CN106391366A - 一种民用飞机大部件自动化涂装系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其包括喷涂监控系统、喷涂系统和轨迹规划系统；所述喷涂系统由运动控制系统、输调漆系统和喷涂机器人构成；所述轨迹规划系统根据用户需求基于不同的待喷涂零件预设有不同的喷涂轨迹，并将该喷涂轨迹生成喷涂控制指令传输至所述运动控制系统；所述运动控制系统用于对输调漆系统和喷涂机器人进行协调控制，所述输调漆系统在所述运动控制系统控制下对所述喷涂机器人输漆；所述喷涂机器人在所述运动控制系统控制下对待喷涂零件进行喷涂；所述喷涂监控系统实时监测所述喷涂系统的工作状态。本发明能有效规划喷涂路径，提升喷涂效率，实时掌握喷涂状态；可以广泛在自动化喷涂系统领域中应用。

Description

一种民用飞机大部件自动化涂装系统

技术领域

本发明涉及一种民用飞机聚氨酯涂层的涂装系统，特别是关于一种在自动化喷涂系统领域中应用的民用飞机大部件自动化涂装系统。

背景技术

目前，研究并攻克民用飞机大部件的自动化喷涂关键技术，需要研制开发适用于民用飞机聚氨酯涂层体系的自动化喷涂系统，所涉及的硬件结构和软件系统包括：喷涂机器人机构、漆料输送与调控系统计、防爆防撞系统、控制系统、软件系统等设计与研制。因而目前急需研究民用飞机大部件自动化涂装系统，以便有效提升喷涂效率和实现喷涂自动化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种民用飞机大部件自动化涂装系统，该系统能有效规划喷涂路径，提升喷涂效率，实时掌握喷涂状态。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：该系统包括喷涂监控系统、喷涂系统和轨迹规划系统；所述喷涂系统由运动控制系统、输调漆系统和喷涂机器人构成；所述轨迹规划系统根据用户需求基于不同的待喷涂零件预设有不同的喷涂轨迹，并将该喷涂轨迹生成喷涂控制指令传输至所述运动控制系统；所述运动控制系统用于对输调漆系统和喷涂机器人进行协调控制，所述输调漆系统在所述运动控制系统控制下对所述喷涂机器人输漆；所述喷涂机器人在所述运动控制系统控制下对待喷涂零件进行喷涂；所述喷涂监控系统实时监测所述喷涂系统的工作状态。

进一步，所述喷涂监控系统包括通讯系统、输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统、可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统；所述通讯系统用于实现所述输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统与现有输调漆系统、喷涂机器人进行实时通讯，接收所述输调漆系统、喷涂机器人的状态信息，并且向所述输调漆系统、喷涂机器人返回控制指令；所述输调漆监控系统用于实时监控所述输调漆系统的输调漆状态，并将监控到的输调漆状态信息传输至所述可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统；所述喷涂机器人监控系统内存储有喷涂零件模型、喷涂机器人模型和喷涂机器人实时位置与姿态信息，用于实时监控所述喷涂机器人的运动状态，并将监控到的运动状态信息传输至所述可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统；所述可视化人机交互系统将所述喷涂机器人和被喷涂工件中没有相对运动关系的部件分别形成三维模型；并接收所述输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统传输至的输调漆状态信息和运动状态信息，以及所述工艺检测系统传输至的工艺检测结果和所述干涉碰撞检验系统传输至的干涉碰撞检测结果；并实时显示待喷涂零件模型、喷涂机器人模型、喷涂机器人运动和喷涂效果；所述干涉碰撞检验系统根据接收到的输调漆状态信息和运动状态信息，自动根据零件模型和喷涂机器人模型判断在给定喷涂轨迹下是否会出现干涉和碰撞，并将判断后的干涉碰撞检测结果传输至所述可视化人机交互系统；如果出现干涉和碰撞，则向所述通讯系统传输停止指令，提示并停止喷涂；所述工艺检测系统用于对所述输调漆系统、喷涂机器人在喷涂过程中工艺参数是否正确进行检测，并将检测结果传输至所述可视化人机交互系统；同时判断工艺方案是否合理，若不合理，则向所述通讯系统传输停止指令。

进一步，所述工艺检测系统中根据现有的工艺原理进行工艺方案是否合理的判断，具体为：计算喷涂机器人旋杯实时位置、姿态和速度，判断喷涂机器人旋杯与工件表面的距离，以及喷涂机器人偏离工件表面法线角度，根据被喷涂工件几何特征，计算工件表面上喷涂速度，根据喷涂机器人旋杯与工件表面的距离、喷涂机器人偏离工件表面法线角度和工件表面上喷涂速度数据偏离预先设定数据的程度，进行喷涂质量预测，实现对喷涂工艺过程检测和喷涂结果预测。

