CN110524697A - 一种坐便器坯体自动喷釉系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坐便器坯体自动喷釉系统，包括定位工作站、输送线模块以及自动喷釉工作站，其中：所述定位工作站采用多传感器数据融合算法，将坐便器坯体准确地放置于坯体托盘并且将坐便器坯体的位置信息和3D信息发送给自动喷釉工作站进行处理；所述的输送线模块通过定位工作站、自动喷釉工作站，依次对坯体进行定位、自动喷釉后，输送到下一个加工环节；自动喷釉工作站中的对象级数据库中存储有坐便器坯体三维模型，自动喷釉工作站根据定位工作站发送来的坯体的位置信息和3D信息，利用喷釉机器人进行自动喷釉。本发明提高了喷釉机器人喷釉方式的科学性，实现喷釉环节全自动，大大提高陶瓷喷釉的质量且降低生产节拍，提高生产效率。

Description

一种坐便器坯体自动喷釉系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及机器人自动控制技术领域，具体涉及一种利用喷釉机器人、多传感器数据融合和双闭环反馈控制实现精确定位的全自动坐便器喷釉系统。

背景技术

陶瓷行业是中国的传统特色行业，具有非常悠久的历史，是中国传统文化的重要象征之一。其次，陶瓷产品应用于社会生活的方方面面，是推动中国经济发展的重要组成成分。而喷釉环节则是陶瓷加工制造过程中非常重要的一个环节，喷釉质量的好坏决定了所生产陶瓷的质量。传统喷釉工艺采用人工浸釉、喷釉，劳动强度大，而且施釉过程中粉雾密度大、环节恶劣，严重危害施釉人员的身体健康。随着工业4.0时代的到来，大多数工业制造工程逐渐采用自动化装置来代替传统的手工生产或者半自动生产，陶瓷制造行业也不例外，但是陶瓷制造行业实现自动化的难度相对较高，目前自动化水平仍然较低，大多数仍然处于手工或者半自动化程度。其中，喷釉环节自动化程度最低，业内很多专家和学者也针对此环节提出了各自的自动化解决方案。

申请号为：CN105622171A，名称为：一种陶瓷坐便器全自动管道施釉系统，其主要利用锁紧机构的压板实现对坐便器坯体后部以及坯体座圈上表面的固定，并以此作为定位装置，接着驱动喷釉机器人对该固定位置的锁紧机构进行喷釉，从而完成对锁紧机构之上的坐便器坯体的喷釉环节。申请号为：CN105622170A，名称为：一种模块化机器人精确喷釉系统，该方案提出了一种移栽定位机构，实现横向、纵向以及垂向的三维移动，托底手将坐便器坯体放置于指定位置，再利用扶正手实现对坯体角度的微调，最后采用锁紧机构完成对坐便器坯体的固定。此外，其在机器人喷釉机构安置了激光对射传感器，利用坯体经过时切断激光来实现对坯体位置的定位，提高了喷釉时候的定位精度。

上述方案中采用的方法均能在一定程度上提高坐便器坯体的定位精度，但是仍然存在以下缺点：1.采用该物理装置虽然勉强能实现定位，但是精度不高，其次未充分考虑到传送带精度低对定位精度造成的影响，大大影响了喷釉的质量。2.采用激光对射器易受喷釉区域粉雾的干扰，导致定位不准确的问题。3.所述移栽定位机构以及锁紧机构的使用无疑为增加整条生产线的机械设备，增加了成本，其次由于喷釉过程中锁紧机构一直位于坐便器坯体后方，在一定程度下遮挡了坐便器坯体，影响喷釉质量。4.喷釉轨迹过程均为人为设定，并没有严格依照坯体的模型进行喷釉，在一定程度上影响了喷釉质量。

发明内容

针对目前喷釉系统存在的定位精度不够高、喷釉方式不够科学以及系统的抗干扰能力比较差等问题，提出一种涉及喷釉机器人、多传感器数据融合算法和双闭环反馈控制实现精确定位的全自动坐便器喷釉系统及其定位方法。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种坐便器坯体自动喷釉系统，包括定位工作站、输送线模块以及自动喷釉工作站，其中：

