CN107552289A - 一种视觉识别喷漆机器人系统及其运作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化加工设备技术领域，公开了一种视觉识别喷漆机器人系统，包括输送机、位于输送机上方的视觉扫描设备和喷涂机器人，所述视觉扫描设备包括多个激光传感器、工控机，所述工控机与各个激光传感器之间均通过以太网连接；所述输送机配设有编码器，编码器与所述工控机之间通信连接；所述喷涂机器人通信连接有机器人控制器，机器人控制器通过以太网连接所述工控机，解决了现有的人工喷漆对身体危害、喷漆机器人的系统无法准确识别工件的轮廓和造型，喷漆系统数据传输效率低导致喷漆的效率低、喷漆效果差以及无法规避喷漆机器人的奇异点导致发生停机现象的问题。

Description

一种视觉识别喷漆机器人系统及其运作方法

技术领域

本发明涉及的自动化加工设备的技术领域，具体地，涉及一种视觉识别喷漆机器人系统及其运作方法。

背景技术

自动喷漆系统就是自动地对金属和非金属的表面覆盖保护层或装饰层，以智能化作业代替人工劳力作业的专用系统。喷漆机器人可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。

现有的自动喷漆系统主要存在以下缺点：

1、视觉检测的识别精度低：现有的系统主要采用ccd相机拍照检测对于小工件比较实用，但对于大工件高精度检测时由于像素、光源及太阳光等因素导致拍照后的照片不清晰，所以很难准确识别工件的轮廓和造型；

2、数据传输通信速度低：现有的自动喷漆系统中数据传输的实时性及大数据传送不能满足工业的需求，阻碍工业现场的数据传输通信，导致喷漆的效率低、喷漆效果差；

3、无法规避喷漆机器人的奇异点：机器人在雅可比矩阵运算时当机器人两关节旋转同心时会产生奇异点，数学算法上无法计算，当在喷漆路径过程遇到喷漆机器人的奇异点导致整个自动喷漆系统出现停机情况，影响到整个喷漆的生产效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种视觉识别喷漆机器人系统及其运作方法以达到准确检测工件的轮廓和造型、提升通信数据的实时传输以及有效规避喷漆机器人的奇异点以提高喷漆的生产效率，最终实现降低企业的人力资源成本，削减油漆耗量，提高企业环保等级，赢得良好的社会及经济效益的目的，解决了现有的人工喷漆对身体危害、喷漆机器人的系统无法准确识别工件的轮廓和造型，喷漆系统数据传输效率低导致喷漆的效率低、喷漆效果差以及无法规避喷漆机器人的奇异点导致发生停机现象的问题。

为了实现上述技术效果，本发明所提供的技术方案是：

一种视觉识别喷漆机器人系统，包括输送机、位于输送机上方的视觉扫描设备和喷涂机器人，所述视觉扫描设备包括多个激光传感器、工控机，所述工控机与各个激光传感器之间均通过以太网连接；所述输送机配设有编码器，编码器与所述工控机之间通信连接；所述喷涂机器人通信连接有机器人控制器，机器人控制器通过以太网连接所述工控机。

进一步地，所述多个激光传感器沿同一直线方向均匀排布且横跨于所述输送机的上方。

进一步地，所述输送机配设有驱动其运动的电机，电机的从动轴上装配有所述编码器。

进一步地，所述喷涂机器人与机器人控制器之间通过EtherCAT总线通信连接。

本发明还提供了一种视觉识别喷漆机器人系统的运作方法，主要包括以下步骤：

(1)将工件通过输送机传输通过视觉扫描设备的扫描区，扫描区由多个激光传感器组成，各个激光传感器均通过以太网的通信方式将扫描数据传送至视觉扫描设备的工控机中，工控机对各个扫描数据进行线性组合以获得当组数据；

