CN113000263B - 一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法，基于两轴旋转喷枪模块，所述两轴旋转喷枪模块包括第一转轴、第二转轴及喷枪，所述喷枪固定在第二转轴上，所述第二转轴固定在所述第一转轴上，定义空间坐标系XYZ及其坐标零点O，X轴为垂直方向轴线，Y轴与Z轴为水平方向轴线，第一转轴与第二转轴的轴线交点为旋转零点O’，当第一转轴旋转角度为θ₄，第二转轴旋转角度为θ₅时，喷枪的角度与目标点的单位法向量重合，通过构建几何关系方程式，确定θ₄、θ₅。由此，本发明的汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法，避免了在多个坐标系中进行复杂的转换的问题，大幅度降低了计算工作量，提高了工作效率。

Description

一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法

技术领域

本发明涉及汽修领域，尤其涉及一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法。

背景技术

在整车生产领域，喷漆机器人已经完全替代人工，极大地提高了汽车生产效率及汽车漆喷涂质量，然而在汽车维修领域，喷漆机器人却没有得到很好的应用，究其原因，是整车生产使用的喷漆机器人不仅价格昂贵，且只适用于特定车型、特定部位的固定流水线喷漆工作，而汽修领域面临每次维修的车辆型号、规格都不同，每次需要喷涂的位置、范围也不同，所以整车生产领域的喷漆机器人无法满足这样多变的应用场景。

而控制喷漆机器人的喷枪过程中，将喷枪移动到合适的三维坐标处相对简单，难点在于控制喷枪的喷射角度，也就是控制携带喷枪的机械臂的各旋转轴的绝对旋转角度，只要将喷枪的角度调整对了，喷漆的质量也就能得到保证。目前的做法是构建多个关节坐标系之间的关系并进行不同坐标系之间的转换，其过程涉及了非常复杂的运动学模型正解、逆解过程，计算过程复杂难懂，极易出现计算错误，导致控制程序复杂，对维护人员的要求非常高，进而也导致了产品成本居高不下，难以在实际生产中得到普及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法，基于两轴旋转喷枪模块，其特征在于，所述两轴旋转喷枪模块包括第一转轴、第二转轴及喷枪，所述喷枪固定在第二转轴上，所述第二转轴固定在所述第一转轴上，定义空间坐标系XYZ及其坐标零点O，X轴为垂直方向轴线，Y轴与Z轴为水平方向轴线，第一转轴与第二转轴的轴线交点为旋转零点O’，当第一转轴旋转角度为θ₄，第二转轴旋转角度为θ₅时，喷枪的角度与目标点的单位法向量重合，确定θ₄、θ₅的方法包括以下步骤：

S1、获取目标点的单位法向量n(x,y,z)；

S2、获取喷枪与车辆的相对位置关系，若喷枪位于车辆的前、后、左、右侧，则利用目标点的单位法向量n(x,y,z)及其在YOZ平面上的投影构建几何关系方程组；

方程组包含2个方程：

方程1：

利用目标点的法向量n(x,y,z)在YOZ平面上的投影向量和喷枪所在支架(附图2中的l1)在YOZ平面的投影向量(可由θ4计算得到)呈垂直关系建立方程1；

方程2：

利用同角三角函数的基本关系建立方程2。

若喷枪位于车辆的顶部，则利用目标单位法向量n(x,y,z)及其在XOZ平面上的投影构建几何关系方程组；

S3、解方程组得到θ₄、θ₅的值；

S4、结束。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)应用于汽车表面喷漆的旋转轴绝对旋转角度控制方法简化了非常复杂的运动学模型以及运动学模型的正解、逆解过程，使整个运动模型简单明了、计算过程简单可靠。

2)降低了开发人员进入汽车表面喷漆运动控制领域的门槛。

3)打破了固定流水线特定车型、特定部位喷漆运动控制工作，使维修行业的汽车所有表面喷漆运动控制成为现实。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，若喷枪位于待喷车辆的右侧，则