所述定位工作站采用多传感器数据融合算法，将坐便器坯体准确地放置于坯体托盘并且将坐便器坯体的位置信息和3D信息发送给自动喷釉工作站进行处理；

所述的输送线模块包括第一输送线、第二输送线和第三输送线，其中第一输送线用于将待喷釉的坐便器坯体运输到第二输送线的进料口处，坯体在第二输送线中，依次进行定位工作站的定位、自动喷釉工作站的自动喷釉后，搬运到第三输送线上输送到下一个加工环节；

所述的自动喷釉工作站包括对象级数据库、控制器、喷釉机器人以及喷釉工位，对象级数据库中存储有坐便器坯体三维模型，控制器站根据定位工作站发送来的坯体的位置信息和3D信息，利用喷釉机器人对到达喷釉工位上的坯体进行自动喷釉。

进一步地，所述的第二输送线上还设置有烘干及擦底工作站，用于对自动喷釉后的坐便器坯体进行烘干和擦底，在烘干和擦底之后再将坐便器坯体运送到第三输送线上。

进一步地，所述的定位工作站内部安装有深度相机和测距单元，所述深度相机安置于定位工作站上方，定位工作站安装有五个测距单元，分别安置于定位工作站的前后左右和上方，前后左右的测距单元位于同一水平面上且该水平面高于第二输送线的坯体托盘之上，上方的测距单元与深度相机处在同一位置。

进一步地，所述的多传感器数据融合算法为：首先，深度相机和测距单元都先将进行初始化工作，然后，将深度相机和测距单元采集的数据经过误差检测机制进行检验，如果数据波动范围较大且不在正常范围内，则重新采集数据进行误差检测；如果多次误差检测失败，则剔除异常数据；接着，根据处理过后的数据获取坯体托盘的3D信息，并返回空间位置信息；之后搬运机器人会根据这一位置信息将坯体转移至坯体托盘上方，并根据前后左右测距单元获取的已经过误差检测的数据进行修正，从而实现精确定位；最后，将坐便器坯体的3D信息和位置信息记录并传输给自动喷釉工作站，作为自动喷釉工作站的控制输入。

进一步地，所述的第二输送线包括输送带、坯体托盘、编码器模块、电容测距单元和遮挡板，其中坯体托盘安装在支撑板上，支撑板上设置有用于测距的金属块；

所述遮挡板安置于自动喷釉工作站的上方，用于在喷釉期间实现输送线及其相关机械设备与釉料的隔离；

所述电容测距单元电容测距单元安装在位于第二输送线侧面的金属盒子中；

所述编码器模块安装在用于驱动第二输送线运动的驱动轴上，以精确测量第二输送线的输送带所运动的距离；

所述坯体托盘用于放置坐便器坯体，坯体托盘下方安装在支撑板上，支撑板装配在第二输送线上，支撑板上设置有与所述电容测距单元配合的金属块，且在支撑板底部设置有卡槽。

进一步地，所述的第二输送线上，通过编码器模块、电容测距单元和坯体托盘的相互配合，采用双闭环反馈控制策略，第一级反馈为电容测距单元，利用电容测距单元获取所经过坯体托盘的数量进行输送带的初步定位；第二级反馈为编码器模块，利用编码器模块获取的距离信息实现输送带的微调，从而实现输送带的高精度传输。

进一步地，所述的喷釉工位下方设置有两轴快速数控机床，当位于坯体托盘的坐便器坯体到达指定喷釉工位后，两轴快速数控机床将会驱动升降电机转动，从而实现顶座的上升，顶座与坯体下方支撑板上的卡槽相互咬合；接着，两轴快速数控机床将会驱动旋转电机，从而带动顶座的旋转，并与喷釉机器人相互配合，最终实现全自动喷釉过程。