(2)通过输送机上装配的编码器计算出工件的当前位置信息，并将当前位置信息传送至视觉扫描设备的工控机中；

(3)工控机将步骤(1)中的当组数据和步骤(2)的当前位置信息进数据处理以获得一帧数据，以此重复，获得多帧数据以生成线性图片；

(4)工控机对步骤(3)的线性图片进行扫描，通过扫描过程中提取出图片像素点以获得工件轮廓，工件轮廓结合在工控机中预设的喷漆参数生成喷漆路径；

(5)工控机将喷漆路径通过以太网的通信方式传送至机器人控制器；

(6)机器人控制器通过喷漆路径对喷涂机器人的奇异点进行预先计算，对奇异点的前后通过直线指令断开成两部分，再通过点到点指令将该两部分连接；

(7)机器人控制器生成控制程序并传送至喷涂机器人中。

进一步地，所述步骤(4)的扫描过程中对直线取两个像素点，圆弧取三个像素点。

进一步地，所述步骤(1)中的各个激光传感器分别配置有IP地址，所述工控机通过对应的IP地址分时读取各个激光传感器的检测数据，读取完成后，将检测数据进行线性组合。

进一步地，所述输送机的电机与编码器之间具有传动比，通过传动比可计算出编码器每个脉冲量对应的工件移动距离，以计算出工件的当前位置信息。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

1.本申请主要采用激光通信原理，由于现扫描方式要求大量检测数据进行实时交互，因此激光传感器的通信方式选择工业最好的以太网方式通信，交换数据量大、实时性好以及稳定可靠；相对于现有技术激光传感器稳定可靠，不需要光源辅助，只需要工件平行经过激光传感器就可检测出工件的轮廓和造型；

2.本申请中机器人控制器与工控机、激光传感器与工控机均都是通过以太网的通信方式进行数据通信的，随着科学技术发展致使以太网的极大提速，以太网的实时性将更加快速，进一步保证了本申请中对数据的实时、快速的传送；

3.能够有效的规避喷涂机器人的奇异点，由于喷漆本身要求精度不高，通过直线指令和点到点指令将奇异点绕开，屏蔽掉奇异点的问题之后，喷涂机器人可接收由机器人控制器的自动生成程序，防止出现奇异点导致停机问题出现；

4.本申请通过激光传感器发出有限激光束，经过折射后测绘出距离，检测出轮廓及凹槽位置，输送机上配设有编码器，通过传动比可计算出编码器每个脉冲量对应的工件移动距离，激光传感器的检测数据与编码器的计算数据组合成线扫描相机的特点，相对于CCD相机的读取数据，具有准确、稳定可靠以及实时更新的优点；

5.综上所述，本申请提供的视觉识别喷漆机器人系统是根据客户的需求，可针对喷涂异形工件的喷涂系统，通过喷涂机器人的末端配置喷枪自动喷漆，通过视觉扫描设备检测出工件的轮廓，自动生成喷漆路径，解决人工喷漆对身体危害，代替人工，最终实现降低企业的人力资源成本，削减油漆耗量，提高企业环保等级，赢得良好的社会及经济效益。

附图说明

图1是本发明提供的视觉识别喷漆机器人系统中视觉扫描设备的结构示意图；

图2是本发明提供的视觉识别喷漆机器人系统的运作方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍，以下文字的目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本发明可按照如下方式实施，一种视觉识别喷漆机器人系统，包括输送机、位于输送机上方的视觉扫描设备和喷涂机器人，所述视觉扫描设备包括多个激光传感器1、工控机2，所述视觉扫描设备设有扫描区，输送机穿过所述扫描区，各个激光传感器1位于扫描区的正上方，对传输在输送机上的工件进行激光扫描；所述工控机2与各个激光传感器1之间均通过以太网连接，各个激光传感器1将检测所得到的数据通过以太网实时传送至工控机2中；所述输送机上设有传送带，传送带上用于放置待喷漆的工件，输送机配设有编码器，编码器与所述工控机2之间通信连接，编码器将其检测数据实时传送至工控机2中进行分析处理；所述喷涂机器人通信连接有机器人控制器，喷漆机器人接收由机器人控制器发出的控制程序执行相应的喷涂动作，机器人控制器通过以太网连接所述工控机2，工控机2将喷涂路径信息实时反馈至机器人控制器中。

