CN110116067A - 一种车轴自动喷涂装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车轴自动喷涂装置，该装置包括：用于驱动车轴绕轴线转动的工作台，与车轴轴线平行的导轨，以及位于所述导轨上并与之相对滑动的多关节机械臂；所述多关节机械臂的末端连杆上设有喷枪及用于采集车轴图像的双目相机。本发明还提供一种车轴自动喷涂方法。本发明可以通过双目相机来采集车轴的图像，自动生成喷涂加工轨迹；采用多关节机械臂可以灵活的沿喷涂加工轨迹进行喷涂，保证喷涂的均匀性。

Description

一种车轴自动喷涂装置和方法

技术领域

本发明涉及一种喷涂装置和方法，特别涉及一种车轴自动喷涂装置和方法。

背景技术

目前，车轴在机械加工和存放在仓库，及在转移途径中都需要进行喷漆，喷漆主要是起到保护作用，有的作业甚至要喷刷底漆、面漆等好几遍才完成，而且油漆具有易挥发的化学成分，所以人工刷漆对人体具有一定毒害作用。同时喷涂质量严重依赖喷涂工人的经验、技术、情绪等因素，操作不当便容易造成重复喷涂，导致资源及劳动力的大量浪费，严重降低了工作效率及产品质量，特别是油漆的附着力和厚度的均匀性无法得到保证。目前，国内喷涂设备大多是人工喷涂，或采用三轴机器人喷涂设备进行喷涂，喷涂管件大多是标准件。由于一些车轴的结构中有多个台肩及阶梯折角，轮廓比较复杂，一般三轴机器人对台肩的根部的喷涂厚度不均，只好采用人工进行喷涂，影响人体健康，产品质量难以保证，并且造成物料的极大浪费。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种自动识别车轴轮廓并均匀喷涂车轴表面的车轴自动喷涂装置和方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种车轴自动喷涂装置，该装置包括：用于驱动车轴绕轴线转动的工作台，与车轴轴线平行的导轨，以及位于所述导轨上并与之相对滑动的多关节机械臂；所述多关节机械臂的末端连杆上设有喷枪及用于采集车轴图像的双目相机。

进一步地，所述喷枪的轴线与所述双目相机的光轴的夹角为90～180度。

进一步地，所述工件台的左右两侧各设有一对滚轮，每对所述滚轮中的至少一个滚轮与电机的输出轴连接，车轴位于两对所述滚轮上并随之转动。

进一步地，所述工件台的左侧和/或右侧设有驱动对应侧滚轮水平移动的水平气缸。

进一步地，所述工件台的左侧和/或右侧设有驱动对应侧滚轮垂直升降的垂直气缸。

本发明还提供一种车轴自动喷涂方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，将车轴放置在工作台上；将多关节机械臂的末端连杆上安装喷枪和双目相机；使双目相机的光轴垂直于车轴轴线；

步骤二，双目相机采集车轴整体的图像；

步骤三，对采集的图像进行识别及处理，得到车轴表面轮廓信息，生成喷头喷涂轨迹；

步骤四，驱动工作台使车轴绕轴线转动；使喷枪的喷头沿喷涂轨迹移动并喷涂。

进一步地，步骤一中，初始化时使双目相机位于工作台中心正上方，使之拍到整个车轴零件。

进一步地，步骤三包括如下分步骤：

步骤Ⅰ，使用棋盘格和OpenCV库对相机的内参数和外参数进行标定，得到双目相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；

