CN113319849A - 一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其基于一激光除漆装置；机械臂自动定高控制方法包括如下步骤：S1、确定机械臂的初始位置和工作范围，工作范围包括除漆工序次数的设置、机械臂向上移动距离的设置和每道工序所涉及工作距离的设置；S2、根据步骤S1设置的工作范围，来设置激光信号的开启与关闭时间，激光信号开启时，通过激光输出装置的激光出光来进行自动除漆；S3、在进行步骤S2的除漆过程中，机械臂的控制器根据激光测距仪的实时量测信息、高度参数以及防抖动参数，来计算机械臂距离待除漆面的偏移量，使得机械臂自动进行偏移补偿。解决了有的激光清洗装置不能自动调节激光与待加工表面的距离、影响清洗效果的问题。

Description

一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法

技术领域

本发明属于机械臂控制技术领域，具体涉及一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法。

背景技术

船舶、飞机、坦克等设备每隔一段时间需要维修保养，当设备表面漆层脱落，需要将原来的油漆层去除，以便喷涂新油漆。传统的除漆方法工作时会产生粉尘污染、污染环境、对设备造成损害等不利因素。近几年新发展起来的激光除漆技术是一种“绿色、环保”除漆工艺，具有无须接触、无须研磨、不引入额外杂质以及适用于各种非常规材料等特点，与传统的除漆方式相比，激光除漆技术具有 5大优势：(1)绿色、环保，不对环境造成污染；(2)不对设备造成损害；(3) 除漆效果好；(4)适用范围广，适用不同类型的设备、不同的油漆厚度；(5)运行和维护成本低。

市场上现有的激光清洗装置，在控制激光在待加工设备表面移动时，不能自动调节激光与待加工表面的距离，导致在待加工设备的不同表面激光焦距改变，影响清洗效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，以解决有的激光清洗装置不能自动调节激光与待加工表面的距离、影响清洗效果的问题。

本发明采用以下技术方案：一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制方法，其特征在于，其基于一激光除漆装置；激光除漆装置包括机械臂、及设置在机械臂一端的激光输出装置，激光输出装置上安装有一个激光测距仪，激光测距仪位于激光输出装置和待除漆面之间；

机械臂自动定高控制方法包括如下步骤：

S1、确定机械臂的初始位置和工作范围，工作范围包括除漆工序次数的设置、机械臂向上移动距离的设置和每道工序所涉及工作距离的设置；

设置机械臂的高度参数和防抖动参数；高度参数为激光测距仪与待除漆面之间的距离；

S2、根据步骤S1设置的工作范围，来设置激光信号的开启与关闭时间，激光信号开启时，通过激光输出装置的激光出光来进行自动除漆；

S3、在进行步骤S2的除漆过程中，机械臂的控制器根据激光测距仪的实时量测信息、高度参数以及防抖动参数，来计算机械臂距离待除漆面的偏移量，使得机械臂自动进行偏移补偿；其中，量测信息为激光测距仪距离待除漆面的实际距离。

进一步的，激光除漆装置包括：

一机械臂，其上具有控制器；

一激光输出装置，其一端设置激光发射头，其另一端连接至机械臂上；

一防护罩，为空心壳体，其间隔设置在激光输出装置发射激光的一侧，防护罩上、靠近激光输出装置的侧面开有激光通过孔，靠近待除漆工作面的侧面设为敞口；激光穿过孔和敞口连通形成激光通过的路径，用于使得激光依次经过激光穿过孔和敞口到达待除漆工作面；

一个激光测距仪，设置在防护罩的敞口端外壁面外侧；

激光测距仪，用于测量其到待除漆工作面的实际距离，并将实际距离反馈至机械臂的控制器中；控制器，用于接收实际距离，并将实际距离与其内预设的目标距离进行对比，并在实际距离与目标距离出现偏差时对机械臂的位置进行调整。