进一步，所述喷涂机器人监控系统在工控机上运行，其具体监控流程如下：1.1)建立与喷涂机器人系统的连接，并判断连接是否成功，若成功则开始监控；反之报错提示；1.2)喷涂机器人监控系统的内部寄存器内存储有喷涂机器人模型、待喷涂零件模型、喷涂机器人实时位置与姿态信息，并经可视化人机交互系统的显示屏实时显示；1.3)对喷涂过程中工艺参数是否正确进行监控，并对喷涂过程中各运动部件进行监控，判断是否发生干涉碰撞，避免喷涂系统和工件、工装发生损坏，并实时反馈监控结果，并向控制器发送相应控制指令。

进一步，所述轨迹规划系统中的具体喷涂路径规划方法包括以下步骤：2.1)导入已生成的待喷涂零件的三维STL模型，在导入时判断该三维STL模型是二进制格式还是ASCII格式，并导入该三维模型，导入成功进入下一步，反之重新导入待喷涂零件三维模型；2.2)读取三维STL模型的三角面片信息，保存三角面片的点面信息和法向量信息，并显示待喷涂零件的三维模型；2.3)判断待喷涂零件特征，根据现有集成的工艺原理自动给出扫描平面的扫描方向、起始位置和扫描间距，在此基础上自动生成一簇等间距的扫描平面；2.4)将扫描平面与各三角面片相交，计算得到扫描平面与各三角面片的相交线段，将同一扫描平面下的相交线段按顺序连接得到轨迹线条，形成待喷涂零件表面上喷涂轨迹；2.5)判断零件特征和喷枪类型，根据集成的工艺原理自动给出喷枪到喷涂表面的距离；2.6)待喷涂零件表面上喷涂轨迹沿步骤2.2)中的法向量方向偏置步骤2.5)中的距离，得到喷枪中心位置的轨迹，喷枪姿态与法向量的方向一致；2.7)判断待喷涂零件特征，根据集成的工艺原理自动给出喷涂表面上的移动速度；2.8)根据步骤2.7)中的移动速度，计算喷枪沿喷枪中心位置轨迹的运动速度；2.9)根据喷涂机器人具体拓扑结构和尺寸，执行后置处理，生成喷涂作业数控指令，完成轨迹规划。

进一步，所述步骤2.5)中，喷枪到喷涂表面的距离能根据实际需求进行修改。

进一步，所述步骤2.7)中，喷涂表面上的移动速度能根据实际需求进行修改。

进一步，所述运动控制系统内设置有UMAC控制器。

进一步，所述运动控制系统的具体运动控制方法包括以下步骤：3.1)对UMAC控制器轴系、电机进行正反方向和零点的定义并初始化，根据实际的运行情况对零点和返回值进行补偿；3.2)将喷涂机器人的喷枪长度和喷涂高度作为补偿值，判断补偿值是否已经初始化，若已经初始化则进入下一步，反之则报错提示；3.3)判断轴系与电机是否定义，若已经定义则进入下一步，反之则报错提示；3.4)将轨迹规划系统中生成的喷涂控制指令传输至对UMAC控制器，执行轨迹规划系统生成的运动程序；3.5)实时计算运动学正逆解，并将计算结果返回到监控窗口。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能够有效地完成对飞机平尾和典型件的喷涂轨迹进行规划并实现仿真，对喷涂机器人进行离线控制，对整个系统进行监控，从而实现飞机平尾和典型件的自动喷涂，提升喷涂效率，实时掌握喷涂状态。2、本发明通过监控系统能实现自动化喷涂相关的工艺参数、工艺过程可输入、可配置功能；具有对硬件系统的良好兼容。本发明可以广泛在自动化喷涂系统领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的喷涂监控系统结构示意图；

图3是本发明的轨迹规划系统中喷涂路径规划方法流程示意图；

图4是本发明的运动控制系统内控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其包括喷涂监控系统、喷涂系统和轨迹规划系统；其中，喷涂系统由运动控制系统、输调漆系统和喷涂机器人构成。轨迹规划系统根据用户需求基于不同的待喷涂零件预设有不同的喷涂轨迹，并将该喷涂轨迹生成喷涂控制指令传输至运动控制系统；运动控制系统用于对输调漆系统和喷涂机器人进行协调控制，输调漆系统在运动控制系统控制下对喷涂机器人输漆；喷涂机器人在运动控制系统控制下对待喷涂零件进行喷涂。喷涂监控系统实时监测喷涂系统的工作状态。