步骤Ⅱ，采用Fast-RCNN目标识别方法进行车轴的识别，得到含有车轴最大包围矩形的图像；

步骤Ⅲ，对图像进行处理，得到车轴的轮廓图；

步骤Ⅳ，通过视差图算法计算，得到轮廓各点在相机坐标系的三维坐标信息；

步骤Ⅴ，对轮廓各点进行平面拟合，得到轮廓各点对应的法向量；

步骤Ⅵ；由齐次变换矩阵将车轴轮廓在三维空间平移，轮廓各点加上其法向量，得到喷枪点的喷涂路径点，生成喷涂加工轨迹。

进一步地，步骤Ⅲ中，对图像进行处理的方法包括图像去噪、图像增强、图像锐化、图像二值化以及边缘提取。

进一步地，步骤四中，工件台的左右两侧各设有一对滚轮用于支撑不需要喷涂的车轴部分，驱动滚轮使在摩擦力作用下带动车轴转动。

本发明具有的优点和积极效果是：用于驱动车轴绕轴线转动的工作台，与车轴轴线平行的导轨，以及位于所述导轨上并与之相对滑动的多关节机械臂；所述多关节机械臂的末端连杆上设有喷枪和双目相机，可以通过双目相机来采集车轴的图像，自动生成喷涂加工轨迹；采用多关节机械臂可以灵活的沿喷涂加工轨迹进行喷涂，保证喷涂的均匀性，这样基于图形处理方法进行轨迹生成，即使车轴外形变化，车轴也能定位装夹，程序可以自动生成，增加车轴喷涂的灵活性，改变了车轴的喷涂效果，进而减少人工、提高工作效率和喷涂产能及喷涂质量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、多关节机械臂；2、双目相机；3、喷枪；4、电机；5、滚轮；6、伸缩式防护罩；7、滚轮支撑座；8、车轴；9、基座；10、导轨；11、水平气缸；12、垂直气缸；13、防护罩；14、传动机构；15、垂直定位导轨；16、水平定位导轨。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种车轴8自动喷涂装置，该装置包括：用于驱动车轴8绕轴线转动的工作台，与车轴8轴线平行的导轨10，以及位于所述导轨10上并与之相对滑动的多关节机械臂1；所述多关节机械臂1的末端连杆上设有喷枪3及用于采集车轴8图像的双目相机2。

多关节机械臂1的基座9安装在所述导轨10上，基座9沿所述导轨10在平行车轴8轴线的方向上滑动移动。多关节机械臂1可选用三至六关节机械臂，使喷枪3可向左右上下前后多方向旋转，使喷枪3轴线始终垂直于车轴8表面，使喷涂更加均匀。

双目相机2用于采集车轴8图像，其原理为，用两部固定于不同位置的相机摄得物体的像，分别获得该点在两部相机像平面上的坐标。只要知道两部相机精确的相对位置，就可用几何的方法得到该特征点在固定一部相机的坐标系中的坐标，即确定了特征点的位置。通过图像分析处理和图像测量的方式精确获取车轴8轮廓点的坐标信息，计算出喷枪3的喷涂坐标，提供给机械臂运行控制。通过控制多关节机械臂1喷枪3的走行轨迹来实现对车轴8进行喷涂。

所述喷枪3的轴线与所述双目相机2的光轴的夹角可为90～180度。喷枪3和双目相机2两者的轴线夹角安装相差可为90度或大于90度，这样安装的好处既能使双目相机2在初始化时，镜头对准车轴8，采集车轴8的图像。在喷涂时，喷枪3对准车轴8，镜头转其他方向，可以更好地避免相机镜头等部位被喷涂或污染，起到保护作用；双目相机2的镜头设有镜头盖，镜头拍照时镜头盖打开，镜头不拍照时镜头盖关闭。镜头前还可以设置防护罩13，在图像采集后，由防护罩13遮挡保护镜头。

所述工件台的左右两侧可设有顶尖、卡盘等夹紧固定车轴8的工装夹具；通过电机驱动顶尖或卡盘等紧固定车轴的工装夹具旋转，使得车轴8绕轴线转动，也可通过以下装置实现车轴8绕轴线转动：

所述工件台的左右两侧可各设有一对滚轮5，每对所述滚轮5中的至少一个滚轮5可与电机4的输出轴连接，车轴8位于两对所述滚轮5上并随之转动。每对滚轮5中的一个滚轮可作为主动滚轮5由电机4驱动转动，电机4输出轴可通过传动机构14与主动滚轮5连接；两个主动滚轮5位于同侧，同步旋转，带动车轴8绕轴线转动。可将不需要喷涂的车轴8部位放置在两对滚轮5上，两对滚轮即起到支撑车轴的作用，车轴又可以在摩擦力的作用下随滚轮转动。