所述多个激光传感器1沿同一直线方向均匀排布且横跨于所述输送机的上方，即各个激光传感器1形成的排列方向与所述输送机的长度方向垂直，以保证输送机上的工件能够以平行的方式经过各个激光传感器1，作为优选的，本方案中选用进口的线性激光传感器1，激光传感器1稳定可靠，不需要光源辅助，在实际使用过程中，受到环境因素的影响更小。

所述输送机配设有驱动其运动的电机，电机的从动轴上装配有所述编码器，从动轴驱动所述编码器转动，以用于编码器进行数据记录；作为优选的，所述电机的输出轴连接有减速器，减速器的输出轴连接有从动轴，从动轴与所述编码器连接。

所述喷涂机器人与机器人控制器之间通过EtherCAT总线通信连接，机器人控制器传送控制程序至喷涂机器人，以实现喷涂机器人的动作执行，其中，EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，优点在于：包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)、降低了现场总线的使用成本。

本发明还提供了一种视觉识别喷漆机器人系统的运作方法，主要包括以下步骤：

(1)将工件通过输送机传输通过视觉扫描设备的扫描区，扫描区由多个激光传感器1组成，各个激光传感器1均通过以太网的通信方式将扫描数据传送至视觉扫描设备的工控机2中，以太网的通信方式可实现大数据、高速度、高准确度以及高可靠性的传输数据，工控机2对各个扫描数据进行线性组合以获得当组数据；之所以采用线性组合的方式处理数据，其中，线性组合代表一些抽象的向量各自乘上一个标量后再相加，是因为要把各个激光传感器1的数据叠加在一起才能用，单个激光传感器1的激光发射是扇形的，两个激光之间必定有叠加部分，所以要在工控机2中把叠加部分的数据进行处理；

(2)通过输送机上装配的编码器计算出工件的当前位置信息，并将当前位置信息传送至视觉扫描设备的工控机2中；

(3)工控机2将步骤(1)中的当组数据和步骤(2)的当前位置信息进数据处理以获得一帧数据，随着输送机带动工件的逐渐移动，则会不断重复步骤(1)和步骤(2)进行记录数据，以此重复，获得多帧数据以生成线性图片；以上步骤(1)-步骤(3)的过程起到了线性扫描的作用；其中，线性图片的像素点2-4mm但对于喷漆工艺的精度要求来说，像素点在20mm以内都能达到要求，所以生成的线性图片完全可满足后期的喷涂加工；

(4)工控机2对步骤(3)的线性图片进行扫描，同时进行图形处理，通过扫描过程中提取出图片像素点以获得工件轮廓，工件轮廓结合在工控机2中预设的喷漆参数生成喷漆路径；

(5)工控机2将喷漆路径通过以太网的通信方式传送至机器人控制器；

(6)机器人控制器通过喷漆路径对喷涂机器人的奇异点进行预先计算，对奇异点的前后通过直线指令断开成两部分，再通过点到点指令将该两部分连接；具体的讲，对于喷漆路径中直线上两个点，但是在两个点中间可能会导致喷漆机器人运行到奇异点，要通过机器人控制器进行提前运算是不是会走到奇异点，若会走到喷涂机器人的奇异点，则通过上述的直线指令和点到点指令进行绕过奇异点；若不会走到奇异点，则直接按照喷漆路径运行；