一种基于多传感器数据融合算法的坐便器坯体自动喷釉系统的定位方法，包括：

步骤1，先对深度相机采集的彩色图片进行径向畸变和切向畸变校正；

步骤2，对去畸变的彩色图像提取ORB特征点，其中包括提取关键点和计算描述子；

步骤3，使用累计概率霍夫变换检测坯体托盘的直线，追踪步骤2中提取的ORB特征点对应曲线间的交点，若交于该点的曲线数量超过设定阈值，则判定为直线；

步骤4，利用去畸变后的彩色图获取坯体托盘中心的平面二维坐标(X,Y)，接着进行误差检测，计算深度图中深度值与上方测距单元采集数据的协方差，若波动范围在设定正常范围内，则判定为可用数据，否则重新进行步骤4；

若超过一定次数误差检测失败，则剔除上方测距单元与深度图中的深度值相差较大的数据，将处理后的距离数据与深度图中的深度值相融合，取其均值Z，从而获取坯体托盘中心的三维坐标(X,Y,Z)；

步骤5，搬运机器人将坐便器坯体转移至坯体托盘上方且靠近坯体托盘时，利用前后左右的测距单元，获取坐便器坯体在平面上的位置，同样将该数据进行步骤4所述的误差检测处理，利用处理后的数据信息修正所获取平面二维坐标(X,Y)的误差，实现精确定位。

本发明具有以下技术特点：

1.本发明将自动喷釉系统的定位环节和喷釉环节分开，采用先定位后喷釉的方式，大大降低了环节粉雾密度大的系统可靠性能的影响。其次，采用多传感器数据融合的方式实现坐便器坯体精确定位，提高了定位精度且增强了自动喷釉系统的鲁棒性。

2.本发明充分考虑传统输送线精度不够高所带来的影响，采用双闭环反馈控制实现对输送线的高精度传输。

3.本发明在对象级数据库中增加了喷釉对象的三维模型，同时利用定位工作站获取的对象3D信息和空间坐标来进行喷釉对象种类识别和喷釉轨迹规划，提高自动喷釉轨迹的科学性且缩短了产品切换周期，实现喷釉环节全自动，大大提高陶瓷喷釉的质量且降低生产节拍，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为多传感器融合算法的流程示意图；

图3为第二输送线上的结构示意图；

图4为支撑板底部的结构示意图；

图5为两轴快速数控机床的结构示意图；

图6为自动喷釉工作站的结构示意图；

图7为双闭环反馈控制策略的示意图。

图中标号说明：1遮挡板，2金属块，3坯体托盘，4两轴快速数控机床，5电容测距单元，6支撑板，7卡槽，8升降电机，9旋转电机，10顶座。

具体实施方式

本发明公开了一种利用喷釉机器人、多传感器数据融合和双闭环反馈控制实现精确定位的全自动坐便器喷釉系统，该系统包含三部分：定位工作站、输送线模块以及自动喷釉工作站，系统整体结构框图如图1所示，待喷釉的坐便器坯体经过第一输送线运输到第二输送线进料口处，由搬运机器人将坯体从第一输送线转移至第二输送线上；第二输送线沿途依次设置有定位工作站、自动喷釉工作站和烘干、擦底工作站。完成喷釉的坐便器将通过搬运机器人从第二输送线转移至第三输送线之上，继续进行后续的加工工艺。而本发明主要针对第二输送线中的定位工作站、自动喷釉工作站以及第二输送线体本身。

各部分内容具体介绍如下：

1.定位工作站

定位工作站利用深度相机、激光传感器和超声波测距传感器，采用多传感器数据融合算法，用于将坐便器坯体准确地放置于坯体托盘，并且将坯体的位置信息和3D信息发送给控制器进行处理。

所述定位工作站内部安装有深度相机和测距单元。所述深度相机安置于定位工作站上方。所述测距单元由激光传感器和超声波测距传感器组成，整个定位工作站安装有五个测距单元，分别安置于定位工作站的前后左右和上方，前后左右的测距单元位于同一水平面上且该水平面高于第二输送线的坯体托盘之上，上方的测距单元与深度相机处在同一位置。