所述工件台的左侧和/或右侧可设有驱动对应侧滚轮5水平移动的水平气缸11。所述工件台的左侧和/或右侧可设有驱动对应侧滚轮5直升降的垂直气缸12。水平气缸11和垂直气缸12可以调节两对滚轮5之间的距离以及两对滚轮5的高度；以适应各种车轴8的定位。滚轮5可安装在滚轮支撑座7上；滚轮支撑座7及电机4均可设置在一整体的机架上；该机架上在水平气缸11和垂直气缸12的驱动下可水平或垂直移动，当车轴8的长度及直径发生变化时，可由水平气缸11和垂直气缸12的活塞杆适当伸缩来对应各种车轴8的定位。

本发明还提供一种车轴8自动喷涂方法实施例，该方法包括如下步骤：

步骤一，将车轴8放置在工作台上；将多关节机械臂1的末端连杆上安装喷枪3和双目相机2；使双目相机2的光轴垂直于车轴轴线；

步骤二，双目相机2采集车轴8整体的图像；

步骤三，对采集的图像进行识别及处理，得到车轴8表面轮廓信息，生成喷头喷涂轨迹；

步骤四，驱动工作台使车轴8绕轴线转动；使喷枪3的喷头沿喷涂轨迹移动并喷涂。

进一步地，步骤一中，初始化时可使双目相机2位于工作台中心正上方，或是光轴位于垂直于工作台的垂直面上，使之拍到整个车轴8零件。

进一步地，步骤三可包括如下分步骤：

步骤Ⅰ，可使用棋盘格和OpenCV库对相机的内参数和外参数进行标定，得到双目相机2坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；

步骤Ⅱ，可采用Fast-RCNN目标识别方法进行车轴8的识别，得到含有车轴8最大包围矩形的图像；

步骤Ⅲ，可对图像进行处理，得到车轴8的轮廓图；

步骤Ⅳ，可通过视差图算法计算，得到轮廓各点在相机坐标系的三维坐标信息；

步骤Ⅴ，可对轮廓各点进行平面拟合，得到轮廓各点对应的法向量；

步骤Ⅵ；可由齐次变换矩阵将车轴8轮廓在三维空间平移，轮廓各点加上其法向量，得到喷枪3点的喷涂路径点，生成喷涂加工轨迹。

进一步地，步骤Ⅲ中，对图像进行处理的方法可包括图像去噪、图像增强、图像锐化、图像二值化以及边缘提取。

进一步地，步骤四中，工件台的左右两侧可各设有一对滚轮5用于支撑不需要喷涂的车轴8部分，驱动滚轮5使在摩擦力作用下带动车轴8转动。同时在车轴8不需要喷涂的地方可设置防护套、防护罩等防护装置，在电机4的外壳以及与电机4输出轴连接的传动系统部分设置防护罩13。

以下是本发明的一个优选实施例及其工作原理：

请参见图1，一种车轴8自动喷涂装置，该装置包括用于摆放车轴8的工作台，工作台的下方设有水平定位导轨16和垂直定位导轨15，工作台的左右两侧可均设有水平气缸11和垂直气缸12，其中水平气缸11的活塞杆伸缩可使工作台沿水平定位导轨16水平移动，垂直气缸12的活塞杆伸缩可使工作台沿垂直定位导轨15垂直方向升降；工作台上方设有两对定位滚轮5，左右放置，每对滚轮5中的一个滚轮作为主动轮由电机4驱动转动，电机4输出轴通过传动机构14与两对滚轮5的主动滚轮连接，同步驱动两主动滚轮5转动；可将不需要喷涂的车轴8部位放置在两对滚轮5上。两对滚轮即起到支撑车轴的作用，车轴又可以在摩擦力的作用下随主动滚轮转动。

水平气缸11和垂直气缸12可以调节两对滚轮5之间的距离以及两对滚轮5的高度；以适应各种车轴8的定位，当车轴8的长度及直径发生变化时，可由水平气缸11和垂直气缸12的活塞杆适当伸缩来对应各种车轴8的定位。