上述实施例中，如图2所示，喷涂监控系统包括通讯系统、输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统、可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统。

通讯系统用于实现输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统与现有输调漆系统、喷涂机器人进行实时通讯，接收输调漆系统、喷涂机器人的状态信息，并且向输调漆系统、喷涂机器人返回相应的控制指令。

输调漆监控系统用于实时监控输调漆系统的输调漆状态，保证喷涂过程的顺利进行；并将监控到的输调漆状态信息传输至可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统。其中，输调漆状态包括报警故障信息、旋杯转速、静电电压、空气压力等所有与喷涂作业过程相关的信息。

喷涂机器人监控系统内存储有喷涂零件模型、喷涂机器人模型和喷涂机器人实时位置与姿态信息，用于实时监控喷涂机器人的运动状态，保证运动过程的顺利；并将监控到的运动状态信息传输至可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统。其中，喷涂机器人系统的运动状态包括喷涂机器人各驱动轴位置、速度、功率等状态和报警故障信息等信息。

可视化人机交互系统将喷涂机器人和被喷涂工件中没有相对运动关系的部件分别形成三维模型；并接收输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统传输至的输调漆状态信息和运动状态信息，以及工艺检测系统传输至的工艺检测结果和干涉碰撞检验系统传输至的干涉碰撞检测结果；并实时显示待喷涂零件模型、喷涂机器人模型、喷涂机器人运动和喷涂效果；可以通过可视化人机交互系统的显示屏进行旋转、放缩、平移、窗口放大和全局放大等交互式操作。

干涉碰撞检验系统根据接收到的输调漆状态信息和运动状态信息，自动根据零件模型和喷涂机器人模型判断在给定喷涂轨迹下是否会出现干涉和碰撞，并将判断后的干涉碰撞检测结果传输至可视化人机交互系统；如果出现干涉和碰撞，则向通讯系统传输停止指令，提示并停止喷涂。

工艺检测系统用于对输调漆系统、喷涂机器人在喷涂过程中工艺参数是否正确进行检测，并将检测结果传输至可视化人机交互系统；同时判断工艺方案是否合理，若不合理，则向通讯系统传输停止指令，停止并给出不合理的原因和大致的修改方向。其中，根据现有的工艺原理进行工艺方案是否合理的判断，具体为：

计算喷涂机器人旋杯实时位置、姿态和速度，判断喷涂机器人旋杯与工件表面的距离，以及喷涂机器人偏离工件表面法线角度，根据被喷涂工件几何特征，计算工件表面上喷涂速度，根据喷涂机器人旋杯与工件表面的距离、喷涂机器人偏离工件表面法线角度和工件表面上喷涂速度等数据偏离预先设定数据的程度，进行喷涂质量预测，实现对喷涂工艺过程检测和喷涂结果预测。

在一个优选地实施例中，可视化人机交互系统能够通过实时计算运动学正逆解，将计算结果进行实时显示。

上述实施例中，喷涂机器人监控系统在工控机上运行，其具体监控流程如下：

1.1)建立与喷涂机器人系统的连接，并判断连接是否成功，若成功则开始监控；反之报错提示；

1.2)喷涂机器人监控系统的内部寄存器内存储有喷涂机器人模型、待喷涂零件模型、喷涂机器人实时位置与姿态信息，并经可视化人机交互系统的显示屏实时显示；

1.3)对喷涂过程中工艺参数是否正确进行监控，并对喷涂过程中各运动部件进行监控，判断是否发生干涉碰撞，避免喷涂系统和工件、工装发生损坏，并实时反馈监控结果，并向控制器发送相应控制指令。

上述各实施例中，如图3所示，轨迹规划系统中的具体喷涂路径规划方法包括以下步骤：

2.1)导入已生成的待喷涂零件的三维STL模型，在导入时判断该三维STL模型是二进制格式还是ASCII格式，并导入该三维模型，导入成功进入下一步，反之重新导入待喷涂零件三维模型；

