王傳存

上海振華港機(jī)重工有限公司

1 引言

隨著“工業(yè)4.0”概念的提出,使用機(jī)器人對(duì)港口大型裝備進(jìn)行自動(dòng)化噴涂成為必然趨勢(shì)[1]。目前,噴涂機(jī)器人采用的編程方式主要有在線示教編程和離線編程[2]。這2種編程模式在自動(dòng)噴涂的應(yīng)用中存在著工作柔性差、編程工作量大等諸多局限性,不能適應(yīng)自動(dòng)化噴涂。

港機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)主要由大中小平衡梁、臺(tái)車架及輪軸組件組成。如岸邊集裝箱起重機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的行走誤差為毫米級(jí),各項(xiàng)生產(chǎn)工藝技術(shù)尤為重要。港機(jī)工作在碼頭沿海區(qū)域,空氣濕度大,含鹽成份高,容易造成產(chǎn)品的腐蝕[3],因此產(chǎn)品的噴涂工藝十分重要,需要采用重型防腐油漆進(jìn)行噴涂,要求總漆膜厚度要達(dá)到320 μm。

以大車行走機(jī)構(gòu)平衡梁為目標(biāo)進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)化噴涂的研究,并設(shè)計(jì)一整套的噴涂系統(tǒng),包括自動(dòng)掃描、自動(dòng)建模和編程以及自動(dòng)噴涂作業(yè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足大車行走機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化噴涂,其系統(tǒng)的基本操作流程為:

(1)工件在掃描建模室經(jīng)過(guò)機(jī)器人激光掃描后,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將掃描數(shù)據(jù)輸送到軟件。

(2)軟件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化建模,生成點(diǎn)云模型。

(3)根據(jù)生成的模型,開(kāi)始計(jì)算工件的位置以及空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn),自動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃,生成噴涂機(jī)器人程序文件。

(4)根據(jù)生成的程序文件,控制噴涂機(jī)器人自主完成噴涂作業(yè)。

圖1是機(jī)器人自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)流程圖。整個(gè)噴涂系統(tǒng)主要分為2個(gè)工作室,分別是掃描工作室和噴涂工作室。數(shù)據(jù)的收集、模型的建立,軌跡規(guī)劃以及程序的生成主要在掃描工作室完成,噴涂工作室主要負(fù)責(zé)噴涂的現(xiàn)場(chǎng)工作。

圖1 機(jī)器人自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)流程圖

3 自動(dòng)掃描

3.1 掃描設(shè)備

行走機(jī)構(gòu)的大平衡梁結(jié)構(gòu)包含上翼板、下翼板、兩側(cè)腹板、兩端封板,以及畸形附屬件,需選擇能夠識(shí)別出板件外部形狀的掃描設(shè)備。本研究采用的是一種自動(dòng)化光學(xué)三坐標(biāo)掃描儀,它的掃描質(zhì)量和分辨率較高,而且視角大,掃描速度較快,能夠有效解決掃描問(wèn)題,并保證理想的測(cè)量精度和速度,用途廣泛且操作簡(jiǎn)單。

3.2 數(shù)據(jù)的獲取

通過(guò)用空中積放鏈將工件由外部輸送到掃描建模室,停止在掃描建模室工件掃描的起始點(diǎn),2臺(tái)機(jī)器人激光掃描儀將會(huì)同時(shí)開(kāi)始掃描,掃描的工作環(huán)境需要提前預(yù)設(shè)在機(jī)器人激光掃描儀里。掃描所得的產(chǎn)品外表面的形狀和尺寸將會(huì)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給雙攝像頭傳感器,進(jìn)而把這些數(shù)據(jù)傳遞給軟件系統(tǒng)進(jìn)行三維點(diǎn)云模型的處理。在相應(yīng)的操作終端上可以通過(guò)具體的操作指令來(lái)查看、訪問(wèn)和下載數(shù)據(jù)文件。

4 自動(dòng)建模與編程

開(kāi)發(fā)人機(jī)互動(dòng)界面,在軟件中設(shè)計(jì)建模的數(shù)據(jù)庫(kù),并編寫模型的關(guān)鍵參數(shù)函數(shù)。根據(jù)掃描獲得的數(shù)據(jù),將在軟件中自動(dòng)生成三維點(diǎn)云模型。同時(shí),在生成點(diǎn)云模型圖時(shí),軟件可對(duì)獲得的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的去噪,去除部分離群的散點(diǎn),使生成的點(diǎn)云圖像更加平滑;也可以手動(dòng)進(jìn)行噪點(diǎn)的去除,從而使模型達(dá)到更加精細(xì)的程度。系統(tǒng)自動(dòng)生成的點(diǎn)云模型見(jiàn)圖2。

圖2 三維點(diǎn)云模型圖

軟件程序內(nèi)部的編程文件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)面的噴涂軌跡,然后整合到生成的點(diǎn)云模型上(見(jiàn)圖3)。也可以根據(jù)導(dǎo)入的模型,幫助測(cè)試生成所需的噴涂路徑,進(jìn)行更好的路徑規(guī)劃。

圖3 自動(dòng)生成的軌跡圖

根據(jù)噴涂的經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的微調(diào),獲得更加良好的噴涂效果,具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。最后自動(dòng)生成機(jī)器人能夠識(shí)別的程序文件,傳輸給機(jī)器人完成自動(dòng)化噴涂作業(yè)。

表1 噴涂設(shè)置具體參數(shù)值

5 自動(dòng)噴涂

噴涂機(jī)器人采用經(jīng)濟(jì)型的噴涂機(jī)器人,采用的正交式球形手腕結(jié)構(gòu),負(fù)載大、剛性大、工作范圍大。機(jī)器人內(nèi)部含有噴涂軟件包,內(nèi)置外圍設(shè)備I/O點(diǎn),易于集成,編程簡(jiǎn)單。

將自動(dòng)生成的程序指令傳遞給噴涂機(jī)器人,可控制2臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。對(duì)于行走機(jī)構(gòu)這種對(duì)稱型的表面,2臺(tái)噴涂機(jī)器人較容易進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作。對(duì)于非對(duì)稱性結(jié)構(gòu),在自動(dòng)化噴涂過(guò)程中,2臺(tái)噴涂機(jī)器人的協(xié)調(diào)工作將不會(huì)那么明顯,更加偏于獨(dú)立工作。

在噴涂過(guò)程中,為防止A、B 2臺(tái)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中相互影響,將工件按長(zhǎng)度方向分為2個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域分成約12 000 mm左右的噴涂寬度,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的錯(cuò)位噴涂。

懸掛的工件按照預(yù)設(shè)的程序,步進(jìn)式前進(jìn),當(dāng)工件到達(dá)預(yù)設(shè)位置后,A機(jī)器人從前到后進(jìn)行噴涂,B機(jī)器人從后到前進(jìn)行噴涂。2個(gè)區(qū)域噴涂結(jié)束后,工件繼續(xù)向前移動(dòng)一定的距離,機(jī)器人將繼續(xù)在新的噴涂區(qū)域進(jìn)行噴涂工作,最終多個(gè)區(qū)域與軌跡的拼接將會(huì)和原先規(guī)劃的點(diǎn)云模型和軌跡重合。

在噴涂過(guò)程中,可以查看機(jī)器人的坐標(biāo)信息,也可以通過(guò)手動(dòng)操作的模式,使得機(jī)器人獲得更高的精度和噴涂效果。機(jī)器人的操作界面見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)器人操作界面

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)港機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究試驗(yàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠基本滿足噴涂工作的正常要求,并且各方面的噴涂效果良好,可為未來(lái)更加智能化的噴涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。