在工作台前后侧可设置与车轴8轴线平行的导轨10，在该导轨10上安装一个六关节机械臂的基座9，使基座9沿该导轨水平滑动。

所六关节机械臂的末端连杆上安装用于喷涂的喷枪3和用于图像采集的双目相机2。喷枪3和双目相机2两者的轴线夹角安装相差可大于90度。

喷涂时，电机4驱动滚轮5转动，进而带动车轴8绕轴线转动，实现轮轴的整个圆周体喷涂。同时在车轴8不需要喷涂的地方设置防护套、防护罩13等防护装置，在电机4的外壳以及与电机4输出轴连接的传动系统部分设置防护罩13及伸缩式防护罩6等进行防护。

采用上述车轴8自动喷涂装置，可按照下述方法步骤进行车轴8自动喷涂：

步骤1，相机安装在六关节机械臂的末端连杆上，初始化时驱动六关节机械臂，使双目相机2光轴垂直于车轴轴线，且位于该中心线的正上方，使能够拍到整个车轴8的图像。双目相机2的标定使用棋盘格和OpenCV库进行双目相机2标定，最终得到双目相机2内参即双目相机2的自身的参数K与双目相机2的外参即双目相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵W。

步骤2，采用Fast-RCNN目标识别方法进行车轴8的识别，该方法采用深度学习对采集的图片进行训练，得到训练文件，利用该训练文件识别要喷涂的工件，得到含有车轴8最大包围的矩形的图像，并存储备用。

步骤3，对步骤2得到的图像进行图形处理，通过图像处理方法，包括图像去噪，图像增强，图像锐化，图像二值化，边缘提取等操作，最终得到车轴8的轮廓图。

步骤4，通过视差图算法计算，得到深度信息，结合步骤1，这样可以得到轮廓在双目相机2坐标系的三维点坐标信息。

视差图算法可如下：

设图像车轴轮廓一侧的空间点为p₁，p₂，p₃...p_n，图像车轴轮廓另一侧对应的空间点为p₁'，p₂'，p₃'...p_n'，而且每一个点对应于像素坐标(u，v)。

其中式(1)至式(4)中：

b为双目相机2的基线长度；

d为双目相机2的左右目的视差；

f为双目相机2的焦距；

(u，v)为图像像素点的坐标，其中u为图像像素点的横坐标，v为图像像素点的纵坐标；

f_x,f_y为双目相机2的焦距；

cx为双目相机2光心在图像平面x方向投影；

cy为双目相机2光心在图像平面y方向投影；

(x,y,z)为双目相机2某一像素点在相机坐标系的点坐标，记为V，其中x为相机坐标系下X方向的坐标，y为相机坐标系下Y方向的坐标，z为相机坐标系下Z方向的坐标；

p为V(x，y，z)在关节机器人的基坐标系下空间点；

W为相机坐标系相对于关节机器人的齐次变换矩阵。

步骤5，根据空间点p₁，p₂，p₃，...p_n，p₁'，p₂'，p₃'，...p_n'进行平面拟合，可得到单位法向量k，针对车轴喷涂特点，喷枪3法向量必须垂直表面，确定法向量方法如下：

由于双目相机2可能会偏，故合理做法是选择在双目相机2坐标系深度值较大一侧空间点p₁，p₂，p₃，...p_n，求取某一点方向量为这样处理有利于两段直线之间拐角喷涂，提高漆膜厚度均匀性。