进一步的，步骤S1中，确定机械臂的初始位置和工作范围的具体方法为：

通过示教器在工具坐标系下，移动机械臂在待除漆面选取一个初始点 A(x,y,z)；工具坐标系是在激光输出装置的中心建立的标准直角坐标系，激光输出装置中心为坐标系原点，以每道工序行进方向为x轴正方向，以机械臂上移方向为y轴正方向，z轴方向通过右手坐标系求出；

设置每道工序的工作距离为d，以及完成每道工序后机械臂的上移距离为m，第一道工序的起点为初始点A，则终点为B(x+d,y,z)；第二道工序的起点为 C(x,y+m,z)，终点为D(x+d,y+m,z)；以此类推，第n道工序的起点为[x,y+(n-1)*m,z]，终点为[x+(n-1)*d,y+(n-1)*m,z]。

进一步的，步骤S1中，激光测距仪安置在与激光输出装置的激光光束所在工具坐标系下的同一x轴坐标下，激光光束出口与待除漆面之间的激光焦距为d₁，激光测距仪与激光输出装置的激光光束出口在工作坐标系下z轴方向的距离为 d₂，则机械臂需要保持的高度参数为d₃＝d₁-d₂。

进一步的，步骤S3的具体方法为：设激光测距仪测的量测信息为h₀，则机械臂在z轴方向的偏移量为Δz＝d₃-h₀，设防抖动参数为δh；

当Δz＞δh时，通过将Δz设置为机械臂的系统偏移量，机械臂在移动过程中通过系统偏移量自动进行z轴方向的调节；

当Δz＜δh时，不对机械臂进行偏移量补偿调节。

进一步的，还包括：

一喷气管道，其具有气体出口端，气体出口端位于激光输出装置与防护罩之间的间隔处；用于向间隔处吹气除尘。

进一步的，还包括：

一遮光板，其为空心罩结构，罩设在激光输出装置和防护罩之上，用于对激光输出装置发射激光的路径上方进行遮挡。

本发明的有益效果是：本发明设计的机械臂自动定高控制算法，该算法能够使得激光头与待加工平面保持一定的安全距离，从而保证加工面到激光光束出口的距离为合适的激光焦距内，使得激光除漆装置在工作面上实现运行可靠的激光清洗，为激光清洗领域的工程应用提供一种可行、可靠的技术方案。本发明针对复杂工作面的油漆清除及清洗装置与加工面距离高度无法自动调节问题，以提高除漆效果为目标，相比于其它除漆技术，适用加工范围广，能灵活调整激光焦距在合适的范围内，改善除漆效果。

附图说明

图1为本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法的方法流程示意图；

图2为本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法中机械臂工作路线设计图；

图3为本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法中d₁、d₂和h₀之间的位置关系示意图；

图4为本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法中光除漆装置的主视图；

图5为本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法中激光除漆装置无防护罩的主视图；

图6为本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法中一个激光测距仪的布置示意图。

其中，1.激光输出装置；2.激光测距仪；3.导光光纤；4.喷气管道；5.除烟管道；6.机械臂；7.防护罩；8.遮光板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其基于一激光除漆装置；所述激光除漆装置包括机械臂、及设置在所述机械臂一端的激光输出装置，所述激光输出装置上安装有一个激光测距仪。为保证精度及避免遮挡，同时激光测距仪获得的信息是激光面与待加工面的实际距离信息，激光测距仪安装在激光输出装置和待除漆面之间。

如图1所示，控制算法包括以下内容：

S1、确定机械臂的初始位置和工作范围，工作范围设置包括工序次数设置、机械臂向上移动距离设置和每道工序工作距离设置；

根据系统偏移量最小分辨率、机械臂动作情况、以及激光头与加工面需要保持的距离设置机械臂需要保持的高度参数、防抖动参数；

S2、根据S1步骤设置的工作范围参数设置激光信号的开启与关闭，进而实现自动激光出光进行自动除漆；

S3、根据机械臂搭载的激光测距仪量测信息、步骤S1设置的需保持高度参数以及防抖动参数，计算机械臂z轴方向的偏移量，通过将该偏移量设置为DPM 控制参数中的偏移通道参数，使得机械臂在运行DPM程序下自动进行偏移补偿，保证激光头与加工面在合适的焦距范围内。

