CN110545920A - 利用喷雾器为工件涂漆的方法以及涂漆系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为工件(24)涂漆的方法，在其中，涂装设备(26a、26b)利用喷雾器(32a、32b)将射流(34)指向工件(24)，可由涂装设备改变射流的射流几何形状。摄像机(36；36a、36b)拍摄射流(34)的图像(34')。图像处理装置(38)检测在图像(34')上拍摄的射流(34)和目标射流之间的偏差。控制装置(40)根据由图像处理装置(38)检测到的偏差控制涂装设备(26a、26b)。

Description

利用喷雾器为工件涂漆的方法以及涂漆系统

技术领域

本发明涉及一种利用喷雾器为工件涂漆的方法以及涂漆系统。特别地，本发明涉及如下技术问题，即，以改善涂漆质量和使所使用的油漆和过量喷涂物的量最小化为目而优化由喷雾器产生的射流。

背景技术

为了自动地为车辆车身、壳体部件或其它工件涂漆，通常使用涂装设备，涂装设备具有机器人和由机器人的可动的臂携带的喷雾器。喷雾器产生指向工件的油漆射流。借助于机器人，沿着预设的轨迹在工件上方引导喷雾器，使得射流扫过待涂漆的工件的部分并且均匀地以油漆进行涂覆。

在现有技术中，已知液压喷雾器，在其中，利用高压通过喷嘴压出油漆。在从喷嘴中离开时，产生紊乱的流动，油漆通过该流动分散成单个的小液滴。在气动喷雾器中，借助于动力气体加速油漆并且将油漆从喷嘴中压出。也已知这样的喷雾器，即，在其中，借助于电场加速油漆，以使其最终从喷嘴中离开。

最为广泛的是旋转喷雾器，在其中，将油漆引导到非常快速旋转的盘上，该盘常常也被称为钟形盘(Glockenteller)。由于此时离心力的作用，使油漆向外加速并且在钟形盘的棱边上断开。由此，使油漆膜分解成细的液滴。

由于将油漆径向向外甩出，附加地，处于压力下的转向空气(Lenkluft)在喷雾器上离开。该转向空气也夹带油漆颗粒并且使油漆颗粒转向，使得形成轴向向前指向的射流。在此，转向空气理解成从喷雾器中离开的空气流。在一些喷雾器中，不同的空气流从喷雾器中离开，可借助于特殊的环或罩彼此独立地影响这些空气流。

尽管通过转向空气形成射流，在借助于喷雾器涂漆的情况中通常不是所有油漆颗粒都沉积在工件上。未永久地沉积在工件上的油漆部分被称为过量喷涂物。通常，在涂漆舱中进行涂漆过程，在涂漆舱中产生空气流。该空气流带走过量喷涂物并且将其引导给分离装置。

由于产生空气流和分离过程造成高成本并且在分离过程中也仅仅能回收过量喷涂物的一部分，使过量喷涂物最小化是在借助于喷雾器自动为工件涂漆时重要的目标。

除了利用转向空气形成射流，附加地，为了使过量喷涂物最小化，在雾化之前常常使油漆带静电。通过在工件上施加电压，可实现，工件静电地吸引带电的油漆颗粒。以这种方式，更大比例的油漆颗粒附着在工件上。

在自动为工件涂漆时存在的问题是，在设计在喷雾器和工件之间的相对运动和距离时受限于定义的射流几何形状。可通过多个特征使射流几何形状参数化。这尤其是包括：与喷雾器相距预设距离处的射流宽度，射流在离开喷雾器时相对于喷雾器纵轴线的最大角度，射流的密度分布，射流的外轮廓以及上述特征之一的随时间的变化。如果在使用相同油漆的连续涂漆过程之间或者在单次涂漆操作内更换油漆之后射流几何形状改变，则这可导致，出现涂漆缺陷。这种涂漆缺陷通常在于，不是均匀地以期望的厚度将油漆施用到工件上。在这种情况中，常常必须高成本地对工件进行返工；出于成本原因，报废该工件可能更适宜。