所述的多传感器数据融合算法的流程图如图2所示，首先，深度相机和测距单元都先将进行初始化工作。然后，将深度相机和测距单元采集的数据经过误差检测机制进行检验，如果数据波动范围较大且不在正常范围内，则重新采集数据进行误差检测；如果多次误差检测失败，则剔除异常数据。接着，根据处理过后的数据获取坯体托盘的3D信息(ORB描述子和姿态信息)，并返回精确空间坐标(位置信息)。而后搬运机器人会根据这一位置信息将坯体转移至坯体托盘上方，并根据前后左右测距单元获取的已经过误差检测的数据进行修正，从而实现精确定位；最后，将坐便器坯体的3D信息和空间坐标记录并传输给自动喷釉工作站的控制器，作为自动喷釉工作站的控制输入，其中定位算法具体包括以下步骤：

步骤1，由于相机透镜形状以及透镜与成像平面位置的影响，深度相机采集回来的数据存在一定的畸变，因此先对深度相机采集的彩色图片进行径向畸变和切向畸变校正。

步骤2，对去畸变的彩色图像提取ORB特征点，其中包括提取关键点和计算描述子。

步骤3，霍夫变换是一种将深度图像的特征点映射至参数空间，从而获取图像特征点关系的方法，该过程创建一个参数空间，通过计算累计结果的局部最大值匹配得出一个符合该特征的集合，该集合作为霍夫变换的结果输出。使用累计概率霍夫变换检测坯体托盘的直线，追踪步骤2中提取的ORB特征点对应曲线间的交点，若交于该点的曲线数量超过设定阈值，则判定为直线。

步骤4，利用去畸变后的彩色图获取坯体托盘中心的平面二维坐标(X,Y)。接着进行误差检测，计算深度图中深度值与上方测距单元采集数据的协方差，若波动范围在设定正常范围内，则判定为可用数据。否则重新进行步骤4，若超过一定次数误差检测失败，则剔除上方测距单元与深度图中的深度值相差较大的数据，将处理后的距离数据与深度图中的深度值相融合，取其均值Z。从而获取坯体托盘中心的三维坐标(X,Y,Z)。

步骤5，搬运机器人将坐便器坯体转移至坯体托盘上方且靠近坯体托盘时，利用前后左右的测距单元，获取坐便器坯体在平面上的位置。同样将该数据进行步骤4所述的误差检测处理，利用处理后的数据信息修正所获取平面二维坐标(X,Y)的误差，实现精确定位。

2.输送线模块

输送线模块利用编码器模块和测距模块来获取输送线的运动信息，并将此运动信息作为负反馈实现对输送线的高精度控制。

输送线模块包括第一输送线、第二输送线和第三输送线，其中第一输送线用于将待喷釉的坐便器坯体通过搬运机器人运输到第二输送线的进料口处，坯体在第二输送线中，依次进行定位工作站的定位、自动喷釉工作站的喷釉、烘干、擦底工作站的烘干和擦底后，再通过搬运机器人搬运到第三输送线上输送到下一个加工环节。其中，第二输送线的结构具体介绍如下：

所述第二输送线包括输送带、坯体托盘3、编码器模块、电容测距单元5和遮挡板1，其中坯体托盘安装在支撑板6上，支撑板6上设置有用于测距的金属块2；第二输送线整体结构图如图3所示。

所述遮挡板1安置于自动喷釉工作站的上方，主要用于在喷釉期间实现输送线及其相关机械设备与釉料的隔离，提高系统的安全性和可靠性。

所述电容测距单元5采用PCAP04电容传感器芯片，一款可配置的电容式传感前端，通过测量两块金属块之间的电容值，并且转化为相应占空比的PWM或PDM波，将所输出波形数字化即可以得到两块金属块之间的距离。所述电容测距单元5安在位于第二输送线侧面的金属盒子之中，有效减低了环境粉雾密度大对系统性能的影响，如图3所示。

所述编码器模块安装在用于驱动第二输送线运动的驱动轴上，编码器模块通过测量输第二送线驱动轴旋转的角度，将角度转换为距离信息，从而实现精确测量第二输送线的输送带所运动的距离。