式(5)中：

为在轮廓点处的法向量，i＝2,…,n；

k为由p₁，p₂，p₃，...p_n，p₁'，p₂'，p₃'，...p_n'进行拟合平面的单位法向量其中p₁，p₂，p₃...p_n为图像车轴轮廓一侧的空间点，p₁'，p₂'，p₃'...p_n'为图像车轴轮廓另一侧对应的空间点；

p_i为图像车轴轮廓一侧的空间点；i＝2,…,n。

p_i-1为与p_i相邻的图像车轴轮廓一侧的下一个空间点；i＝2,…,n。

步骤6，通过步骤5计算出的车轴轮廓表面法向量，与图像处理得到的车轴轮廓在三维空间相平移，已知车轴轮廓法向量，得到喷枪3路径点P_i。最终形成生成喷涂加工轨迹。

式(6)至式(7)中：

d为垂直表面偏移的距离；

P_i为喷涂轨迹点位置，i＝2,…,n；

p_i为图像车轴轮廓一侧的空间点；i＝2,…,n。

p_i-1为与p_i相邻的图像车轴轮廓一侧的下一个空间点；i＝2,…,n。

为在轮廓点处的法向量，i＝2,…,n；

k为由p₁，p₂，p₃，...p_n，p₁'，p₂'，p₃'，...p_n'进行拟合平面的单位法向量其中p₁，p₂，p₃...p_n为图像车轴轮廓一侧的空间点，p₁'，p₂'，p₃'...p_n'为图像车轴轮廓另一侧对应的空间点；

S_i-1为喷涂轨迹点位姿，i＝2,…,n。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种车轴自动喷涂装置，其特征在于，该装置包括：用于驱动车轴绕轴线转动的工作台，与车轴轴线平行的导轨，以及位于所述导轨上并与之相对滑动的多关节机械臂；所述多关节机械臂的末端连杆上设有喷枪及用于采集车轴图像的双目相机。

2.根据权利要求1所述的车轴自动喷涂装置，其特征在于，所述喷枪的轴线与所述双目相机的光轴的夹角为90～180度。

3.根据权利要求1所述的车轴自动喷涂装置，其特征在于，所述工件台的左右两侧各设有一对滚轮，每对所述滚轮中的至少一个滚轮与电机的输出轴连接，车轴位于两对所述滚轮上并随之转动。

4.根据权利要求3所述的车轴自动喷涂装置，其特征在于，所述工件台的左侧和/或右侧设有驱动对应侧滚轮水平移动的水平气缸。

5.根据权利要求3所述的车轴自动喷涂装置，其特征在于，所述工件台的左侧和/或右侧设有驱动对应侧滚轮垂直升降的垂直气缸。

6.一种车轴自动喷涂方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，将车轴放置在工作台上；将多关节机械臂的末端连杆上安装喷枪和双目相机；使双目相机的光轴垂直于车轴轴线；

步骤二，双目相机采集车轴整体的图像；

步骤三，对采集的图像进行识别及处理，得到车轴表面轮廓信息，生成喷头喷涂轨迹；

步骤四，驱动工作台使车轴绕轴线转动；使喷枪的喷头沿喷涂轨迹移动并喷涂。

7.根据权利要求6所述的车轴自动喷涂方法，其特征在于，步骤一中，初始化时使双目相机位于工作台中心正上方，使之拍到整个车轴零件。

8.根据权利要求6所述的车轴自动喷涂方法，其特征在于，步骤三包括如下分步骤：

步骤Ⅰ，使用棋盘格和OpenCV库对相机的内参数和外参数进行标定，得到双目相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；

步骤Ⅱ，采用Fast-RCNN目标识别方法进行车轴的识别，得到含有车轴最大包围矩形的图像；

步骤Ⅲ，对图像进行处理，得到车轴的轮廓图；

步骤Ⅳ，通过视差图算法计算，得到轮廓各点在相机坐标系的三维坐标信息；

步骤Ⅴ，对轮廓各点进行平面拟合，得到轮廓各点对应的法向量；

步骤Ⅵ；由齐次变换矩阵将车轴轮廓在三维空间平移，轮廓各点加上其法向量，得到喷枪点的喷涂路径点，生成喷涂加工轨迹。

9.根据权利要求8所述的车轴自动喷涂方法，其特征在于，步骤Ⅲ中，对图像进行处理的方法包括图像去噪、图像增强、图像锐化、图像二值化以及边缘提取。

10.根据权利要求6所述的车轴自动喷涂方法，其特征在于，步骤四中，工件台的左右两侧各设有一对滚轮用于支撑不需要喷涂的车轴部分，驱动滚轮使在摩擦力作用下带动车轴转动。