至今为止，力求通过以下方式保证维持期望的射流几何形状，即，在每次更换油漆时或者在单次涂漆过程期间，有经验的技工目视检查射流的几何形状。为此，技工在适宜的光线情况下将射流指向测试对象，并且改变涂装设备的控制参数，直至得到期望的射流几何形状。然而，视觉检查需要非常多的经验，相对多的时间，并且由此不能总是得到可重复的结果。此外，在检查期间浪费了油漆并且产生过量喷涂物。

发明内容

本发明的目的是提供一种为工件涂漆的方法以及涂漆系统，通过该方法和系统可尤其快速地调整射流的期望的几何形状。

在方法方面，该目的通过一种为工件涂漆的方法实现，该方法具有以下步骤：

a)涂装设备利用喷雾器将射流指向工件，涂装设备可以改变射流的射流几何形状；

b)摄像机拍摄射流的图像；

c)图像处理装置检测在图像上拍摄的射流和参考射流之间的偏差；

d)控制装置根据由图像处理装置检测到的偏差控制涂装设备。

本发明的基于的考虑是，将技工目视检查射流几何形状自动化。通过摄像机拍摄射流的图像的电子处理可以量化射流的特征，使得根据由此获得信息通过合适地控制涂装设备使射流的几何形状接近理论几何形状。由此，期望的射流几何形状的调整可以实现这样的控制，即，使得保持不变地且与变化的油漆参数无关地产生限定的射流几何形状。

因为可自动地在非常短的时间内进行这种控制，在更换油漆时的空闲时间缩短。在非常频繁地更换油漆的现代化生产线中，由此可实现生产率的显著提高。此外，由于调整期望的射流几何形状，消耗更少的油漆并且产生更少的过量喷涂物。

由于也可在涂漆过程期间或者在使用相同油漆的连续的涂漆过程之间进行这种控制，可通过本发明改善涂漆质量并且降低用于返工的成本。

试验表明，在步骤b)中拍摄射流的图像期间，摄像机的光学轴线应至少基本上垂直于喷雾器的纵轴线定向。于是，可更简单地检测到射流的几何形状，因为使几何的变形最小化。但是原则上，从倾斜的视角拍摄图像也是可行的。然而，由于几何的变形，图像评估更复杂。

就此而言，喷雾器的纵轴线被理解成与射流的对称轴线对准的轴线。总地来说，纵轴线为喷雾器的输出喷嘴的对称轴线。在旋转喷雾器的情况中，通过钟形盘的旋转轴线限定纵轴线。

原则上，在射流指向工件期间，可拍摄射流的图像。尤其是当在涂漆过程期间进行射流几何形状的控制时，这通常是优选的。然而，工件的表面可能影响射流的形状。因此，至少在以根据本发明的方式仅仅以较大的时间间隔检查射流几何形状时，通常更适宜的是，在步骤b)中拍摄图像期间中断工件的涂漆。

在这种中断期间，喷雾器可在步骤b)中拍摄图像期间为测试对象(例如板)涂漆。由此，实现尽可能接近真实的涂漆过程的情况，但是尽管如此还能够精确重复。此时可考虑，通过相同的或者另一摄像机附加地记录测试对象的已涂漆的面。于是，在此获得的涂漆效果也可用于评估射流的确定参数，例如密度分布。

此外可行的是，使用在清洁盒中的面作为测试对象。由喷雾器靠近这种清洁盒，以进行清洁过程，这在更换油漆的过程中是必须的。

为了记录射流几何形状的上述特征，图像处理装置将拍摄的射流图像进行边缘滤波。通过确定射流的外边缘，可确定射流几何形状的尤其重要的特征，其中包括在与喷雾器预设的距离处射流的宽度，射流在离开喷雾器时相对于喷雾器的纵轴线的最大角度，以及射流的外轮廓的形状。

如果拍摄射流的多个图像，也可获得这些特征的随时间的变化。因此也可考虑，在如下摄像模式中使用用于拍摄图像的摄像机，即，在该摄像模式中每秒拍摄多个图像。

如果喷雾器是旋转喷雾器，则控制装置可在步骤d)中改变涂装设备的如下控制参数中的至少一个：由旋转喷雾器排放的转向空气的压力，旋转喷雾器的转速，输送给喷雾器的油漆的体积流和温度。这些控制参数对射流的几何形状有直接影响，并且因此适用于影响射流几何形状，以使得与理论几何形状的偏差最小。