其中，确定机械臂的初始位置和工作范围的步骤为：

通过示教器在工具坐标系下移动机械臂在加工面选取一个初始点A(x,y,z)，工具坐标系是在激光输出装置的中心建立的标准直角坐标系，激光输出装置中心为坐标系原点，以每道工序行进方向为x轴正方向，以机械臂上移方向为y轴正方向，z轴方向通过右手坐标系求出。

设置每道工序的工作距离d，以及完成每道工序后机械臂的上移距离m，第一道工序的起点为初始点A，终点为起点在x轴上的值加上工作距离所对应的点即B(x+d,y,z)；第二道工序的起点为初始点在y轴上的值加上每次机械臂每次上移的距离所对应的点即C(x,y+m,z)，终点为第一道工序的终点在y轴上的值加上每次机械臂每次上移的距离所对应的点D(x+d,y+m,z)；以此类推，第n道工序的起点为(x,y+(n-1)*m,z)，终点为(x+(n-1)*d,y+(n-1)*m,z)。

根据系统偏移量最小分辨率及机械臂动作情况进行激光头与加工面需要保持的距离设置机械臂需要保持的高度参数；如图3所示，设置需要保持的高度参数目的是为了让工作面在激光的合适焦距内，激光测距仪需要安置在与激光光束在工具坐标系下的同一x轴坐标下，激光光束出口与加工面处于合适的激光焦距为d₁，激光测距仪与激光光束出口在工作坐标系下z轴方向的距离为d₂，d₃＝d₁-d₂为机械臂需要保持的高度参数。

如果因为一点很小的反馈量就调整机械臂的运动，那么会导致机械臂的运动补偿过于频繁，表现到实际工作当中就是机械臂抖动比较明显。通过设置一个阈值，如果偏移量大于该阈值，则进行正常偏移量补偿控制；如果偏移量小于该阈值，则偏移量调整为0，不对机械臂进行偏移量补偿控制。阈值设置需依据其DPM 控制参数中的偏移通道参数z轴的偏移量最小分辨率，若最小分辨率过大，阈值可以设小一点；若最小分辨率过小，阈值可以设大一些；阈值设置原则是机械臂在实时调整时无明显抖动。

设置激光信号的开启与关闭；通过机械臂来控制激光开关信号的设置，主要是通过机械臂的I/O口与激光输出单元的控制信号相连；当机械臂在每道工序的初始点开始移动前，I/O口的状态为ON，对激光输出单元的控制信号为出光；当机械臂到达每道工序的终点后，I/O口的状态为OFF，对激光输出单元的控制信号为关光。

如图3所示，根据机械臂搭载的激光测距仪量测信息、设置的需保持高度参数以及防抖动参数，计算机械臂z轴方向的偏移量；激光测距仪测量到的高度信息为h₀,需要保持的高度参数为d₃，机械臂在z轴方向的偏移量为Δz＝d₃-h₀，防抖动参数为δh。其中，防抖动参数为δh是依据系统偏移量最小分辨率、激光测距仪测量精度、实际经验设置防抖动参数为激光测距仪测量精度的1-3倍，设置原则是机械臂z轴进行偏移等同于防抖动参数的距离时不抖动。

当Δz＞δh时通过将Δz设置为机械臂的系统偏移量，机械臂在移动过程中运行DPM软件会通过系统偏移量自动进行z轴方向的调节，实现定高控制；当Δz＜δh时不对机械臂进行偏移量补偿调节。