θ₅＝arccos(-x),0<θ₅<π。

若喷枪位于待喷车辆的后侧，则

θ₅＝arccos(-x),0<θ₅<π。

若喷枪位于待喷车辆的左侧，则

θ₅＝-arccos(-x),-π<θ₅<0。

若喷枪位于待喷车辆的前侧，则

θ₅＝-arccos(-x),-π<θ₅<0。

若喷枪位于待喷车辆的上侧，将单位法向量n(x,y,z)简化为其在XOZ面上的投影n’(x’,0,z’)

θ₄＝0；

当z’<0时，0<θ₅<π/2；当z’>0时，-π/2<θ₅<0。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过上述方案，极大的降低了对设备的计算能力的需求，降低了投入成本，计算量少，计算效率高，对维修人员的知识需求低，适用于汽车维修领域。

附图说明

图1为本发明中喷漆机器人坐标系统示意图；

图2为本发明实施例中X轴、绕X轴旋转电机4、喷枪旋转电机5的组合结构示意图；

图3为本发明实施例中绕X轴旋转电机4、喷枪旋转电机5以及喷枪结构在YOZ平面内的投影示意图；

图4为本发明实施例中目标点单位法向量在YOZ平面上投影示意图。

1、Z轴伺服电机；2、Y轴伺服电机；3、X轴伺服电机；4、绕X轴旋转电机；5、喷枪旋转电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

首先建立汽车喷漆机器人坐标系统，如图1所示。

建立可供喷枪机器人在空间自由移动的桁架，机器人的移动范围应不少于常见车型的长、宽、高加上机器人喷漆所必要的工作空间。

如图1所示，在桁架上安装5套伺服电机，构成5轴机器人，具体地，其中2套安装在桁架上，使机器人可以水平方向移动，Z轴伺服电机1可使机器人沿着Z轴往返移动，Y轴伺服电机2使机器人可以沿着Y轴往返移动；1套安装在桁架上，使机器人可以上下移动，X轴伺服电机3可使机器人沿着X轴上下往返移动；在上下移动轴底端安装一套伺服电机，使机器人可以水平方向360旋转，绕X轴旋转电机4使机器人可以在水平方向360旋转；最后一套安装在旋转电机下方，使机器人可以在垂直方向360旋转，喷枪旋转电机5使机器人可以在垂直方向360旋转。由此，喷漆机器人可以实现在桁架空间内的任何位置和方向进行喷漆作业。

设置5个伺服电机的零点位置。将Z轴伺服电机1移动到Z轴零点位置，将Y轴伺服电机2移动到Y轴零点位置，将X轴伺服电机3移动到X轴零点位置，将喷枪旋转电机5移动到喷枪垂直向下，将绕X轴旋转电机4移动到下方喷枪旋转电机5与Y轴平行位置且安装喷枪一侧朝向Y轴零点方向。

根据伺服电机在空间坐标系中的位置以及喷枪的结构，计算出喷枪调整至与目标点一致时的坐标。

图2为X轴、绕X轴旋转电机4、喷枪旋转电机5的组合结构示意图，其中P为绕X轴旋转电机4与喷枪旋转电机5的轴心线交点，这个点的位置记为Z轴伺服电机1、Y轴伺服电机2、X轴伺服电机3在空间坐标中的位置，可以表示为P(d1，d2，d3)。L1为P点到枪尖的水平距离，l3为P点到枪尖的垂直距离，l4为X轴末端到P点的垂直距离。

图3为以P点为圆心，l₁为半径，绕X轴旋转电机4、喷枪旋转电机5以及喷枪结构在YOZ平面内的投影，显然l₁仍然为P点到枪尖的水平距离，而l₂为l₃在YOZ上的投影距离，可用公式(1)计算得到。

l₂＝l₃·sinθ₅ 公式(1)

枪尖坐标(x,y,z)可由公式(2)计算得到。其中X轴坐标只与喷枪旋转电机5的角度有关，而Y、Z轴坐标受绕X轴旋转电机4和喷枪旋转电机5的角度共同影响，θ₄、θ₅为绕X轴旋转电机4、5从当前位置移动到与目标点方向一致时所需转动的绝对角度。