此外，本发明提供一种借助于涂装设备为工件涂漆的涂漆系统，所述涂装设备设置成，利用喷雾器将射流指向工件，所述涂装设备可以改变射流的射流几何形状。摄像机设置成拍摄射流的图像。图像处理装置设置成检测在图像上拍摄的射流与参考射流之间的偏差。控制装置设置成，根据由图像处理装置检测到的偏差控制涂装设备。

通过根据本发明的涂漆系统获得的优点参考以上方法的实施方案。

为了防止过量喷涂物污染摄像机，摄像机可布置在涂漆舱之外。可替代地，可以将摄像机布置在涂漆舱的内部。因此，优选的是在涂漆舱的上部区域中存在更少的过量喷涂物的位置。如果摄像机布置在涂漆舱的下部区域中，可附加地设置清洁装置，例如鼓风装置或液体清洁系统，以防止过量喷涂物污染摄像机镜头。在特定的应用情况中，还可能有利的是将摄像机布置在承载喷雾器的机器人的可动的臂上。

附图说明

下文根据附图详细解释本发明的实施例。其中：

图1示出了根据本发明的涂漆系统的立体图，其中，仅仅示出了涂漆舱的一部分；

图2示出了根据本发明的涂漆系统的重要组件的示意图；

图3示出了摄像机如何拍摄指向测试对象的射流的图像的示意图；

图4a至图4d示出了在图像处理的不同阶段中的由摄像机拍摄的图像。

具体实施方式

在图1中立体地示出了并且以10表示根据本发明的整个涂漆系统。涂漆系统10包括几乎封闭的涂漆舱12，出于更好的可见性原因，仅仅示出了几个部分。在所示出的实施例中，涂漆舱12包括底部区域14，四个侧壁16(其中在图1中仅仅示出两个侧壁)，以及同样未示出的顶棚。左侧示出的侧壁16设有窗口18，窗口允许看到涂漆舱12的内部空间20。涂漆舱12位于底部结构20上，这在现有技术中是已知的。

在所示出的实施例中，涂漆舱12的底部区域14载有以22指出的输送系统，在输送系统上可沿着输送方向输送工件(在此车辆车身24)。在涂漆之前，借助于输送系统22通过卷帘门或其它可关闭的开口将车辆车身24送入涂漆舱12中，并且在涂漆结束之后再次从涂漆舱12中送出。

在输送系统22两侧，在涂漆舱12中布置涂装设备26a、26b。每个涂装设备26a、26b包括机器人28a或28b，机器人分别具有可动的机器人臂30a或30b。每个机器人臂30a、30b都载有旋转喷雾器32a、32b，通过未示出的管路将液态的油漆和压缩空气输送给旋转喷雾器。油漆和压缩空气供给部是涂装设备26a、26b的一部分，并且也可至少部分地布置在涂漆舱12之外。

油漆例如为用于车身颜色的底漆或者保护之前涂敷的底漆不受UV辐射并且使车身24表面光亮的清漆。所使用的油漆不仅在其透明性和颜色方面有区别，而且在其粘度和表面张力方面有区别。因此，由旋转喷雾器32a、32b产生的射流34的几何形状与待涂敷的油漆类型相关。由于油漆的温度也影响其粘度和表面张力，即使涂敷一种且相同的油漆，射流34的几何形状并且进而涂漆效果也可能变化。

为了为车辆车身24涂漆，机器人臂30a、30b使固定在其中的旋转喷雾器32a、32b快速地沿着预设轨迹在车辆车身24上方运动。由旋转喷雾器32a、32b产生的射流34在此在预设的距离中扫过车辆车身24的表面，从而油漆颗粒可沉积在车辆车身的表面上。为了改善油漆颗粒的附着，可电加载油漆颗粒并且将车辆车身24接地，这在现有技术中是已知的。

此处已知的涂漆系统10与传统的系统的区别在于，通过第一摄像机36a和第二摄像机36b监控涂漆过程。第一摄像机36a固定在涂漆舱12之外，并且通过窗口18拍摄涂漆过程的图像。第二摄像机36b固定在涂漆舱12之内，并且为了防护过量喷涂物配备有附加的保护装置(未示出)。在所示出的实施例中，摄像机36a、36b为普通的在可见波长谱中拍摄图像的摄像机。