其中，所述直线指令，会根据喷漆机器人的关节个轴角度计算每个轴是正传还是反转，保证喷漆机器人的末端走的是一条直线；

所述点到点指令，指喷漆机器人中各个伺服电机根据终点位置计算自己的速度，同时启动后，同时到达终点位置，喷漆机器人的末端路径不确定。

(7)机器人控制器生成控制程序并传送至喷涂机器人中，即生成喷涂机器人的执行程序，同时在生成喷漆坐标点，控制喷枪开关。

所述步骤(4)的扫描过程中对直线取两个像素点，圆弧取三个像素点，采用此方法可快速对像素点进行取点，由于喷漆工艺对于图像的精度要求不是很高，所以采用上述方法取点可迅速提取工件的轮廓。

所述步骤(1)中的各个激光传感器1分别配置有IP地址，所述工控机2通过对应各个激光传感器1的IP地址分时读取各个激光传感器1传送的检测数据，读取完成后，将检测数据进行线性组合。

所述输送机的电机与编码器之间具有传动比，电机的从动轴与编码器进行传动连接，通过传动比可计算出编码器的每个脉冲量对应的工件移动距离，以计算出工件的当前位置信息，当前位置信息与所述步骤(1)中的当组数据组成一帧数据，其中，编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种视觉识别喷漆机器人系统，其特征在于，包括输送机、位于输送机上方的视觉扫描设备和喷涂机器人，所述视觉扫描设备包括多个激光传感器、工控机，所述工控机与各个激光传感器之间均通过以太网连接；所述输送机配设有编码器，编码器与所述工控机之间通信连接；所述喷涂机器人通信连接有机器人控制器，机器人控制器通过以太网连接所述工控机。

2.根据权利要求1所述的视觉识别喷漆机器人系统，其特征在于，所述多个激光传感器沿同一直线方向均匀排布且横跨于所述输送机的上方。

3.根据权利要求1所述的视觉识别喷漆机器人系统，其特征在于，所述输送机配设有驱动其运动的电机，电机的从动轴上装配有所述编码器。

4.根据权利要求1所述的视觉识别喷漆机器人系统，其特征在于，所述喷涂机器人与机器人控制器之间通过EtherCAT总线通信连接。

5.一种视觉识别喷漆机器人系统的运作方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

(1)将工件通过输送机传输通过视觉扫描设备的扫描区，扫描区由多个激光传感器组成，各个激光传感器均通过以太网的通信方式将扫描数据传送至视觉扫描设备的工控机中，工控机对各个扫描数据进行线性组合以获得当组数据；

(2)通过输送机上装配的编码器计算出工件的当前位置信息，并将当前位置信息传送至视觉扫描设备的工控机中；

(3)工控机将步骤(1)中的当组数据和步骤(2)的当前位置信息进数据处理以获得一帧数据，以此重复，获得多帧数据以生成线性图片；

(4)工控机对步骤(3)的线性图片进行扫描，通过扫描过程中提取出图片像素点以获得工件轮廓，工件轮廓结合在工控机中预设的喷漆参数生成喷漆路径；

(5)工控机将喷漆路径通过以太网的通信方式传送至机器人控制器；

(6)机器人控制器通过喷漆路径对喷涂机器人的奇异点进行预先计算，对奇异点的前后通过直线指令断开成两部分，再通过点到点指令将该两部分连接；

(7)机器人控制器生成控制程序并传送至喷涂机器人中。

6.根据权利要求5所述的视觉识别喷漆机器人系统的运作方法，其特征在于，所述步骤(4)的扫描过程中对直线取两个像素点，圆弧取三个像素点。

7.根据权利要求5所述的视觉识别喷漆机器人系统的运作方法，其特征在于，所述步骤(1)中的各个激光传感器分别配置有IP地址，所述工控机通过对应的IP地址分时读取各个激光传感器的检测数据，读取完成后，将检测数据进行线性组合。

8.根据权利要求5所述的视觉识别喷漆机器人系统的运作方法，其特征在于，所述输送机的电机与编码器之间具有传动比，通过传动比可计算出编码器每个脉冲量对应的工件移动距离，以计算出工件的当前位置信息。