2.2)读取三维STL模型的三角面片信息，保存三角面片的点面信息和法向量信息，并显示待喷涂零件的三维模型；

2.3)判断待喷涂零件特征，根据现有集成的工艺原理自动给出扫描平面的扫描方向、起始位置和扫描间距，在此基础上，自动生成一簇等间距的扫描平面；

2.4)将扫描平面与各三角面片相交，得到扫描平面与各三角面片的相交线段，将同一扫描平面下的相交线段按顺序连接得到轨迹线条，形成待喷涂零件表面上喷涂轨迹；

2.5)判断零件特征和喷枪类型，根据集成的工艺原理自动给出喷枪到喷涂表面的距离；该距离还可以根据实际需求进行修改；

2.6)待喷涂零件表面上喷涂轨迹沿步骤2.2)中的法向量方向偏置步骤2.5)中的距离，得到喷枪中心位置的轨迹，喷枪姿态与法向量的方向一致；

2.7)判断待喷涂零件特征，根据集成的工艺原理自动给出喷涂表面上的移动速度；其中，该移动速度还可以根据实际需求进行修改；

2.8)根据步骤2.7)中的移动速度，计算喷枪沿喷枪中心位置轨迹的运动速度；

2.9)根据喷涂机器人具体拓扑结构和尺寸，执行后置处理，生成喷涂作业数控指令，完成轨迹规划。

上述各步骤中，扫描平面的扫描方向、起始位置和扫描间距，喷枪与喷涂零件表面的距离，喷涂表面上的移动速度都是依据系统集成的工艺原理自动分析给出的，用户可以根据实际需求对上述参数进行修改。

上述各步骤中，也可以人为根据不同零件设置扫描平面的扫描方向、起始位置和扫描间距，喷枪与喷涂零件表面的距离，喷涂表面上的移动速度等基本喷涂参数，其中扫描平面的扫描方向和起始位置决定了喷枪起始方向，包括喷枪姿态和移动方向。

上述各实施例中，如图4所示，运动控制系统内设置有UMAC控制器，其具体运动控制方法包括以下步骤：

3.1)对UMAC控制器轴系、电机进行正反方向和零点的定义并初始化，根据实际的运行情况对零点和返回值进行补偿；

3.2)将喷涂机器人的喷枪长度和喷涂高度作为补偿值，判断补偿值是否已经初始化，若已经初始化则进入下一步，反之则报错提示；

3.3)判断轴系与电机是否定义，若已经定义则进入下一步，反之则报错提示；

3.4)将轨迹规划系统中生成的喷涂控制指令传输至对UMAC控制器，执行轨迹规划系统生成的运动程序，该运动程序为已有程序，故在本实施例中不再进行赘述；

3.5)实时计算运动学正逆解，并将计算结果返回到监控窗口。

综上所述，本发明在使用时，根据实际应用要求，能够有效地完成对飞机平尾和典型件的喷涂轨迹进行规划并实现仿真，对喷涂机器人进行离线控制，对整个系统进行监控，从而实现飞机平尾和典型件的自动喷涂。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：该系统包括喷涂监控系统、喷涂系统和轨迹规划系统；所述喷涂系统由运动控制系统、输调漆系统和喷涂机器人构成；所述轨迹规划系统根据用户需求基于不同的待喷涂零件预设有不同的喷涂轨迹，并将该喷涂轨迹生成喷涂控制指令传输至所述运动控制系统；所述运动控制系统用于对输调漆系统和喷涂机器人进行协调控制，所述输调漆系统在所述运动控制系统控制下对所述喷涂机器人输漆；所述喷涂机器人在所述运动控制系统控制下对待喷涂零件进行喷涂；所述喷涂监控系统实时监测所述喷涂系统的工作状态。

2.如权利要求1所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述喷涂监控系统包括通讯系统、输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统、可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统；

所述通讯系统用于实现所述输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统与现有输调漆系统、喷涂机器人进行实时通讯，接收所述输调漆系统、喷涂机器人的状态信息，并且向所述输调漆系统、喷涂机器人返回控制指令；

所述输调漆监控系统用于实时监控所述输调漆系统的输调漆状态，并将监控到的输调漆状态信息传输至所述可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统；

所述喷涂机器人监控系统内存储有喷涂零件模型、喷涂机器人模型和喷涂机器人实时位置与姿态信息，用于实时监控所述喷涂机器人的运动状态，并将监控到的运动状态信息传输至所述可视化人机交互系统、干涉碰撞检验系统和工艺检测系统；

所述可视化人机交互系统将所述喷涂机器人和被喷涂工件中没有相对运动关系的部件分别形成三维模型；并接收所述输调漆监控系统、喷涂机器人监控系统传输至的输调漆状态信息和运动状态信息，以及所述工艺检测系统传输至的工艺检测结果和所述干涉碰撞检验系统传输至的干涉碰撞检测结果；并实时显示待喷涂零件模型、喷涂机器人模型、喷涂机器人运动和喷涂效果；

