末端運動軌跡。

圖6 中心線軌跡生成過程

針對漢字字符可運用多邊形的中軸變換將字符輪廓骨架化,即將漢字看作多邊形劃分成有限個三角形,通過求取劃分后三角形的內(nèi)心從而得到骨架線。由于漢字本身結(jié)構(gòu)復雜,如果使用傳統(tǒng)三角剖分規(guī)則來劃分會很復雜,因此筆者將轉(zhuǎn)求漢字線段的最小內(nèi)切圓,找到其內(nèi)心,從而得到骨架線。后續(xù)中心線軌跡生成方法與上文相同。

3.2 噴涂流程及軟件設計

本文方案的噴涂流程如圖7所示。當AGV小車定位到對應噴涂區(qū)域后,登錄系統(tǒng)主界面點擊登錄即可進行該區(qū)域字符噴涂區(qū)域選擇界面,然后選擇待噴涂字符區(qū)域,為機器人調(diào)整到對應姿態(tài)做準備;接下來按照字符軌跡命名“字號_字符內(nèi)容”的方式查找字符,根據(jù)機器人工作范圍大小可以同時噴涂同區(qū)域多個字符,大大簡化工作流程;最后是噴涂控制界面,點擊連接機器人后上位機與機器人正式建立通信,點擊機器人復位恢復到機器人初始位姿,然后點擊開始噴涂機器人便會按照數(shù)據(jù)庫中存儲的軌跡進行字符噴涂。

圖7 噴涂系統(tǒng)流程圖

(1)登錄界面。該界面主要用于操作人員信息驗證。操作人員驗證通過擁有不同的操作權(quán)限,分別為操作人員權(quán)限和管理人員權(quán)限,操作人員權(quán)限只能進行噴涂字符操作,而管理人員則有權(quán)限對數(shù)據(jù)庫中的軌跡進行修改。

(2)噴涂區(qū)域選擇界面。該界面可實時查看所有車型的固定字符標記區(qū)域和可變字符標記區(qū)域,操作人員通過下拉菜單選擇相應車型和對應噴涂區(qū)域。

(3)字符選擇界面。該界面通過字符屬性對所有可變字符標記區(qū)域的字符進行選擇,而固定字符區(qū)域的字符在車型一經(jīng)選擇后便不會改變。

(4)噴涂控制界面。該界面通過按鈕完成噴涂作業(yè)的所有要求,界面上方輸出相應操作信息欄,實時顯示命令是否執(zhí)行成功,噴涂過程中如果發(fā)生故障或錯誤,也會第一時間在該信息欄中輸出相應故障原因。

(5)噴涂過程仿真界面。該界面通過虛擬機中的機器人模擬運動,實時觀察實際噴涂過程中的機器人末端運動軌跡,并且可以實時觀察機器人各關(guān)節(jié)的位姿變化。

3.3 噴涂效果仿真

由于可變字符區(qū)域字符內(nèi)容只有數(shù)字和字號在變化,將某節(jié)貨車車廂的所有固定字符標記噴涂時間經(jīng)過仿真測算,如圖8所示,再將所有可變字符噴涂時間經(jīng)過仿真測算后計算平均值。將所有字符軌跡運動時間經(jīng)過實驗室測試3次,如圖9所示,取實際時間平均值。經(jīng)過對比實際與仿真誤差不超過5%,符合本項目預期目標,計算平均噴涂總時間,如表1所示。

表1 某節(jié)車廂字符標記噴涂時間表

圖8 噴涂仿真圖

圖9 實驗測試圖

從表1可知,車廂字符標記噴涂總時間為950.71 s,即15.85 min,算上小車移動時間約為5 min,以及噴涂過程中不同字符之間移動時間約為5 min,總計用時約為25.85 min。而未使用本系統(tǒng)的人工噴涂時間約為每節(jié)車廂40 min,由此可知本系統(tǒng)可以有效減少35.38%的噴涂時間,提高噴涂效率超過20%,達到設計目標。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的鐵路貨車車廂標記字符噴涂工藝中存在的問題,提出以電動牽引車為承載和定位工具,使用工業(yè)機器人夾持改進后的特殊油漆噴槍完成對特殊型號鐵路貨車車廂標記字符進行噴涂作業(yè)的方案。經(jīng)過實驗可知,使用該系統(tǒng)可有效減少油漆在模板上的使用,避免模板耗材浪費,噴涂線條清晰。經(jīng)過測算后的單節(jié)車廂噴涂時間比人工模板噴涂時間降低了35.38%,實驗條件下可以滿足本項目設計要求,證明了本方案的可行性,為鐵路貨車車廂標記自動化噴涂提供了全新的解決辦法。