图2以示意图示出了根据本发明的涂漆系统10的重要组件。上方示出了通过信号线路与图像处理装置38相连接的第一摄像机36a，第一摄像机36a同样是涂漆系统10的一部分。图像处理装置38通过另一信号线路与用于涂装设备26a的控制装置40相连接。在图2中，作为分离的结构单元示出了图像处理装置38和控制装置40。显然，这些装置也可空间上集合在一起并且尤其是实现成在微处理器上实施的计算机程序的不同模块。

在图2中暗示出，在进行涂漆过程期间(如图2中右上方示出)，第一摄像机36a拍摄射流34的图像。该图像被图像处理装置38处理并且与参考射流比较。由于已知每个时刻的机器人臂30a的位置以及进而旋转喷雾器36a的位置，可在图像处理装置38中计算出透视变形，该透视变形通过由第一摄像机36a倾斜地观察射流34得到。结果是射流34的矫正的图像34'，如在图2中那样，这例如在图像处理装置38的屏幕42上示出。

现在，以合适的图像处理算法处理并且几何上分析射流34的图像34'。在图像处理装置38中，将从中导出的几何参数与参考射流的理论参数比较。如果在由摄像机36a获取的几何形状和射流的期望的几何形状之间的偏差超过预设的公差，则控制装置40的控制算法从中计算出用于涂装设备26a的控制命令，以便使偏差最小化。为此，控制装置40尤其是可作用于转向空气从旋转喷雾器32a离开的压力以及进而由旋转喷雾器32a给出的油漆的体积流和/或输送给旋转喷雾器32a的油漆的温度。此外可考虑，改变机器人臂30a的运动轨迹，以便以这种方式匹配在旋转喷雾器32a和车辆车身24的表面之间的距离。

代替在射流指向车辆车身24期间获取射流34，也可在可更好重复的条件下进以摄像机辅助的方式确定射流几何形状，这例如在图3中示出。在此处，射流34指向测试对象44，在最简单的情况中，测试对象为板。此时，借助于机器人臂30a使旋转喷雾器32a的旋转轴线46定向，使得旋转轴线垂直于测试对象44的平面的表面伸延。固定地布置的摄像机36位于测试对象44附近，摄像机的光学轴线48平行于测试对象44的表面并且垂直于旋转喷雾器32a的旋转轴线46伸延。以50指出的光源如此定向，使得光源的主辐射方向不仅垂直于旋转轴线46而且垂直于光学轴线48。

试验表明，在这些限定的条件下，尤其可精确地借助于摄像机36获取射流34的几何形状。通过借助于光源50横向于摄像机36的光学轴线48照射射流34，可良好地看出油漆颗粒。当在与摄像机36相对的侧上存在尽可能均匀地被照射的屏幕52时，辅助了油漆颗粒的可区分性。

在图3中示出了射流34的重要几何特征，这些特征可从借助于摄像机36拍摄的图像中推导出。示出了在与旋转喷雾器32a的距离A中射流34的宽度B，以及直接在旋转喷雾器32a的钟形盘54上的射流的打开角度α。

图4a至图4d示出了在不同图像处理阶段中的射流34的图像。在图4a中，示出了通过应用简单的滤波算法从拍摄的彩色图像中获得的二元图。为此，首先将彩色图像转换成灰度图。根据灰度值在预设的阈值之上还是之下，像素获得白色或黑色的颜色。

在图4b中，除去了不属于射流的干扰像素。为此，算法除去所有大小在阈值之外的对象。由此，同时去除图像噪点并且使射流34的外轮廓光顺。

通过另一算法，除去不属于射流的较大的对象，由此获得在图4c中示出的射流的图像。

紧接着，进行边缘探测算法，以获得射流的轮廓，这例如在图4d中示出。现在，借助于已知的算法，可从射流的外轮廓中导出在图3中示出的射流几何形状的特征并且与理论值对比。例如，可从已经拍摄的引起相关工件的良好涂漆效果的射流图像中导出理论值。此外备选地，从函数关系中可确定理论值，函数关系例如以表格的形式存在并且以长时间内获得的经验值为基础。这种经验值也可储存到专家系统中，随后专家系统输出合适的理论值。