本发明一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法所涉及的激光除漆装置如图4-6所示，该装置包括机械臂6，其上具有控制器，机械臂6用于带动防护罩7、激光输出装置1运动，完成规定区域面的清洗。激光输出装置1，其端设置激光发射头，其另一端连接至机械臂6上。导光光纤3是激光光源的传输介质，连接到激光输出装置1上表面。激光装置1内部具有激光器、振镜、聚焦透镜、平面保护镜，激光器用于产生激光束，振镜用于让激光束传输到聚焦透镜，聚焦透镜用于激光聚焦，平面保护镜用于保护激光器、降低火花对激光器的损害。

如图5所示，还包括防护罩7，其为空心壳体，其间隔设置在所述激光输出装置1发射激光的一侧，所述防护罩7上、靠近激光输出装置1的侧面开有矩形激光通过孔，靠近待除漆工作面的侧面设为敞口；所述激光穿过孔和敞口连通形成激光通过的路径，激光会依次经过激光穿过孔和敞口，最后到达待除漆工作面。

如图6所示，一个激光测距仪2设置在防护罩7的外壁面、且靠近待除漆工作面的一端。激光测距仪2用于测量其到待除漆工作面的实际距离，并将其反馈至机械臂6的控制器中；控制器用于接收实际距离，将实际距离与其内预设的目标距离进行对比，以对机械臂的位置进行调整。根据激光测距仪量测到的数据计算出机械臂与待除漆工作面的实际高度，并通过计算其实际高度与预先设定需要保持的高度之间的差，反馈量通过PLC传递到用Karel语言编写的机械臂PC程序中，PC程序直接对高度进行补偿。

在一些实施例中，激光除漆装置还设置有喷气管道4，喷气管道4具有气体出口端，气体出口端位于激光输出装置1与防护罩7之间的间隔处；喷气管道4 用于向间隔处吹气除尘。加入喷气管道驱除激光出光工作时产生的火花，减少对平面保护镜、激光头的损害，实现绿色环保、稳定可靠的油漆清除。

在一些实施例中，激光除漆装置还设置有除烟管道5，除烟管道5连通设置在防护罩7的侧面上，除烟管道5用于抽取防护罩7内的烟。加入除烟管道吸收激光出光工作时产生得烟雾、粉尘。

在一些实施例中，激光除漆装置还设置有遮光板8，遮光板8为空心罩结构，罩设在激光输出装置1和防护罩7之上，用于对激光输出装置1发射激光的路径上方进行遮挡。防护罩7上侧平面围绕遮光板8，遮光板8为激光测距仪2遮光，减少光照对激光激光测距仪的影响。

通过设置激光测距仪采集实际位姿信息，并在与机械臂控制器中预设的位姿信息进行对比后，自动实现对激光输出装置的位置补偿，使得激光输出装置可以自动调节与待除漆工作面的距离，相比于其它除漆技术，适用加工范围广，能灵活调整激光焦距在合适的范围内，并保持加工装置与待除漆工作面平面平行，改善除漆效果；通过加入除烟管道吸收激光出光工作时产生得烟雾、粉尘；通过加入喷气管道驱除激光出光工作时产生的火花，减少对平面保护镜、激光头的损害，实现绿色环保、稳定可靠的油漆清除。

本发明的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法用于在激光除漆时控制机械臂移动，控制激光输出或关闭时刻，基于激光测距仪量测信息调整机械臂在z轴方向保持高度不变，经过反复实验调整防抖动参数，以解决有的激光清洗装置不能自动调节激光与待加工表面的距离、影响清洗效果的问题。

Claims (7)

1.一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制方法，其特征在于，其基于一激光除漆装置；所述激光除漆装置包括机械臂、及设置在所述机械臂一端的激光输出装置，所述激光输出装置上安装有一个激光测距仪，所述激光测距仪位于激光输出装置和待除漆面之间；