所述坯体托盘3用于放置坐便器坯体，坯体托盘下方安装在支撑板6上，支撑板6装配在第二输送线上；支撑板6上设置有金属块2，其与电容测距单元5相互配合，当电容测距单元5检测到明显的距离变化时既可以判定为经过了一个坯体托盘3，解决了传统的在喷釉区间内采用激光对射器易受粉雾密度大干扰的缺点。此外，坯体下方的支撑板6底部设置有卡槽7，如图4所示，卡槽7用于和两轴快速数控机床4中的顶座10相互咬合，从而通过两轴快速数控机床4带动坯体托盘3的纵向移动和旋转运动。

通过编码器模块、电容测距单元5和坯体托盘3的相互配合，采用双闭环反馈控制策略，第一级反馈为电容测距单元5，利用电容测距单元5获取所经过坯体托盘3的数量进行输送带的初步定位。第二级反馈为编码器模块，利用编码器模块获取的距离信息实现输送带的微调，从而实现输送带的高精度传输，并且能够很大程度上的降低设备成本，其系统结构框图如图7所示。

3.自动喷釉工作站

自动喷釉工作站设置在第二输送线上，主要是利用喷釉机器人、对象级数据库完成全自动喷釉环节。所述自动喷釉工作站整体结构框图如图6所示，包括对象级数据库、控制器、喷釉机器人以及喷釉工位。

所述对象级数据库中存储有各种坐便器坯体型号的三维模型。在系统首次运行喷釉时，系统首先将定位工作站获取的3D信息和对象级数据库中的坐便器坯体三维模型进行匹配，自动识别出喷釉对象所属的种类。在喷釉期间，控制器将会根据对象级数据库中对应的三维模型以及先前定位工作站记录的坐便器坯体空间坐标信息输出相应的控制策略给喷釉机器人，喷釉机器人将会根据控制器发出的控制策略进行精确喷釉，这样既达到节省釉料的目的，又提高了喷釉方式的科学性以及喷釉产品的质量。此外，对象级数据库免去了传统喷釉所需要的人为设定喷釉轨迹，大大降低了产品切换周期，提高了生产效率。

每个自动喷釉工作站设置两个喷釉工位但不限于两个，每个工位下方设置一个两轴快速数控机床4。当位于坯体托盘3的坐便器坯体到达指定喷釉工位后，位于第二输送线下方的两轴快速数控机床4将会驱动升降电机8转动，从而实现顶座10的上升，顶座10与坯体下方支撑板6上的卡槽7相互咬合；接着，两轴快速数控机床4将会驱动旋转电机9，从而带动顶座10的旋转，并与喷釉机器人相互配合，最终实现全自动喷釉过程。

Claims (8)

1.一种坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，包括定位工作站、输送线模块以及自动喷釉工作站，其中：

所述定位工作站采用多传感器数据融合算法，将坐便器坯体准确地放置于坯体托盘并且将坐便器坯体的位置信息和3D信息发送给自动喷釉工作站进行处理；

所述的输送线模块包括第一输送线、第二输送线和第三输送线，其中第一输送线用于将待喷釉的坐便器坯体运输到第二输送线的进料口处，坯体在第二输送线中，依次进行定位工作站的定位、自动喷釉工作站的自动喷釉后，搬运到第三输送线上输送到下一个加工环节；

所述的自动喷釉工作站包括对象级数据库、控制器、喷釉机器人以及喷釉工位，对象级数据库中存储有坐便器坯体三维模型，控制器站根据定位工作站发送来的坯体的位置信息和3D信息，利用喷釉机器人对到达喷釉工位上的坯体进行自动喷釉。

2.如权利要求1所述的坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，所述的第二输送线上还设置有烘干及擦底工作站，用于对自动喷釉后的坐便器坯体进行烘干和擦底，在烘干和擦底之后再将坐便器坯体运送到第三输送线上。