在进行比较之后，机器人臂30a再次将旋转喷雾器32a引入相对于车辆车身24正确的加工位置中。如果在被拍摄的射流和参考射流之间确定的偏差不受公差限制很大，通过改变的控制参数继续涂漆过程。

可如此控制涂漆系统10，使得总是当应改变参考射流的性能时，才进行射流几何形状的上述检查。除了其几何形状之外，参考射流的性能也包括所使用的油漆。因此，典型地在每次更换颜色以及每次更换工件类型之后进行检查。

然而，也可考虑(必要时附加的)定期的检查，因为在温度变化时油漆的性能以及进而射流的几何形状同样改变。

Claims (13)

1.一种用于为工件(24)涂漆的方法，所述方法具有以下步骤：

a)涂装设备(26a、26b)利用喷雾器(32a、32b)将射流(34)指向工件(24)，涂装设备能够改变射流的射流几何形状；

b)摄像机(36；36a、36b)拍摄射流(34)的图像(34')；

c)图像处理装置(38)检测在图像(34')上拍摄的射流(34)和参考射流之间的偏差；

d)控制装置(40)根据由图像处理装置(38)检测到的偏差控制涂装设备(26a、26b)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤b)期间，摄像机(36)的光学轴线(48)至少基本上垂直于喷雾器(32a、32b)的纵轴线(46)定向。

3.根据权利要求1或2所述的方法，在其中，在所述步骤b)期间中断工件(24)的涂漆。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述步骤b)期间喷雾器(32a、32b)为测试对象(44)涂漆。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，至少在参考射流的特性将改变时，进行所述步骤b)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述图像处理装置(38)确定射流几何形状的至少一个特征，其中，从以下组成的组中选择所述射流几何形状的特征：

距喷雾器(32a、32b)预设距离(A)处的射流(34)的宽度(B)，

所述射流在离开喷雾器(32a、32b)时相对于喷雾器(32a、32b)的纵轴线(46)的最大角度(α)，

射流(34)的密度分布，

射流(34)的外轮廓的形状，以及

上述特征中任一者随时间的变化。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述图像处理装置(38)将拍摄的射流(34)的图像(34')进行边缘滤波。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述控制装置在步骤d)中改变涂装设备(26a、26b)的如下控制参数中的至少一个：

由喷雾器(32a、32b)排放的转向空气的压力，

输送给喷雾器的油漆的体积流，

输送给喷雾器的油漆的温度。

9.一种用于为工件(24)涂漆的涂漆系统，所述涂漆系统具有：

涂装设备(26a、26b)，所述涂装设备设置成，利用喷雾器(32a、32b)将射流(34)指向工件(24)，涂装设备(26a、26b)能够改变射流的射流几何形状，

摄像机(36a、36b)，所述摄像机设置成拍摄射流(34)的图像，

图像处理装置(38)，所述图像处理装置设置成检测在图像(34')上拍摄的射流(34)与参考射流之间的偏差，

控制装置(40)，所述控制装置设置成，根据由所述图像处理装置(38)检测的偏差控制所述涂装设备(26a、26b)。

10.根据权利要求9所述的涂漆系统，其中，所述图像处理装置(38)设置成，确定射流几何形状的至少一个特征，其中，从以下组成的组中选择所述射流几何形状的特征；

距所述喷雾器(32a、32b)预设距离(A)处的射流(34)的宽度(B)，

所述射流在离开喷雾器(32a、32b)时相对于喷雾器(32a、32b)的纵轴线(46)的最大角度(α)，

射流(34)的密度分布，

射流(34)的外轮廓的形状，以及

上述特征中任一者随时间的变化。

11.根据权利要求9或10所述的涂漆系统，其中，摄像机(36)的光学轴线(48)至少基本上垂直于喷雾器(32a、32b)的纵轴线(46)定向。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的涂漆系统，所述涂漆系统具有涂漆舱(12)，所述喷雾器(32a、32b)布置在所述涂漆舱的内部，其中，所述摄像机(36a、36b)布置在涂漆舱(12)的外部。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的涂漆系统，其中，所述控制装置(40)设置成在步骤d)中改变涂装设备(26a、26b)的如下控制参数中的至少一个：

由喷雾器(32a、32b)排放的转向空气的压力，

由喷雾器(32a、32b)排放的油漆的体积流，

输送给喷雾器(32a、32b)的油漆的温度。