所述干涉碰撞检验系统根据接收到的输调漆状态信息和运动状态信息，自动根据零件模型和喷涂机器人模型判断在给定喷涂轨迹下是否会出现干涉和碰撞，并将判断后的干涉碰撞检测结果传输至所述可视化人机交互系统；如果出现干涉和碰撞，则向所述通讯系统传输停止指令，提示并停止喷涂；

所述工艺检测系统用于对所述输调漆系统、喷涂机器人在喷涂过程中工艺参数是否正确进行检测，并将检测结果传输至所述可视化人机交互系统；同时判断工艺方案是否合理，若不合理，则向所述通讯系统传输停止指令。

3.如权利要求2所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述工艺检测系统中根据现有的工艺原理进行工艺方案是否合理的判断，具体为：计算喷涂机器人旋杯实时位置、姿态和速度，判断喷涂机器人旋杯与工件表面的距离，以及喷涂机器人偏离工件表面法线角度，根据被喷涂工件几何特征，计算工件表面上喷涂速度，根据喷涂机器人旋杯与工件表面的距离、喷涂机器人偏离工件表面法线角度和工件表面上喷涂速度数据偏离预先设定数据的程度，进行喷涂质量预测，实现对喷涂工艺过程检测和喷涂结果预测。

4.如权利要求2所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述喷涂机器人监控系统在工控机上运行，其具体监控流程如下：

1.1)建立与喷涂机器人系统的连接，并判断连接是否成功，若成功则开始监控；反之报错提示；

1.2)喷涂机器人监控系统的内部寄存器内存储有喷涂机器人模型、待喷涂零件模型、喷涂机器人实时位置与姿态信息，并经可视化人机交互系统的显示屏实时显示；

1.3)对喷涂过程中工艺参数是否正确进行监控，并对喷涂过程中各运动部件进行监控，判断是否发生干涉碰撞，避免喷涂系统和工件、工装发生损坏，并实时反馈监控结果，并向控制器发送相应控制指令。

5.如权利要求1所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述轨迹规划系统中的具体喷涂路径规划方法包括以下步骤：

2.1)导入已生成的待喷涂零件的三维STL模型，在导入时判断该三维STL模型是二进制格式还是ASCII格式，并导入该三维模型，导入成功进入下一步，反之重新导入待喷涂零件三维模型；

2.2)读取三维STL模型的三角面片信息，保存三角面片的点面信息和法向量信息，并显示待喷涂零件的三维模型；

2.3)判断待喷涂零件特征，根据现有集成的工艺原理自动给出扫描平面的扫描方向、起始位置和扫描间距，在此基础上自动生成一簇等间距的扫描平面；

2.4)将扫描平面与各三角面片相交，计算得到扫描平面与各三角面片的相交线段，将同一扫描平面下的相交线段按顺序连接得到轨迹线条，形成待喷涂零件表面上喷涂轨迹；

2.5)判断零件特征和喷枪类型，根据集成的工艺原理自动给出喷枪到喷涂表面的距离；

2.6)待喷涂零件表面上喷涂轨迹沿步骤2.2)中的法向量方向偏置步骤2.5)中的距离，得到喷枪中心位置的轨迹，喷枪姿态与法向量的方向一致；

2.7)判断待喷涂零件特征，根据集成的工艺原理自动给出喷涂表面上的移动速度；

2.8)根据步骤2.7)中的移动速度，计算喷枪沿喷枪中心位置轨迹的运动速度；

2.9)根据喷涂机器人具体拓扑结构和尺寸，执行后置处理，生成喷涂作业数控指令，完成轨迹规划。

6.如权利要求5所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述步骤2.5)中，喷枪到喷涂表面的距离能根据实际需求进行修改。

7.如权利要求5所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述步骤2.7)中，喷涂表面上的移动速度能根据实际需求进行修改。

8.如权利要求1所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述运动控制系统内设置有UMAC控制器。

9.如权利要求8所述的一种民用飞机大部件自动化涂装系统，其特征在于：所述运动控制系统的具体运动控制方法包括以下步骤：

3.1)对UMAC控制器轴系、电机进行正反方向和零点的定义并初始化，根据实际的运行情况对零点和返回值进行补偿；

3.2)将喷涂机器人的喷枪长度和喷涂高度作为补偿值，判断补偿值是否已经初始化，若已经初始化则进入下一步，反之则报错提示；

3.3)判断轴系与电机是否定义，若已经定义则进入下一步，反之则报错提示；

3.4)将轨迹规划系统中生成的喷涂控制指令传输至对UMAC控制器，执行轨迹规划系统生成的运动程序；

3.5)实时计算运动学正逆解，并将计算结果返回到监控窗口。