3.如权利要求1所述的坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，所述的定位工作站内部安装有深度相机和测距单元，所述深度相机安置于定位工作站上方，定位工作站安装有五个测距单元，分别安置于定位工作站的前后左右和上方，前后左右的测距单元位于同一水平面上且该水平面高于第二输送线的坯体托盘之上，上方的测距单元与深度相机处在同一位置。

4.如权利要求1所述的坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，所述的多传感器数据融合算法为：首先，深度相机和测距单元都先将进行初始化工作，然后，将深度相机和测距单元采集的数据经过误差检测机制进行检验，如果数据波动范围较大且不在正常范围内，则重新采集数据进行误差检测；如果多次误差检测失败，则剔除异常数据；接着，根据处理过后的数据获取坯体托盘的3D信息，并返回空间位置信息；之后搬运机器人会根据这一位置信息将坯体转移至坯体托盘上方，并根据前后左右测距单元获取的已经过误差检测的数据进行修正，从而实现精确定位；最后，将坐便器坯体的3D信息和位置信息记录并传输给自动喷釉工作站，作为自动喷釉工作站的控制输入。

5.如权利要求1所述的坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，所述的第二输送线包括输送带、坯体托盘、编码器模块、电容测距单元和遮挡板，其中坯体托盘安装在支撑板上，支撑板上设置有用于测距的金属块；

所述遮挡板安置于自动喷釉工作站的上方，用于在喷釉期间实现输送线及其相关机械设备与釉料的隔离；

所述电容测距单元电容测距单元安装在位于第二输送线侧面的金属盒子中；

所述编码器模块安装在用于驱动第二输送线运动的驱动轴上，以精确测量第二输送线的输送带所运动的距离；

所述坯体托盘用于放置坐便器坯体，坯体托盘下方安装在支撑板上，支撑板装配在第二输送线上，支撑板上设置有与所述电容测距单元配合的金属块，且在支撑板底部设置有卡槽。

6.如权利要求1所述的坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，所述的第二输送线上，通过编码器模块、电容测距单元和坯体托盘的相互配合，采用双闭环反馈控制策略，第一级反馈为电容测距单元，利用电容测距单元获取所经过坯体托盘的数量进行输送带的初步定位；第二级反馈为编码器模块，利用编码器模块获取的距离信息实现输送带的微调，从而实现输送带的高精度传输。

7.如权利要求1所述的坐便器坯体自动喷釉系统，其特征在于，所述的喷釉工位下方设置有两轴快速数控机床，当位于坯体托盘的坐便器坯体到达指定喷釉工位后，两轴快速数控机床将会驱动升降电机转动，从而实现顶座的上升，顶座与坯体下方支撑板上的卡槽相互咬合；接着，两轴快速数控机床将会驱动旋转电机，从而带动顶座的旋转，并与喷釉机器人相互配合，最终实现全自动喷釉过程。

8.一种基于多传感器数据融合算法的坐便器坯体自动喷釉系统的定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，先对深度相机采集的彩色图片进行径向畸变和切向畸变校正；

步骤2，对去畸变的彩色图像提取ORB特征点，其中包括提取关键点和计算描述子；

步骤3，使用累计概率霍夫变换检测坯体托盘的直线，追踪步骤2中提取的ORB特征点对应曲线间的交点，若交于该点的曲线数量超过设定阈值，则判定为直线；

步骤4，利用去畸变后的彩色图获取坯体托盘中心的平面二维坐标(X,Y)，接着进行误差检测，计算深度图中深度值与上方测距单元采集数据的协方差，若波动范围在设定正常范围内，则判定为可用数据，否则重新进行步骤4；

若超过一定次数误差检测失败，则剔除上方测距单元与深度图中的深度值相差较大的数据，将处理后的距离数据与深度图中的深度值相融合，取其均值Z，从而获取坯体托盘中心的三维坐标(X,Y,Z)；

步骤5，搬运机器人将坐便器坯体转移至坯体托盘上方且靠近坯体托盘时，利用前后左右的测距单元，获取坐便器坯体在平面上的位置，同样将该数据进行步骤4所述的误差检测处理，利用处理后的数据信息修正所获取平面二维坐标(X,Y)的误差，实现精确定位。