根据公式(2)可计算2个旋转轴θ₄、θ₅的绝对旋转角度。

1)获取汽车表面待喷漆的目标点的坐标数据(3维坐标x_s,y_s,z_s及其对应的单位法向量x_n,y_n,z_n)。

本实例使用激光雷达扫描车身，获取车身数据，并将雷达数据转换为空间坐标，将坐标数据转换为点云数据，利用点云计算出所有点对应的单位法向量n(x_n,y_n,z_n)。

2)计算θ₄、θ₅的绝对旋转角度。

以喷漆部位为右前门为例，因为右前门属于车辆右侧，确定喷枪在汽车喷漆机器人系统中的位置。

喷枪的指向，即目标点单位法向量n(x,y,z)在YOZ平面上的分量为b(y,z)。喷枪在YOZ平面的投影(单位法向量投影)如图4所示,可知喷枪位于正向(0-π)，θ₄需要在二三象限内转动，θ₄取值范围为:0-π；

θ₄对应向量a:

a＝(-cosθ₄,-sinθ₄)二象限；

a＝(-cosθ₄,-sinθ₄)三象限；

单位法向量在YOZ平面的投影向量b＝(y,z)(单位法向量n＝(x,y,z))

由a⊥b以及同一角的正余弦平方和为1得

a·b＝-cosθ₄·y-sinθ₄·z＝0；

sin²θ₄+cos²θ₄＝1；

解方程可得：

cos²θ₄＝z²/(y²+z²)；

if(z>0)θ₄:0-π/2位于二象限bz＝Z>0；

由此可得

if(z<0)θ₄:π/2-π位于三象限bz＝Z<0；

由此可得

由此可得

θ₅为单位法向量与X轴的夹角余弦，而单位法向量的x为θ₅的余弦值，由于θ₅为锐角时，处于X轴负方向，钝角时在正方向，因此有x＝-cosθ₅，而在车辆右侧时θ₅的范围应为0-π，

因此θ₅＝arccos(-x)；

最终根据汽车表面坐标数据(x_s,y_s,z_s,x_n,y_n,z_n)以及本发明的分析结果可得：

θ₅＝arccos(-x_n)；

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法，基于两轴旋转喷枪模块，其特征在于，所述两轴旋转喷枪模块包括第一转轴、第二转轴及喷枪，所述喷枪固定在第二转轴上，所述第二转轴固定在所述第一转轴上，定义空间坐标系XYZ及其坐标零点O，X轴为垂直方向轴线，Y轴与Z轴为水平方向轴线，第一转轴与第二转轴的轴线交点为旋转零点O’，当第一转轴旋转角度为θ₄，第二转轴旋转角度为θ₅时，喷枪的角度与目标点的单位法向量重合，确定θ₄、θ₅的方法包括以下步骤：

S1、获取目标点的单位法向量n(x,y,z)；

S2、获取喷枪与车辆的相对位置关系，若喷枪位于车辆的前、后、左、右侧，则利用目标点的单位法向量n(x,y,z)及其在YOZ平面上的投影构建几何关系方程组；

若喷枪位于待喷车辆的右侧，则

θ₅＝arccos(-x),0<θ₅<π；

若喷枪位于待喷车辆的后侧，则

θ₅＝arccos(-x),0<θ₅<π；

若喷枪位于待喷车辆的左侧，则

θ₅＝-arccos(-x),-π<θ₅<0；

若喷枪位于待喷车辆的前侧，则

θ₅＝-arccos(-x),-π<θ₅<0；

若喷枪位于车辆的顶部，则利用目标单位法向量n(x,y,z)及其在XOZ平面上的投影构建几何关系方程组；

S3、解方程组得到θ₄、θ₅的值；

S4、结束。

2.根据权利要求1所述的汽修用自动喷漆设备喷枪角度调节方法，其特征在于，若喷枪位于待喷车辆的上侧，将单位法向量n(x,y,z)简化为其在XOZ面上的投影n’(x’,0,z’)

θ₄＝0；

当z’<0时，0<θ₅<π/2；当z’>0时，-π/2<θ₅<0。

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