所述机械臂自动定高控制方法包括如下步骤：

S1、确定机械臂的初始位置和工作范围，所述工作范围包括除漆工序次数的设置、机械臂向上移动距离的设置和每道工序所涉及工作距离的设置；

设置机械臂的高度参数和防抖动参数；所述高度参数为激光测距仪与待除漆面之间的距离；

S2、根据步骤S1设置的工作范围，来设置激光信号的开启与关闭时间，激光信号开启时，通过所述激光输出装置的激光出光来进行自动除漆；

S3、在进行步骤S2的除漆过程中，所述机械臂的控制器根据激光测距仪的实时量测信息、高度参数以及防抖动参数，来计算机械臂距离待除漆面的偏移量，使得机械臂自动进行偏移补偿；其中，所述量测信息为激光测距仪距离待除漆面的实际距离。

2.如权利要求1所述的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其特征在于，所述激光除漆装置包括：

一机械臂(6)，其上具有控制器；

一激光输出装置(1)，其一端设置激光发射头，其另一端连接至机械臂(6)上；

一防护罩(7)，为空心壳体，其间隔设置在所述激光输出装置(1)发射激光的一侧，所述防护罩(7)上、靠近激光输出装置(1)的侧面开有激光通过孔，靠近待除漆工作面的侧面设为敞口；所述激光穿过孔和敞口连通形成激光通过的路径，用于使得激光依次经过激光穿过孔和敞口到达待除漆工作面；

一个激光测距仪(2)，设置在所述防护罩(7)的敞口端外壁面外侧；

所述激光测距仪(2)，用于测量其到待除漆工作面的实际距离，并将所述实际距离反馈至所述机械臂(6)的控制器中；所述控制器，用于接收所述实际距离，并将所述实际距离与其内预设的目标距离进行对比，并在实际距离与目标距离出现偏差时对机械臂的位置进行调整。

3.如权利要求1或2所述的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其特征在于，所述步骤S1中，确定机械臂的初始位置和工作范围的具体方法为：

通过示教器在工具坐标系下，移动机械臂在待除漆面选取一个初始点A(x,y,z)；工具坐标系是在激光输出装置的中心建立的标准直角坐标系，激光输出装置中心为坐标系原点，以每道工序行进方向为x轴正方向，以机械臂上移方向为y轴正方向，z轴方向通过右手坐标系求出；

设置每道工序的工作距离为d，以及完成每道工序后机械臂的上移距离为m，第一道工序的起点为初始点A，则终点为B(x+d,y,z)；第二道工序的起点为C(x,y+m,z)，终点为D(x+d,y+m,z)；以此类推，第n道工序的起点为[x,y+(n-1)*m,z]，终点为[x+(n-1)*d,y+(n-1)*m,z]。

4.如权利要求3所述的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其特征在于，所述步骤S1中，所述激光测距仪安置在与所述激光输出装置的激光光束所在工具坐标系下的同一x轴坐标下，所述激光光束出口与待除漆面之间的激光焦距为d₁，所述激光测距仪与所述激光输出装置的激光光束出口在工作坐标系下z轴方向的距离为d₂，则机械臂需要保持的高度参数为d₃＝d₁-d₂。

5.如权利要求4所述的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：设激光测距仪测的量测信息为h₀，则机械臂在z轴方向的偏移量为Δz＝d₃-h₀，设防抖动参数为δh；

当Δz＞δh时，通过将Δz设置为机械臂的系统偏移量，机械臂在移动过程中通过系统偏移量自动进行z轴方向的调节；

当Δz＜δh时，不对机械臂进行偏移量补偿调节。

6.如权利要求5所述的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其特征在于，还包括：

一喷气管道(4)，其具有气体出口端，所述气体出口端位于所述激光输出装置(1)与所述防护罩(7)之间的间隔处；用于向所述间隔处吹气除尘。

7.如权利要求6所述的一种用于激光除漆的机械臂自动定高控制算法，其特征在于，还包括：

一遮光板(8)，其为空心罩结构，罩设在所述激光输出装置(1)和防护罩(7)之上，用于对激光输出装置(1)发射激光的路径上方进行遮挡。

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