CN115770681A - 大曲面构件涂装的机器人喷涂系统及实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，包括一可延伸的轨道，轨道上设有可沿轨道移动的运动平台，运动平台上设有多自由度机器人，多自由度机器人与一密闭式喷涂罐相连，密闭式喷涂罐通过空压机向多自由度机器人输送涂料，轨道的一侧设有用以控制多自由度机器人工作的控制箱。实施时，采用多自由度机器人，依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离。可以完成对大曲面复杂结构表面的喷涂作业，调高喷涂质量和效率，降低对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及自动化喷涂设备的技术领域，具体地说是大曲面构件涂装的机器人喷涂系统及实施方法，尤其涉及一种用于风电、海洋工程和船舶大曲面构件涂装的多自由度机器人喷涂系统及实施方法。
背景技术
近些年，随着我国船舶行业的发展，产生了大量废气。废气中存在的VOCs给人体带来了严重的健康风险。船舶涂装是船舶建造过程中的一个重要环节，然而传统的船舶涂装作业污染大，涂装过程产生的易燃易爆的VOCs对施工人员的健康危害大。由于船舶涂装作业工种环境恶劣、人身健康危害大、技术要求高，使得未来该工种面临“招工难”的问题越来越突显，对智能涂装机器人的需求越来越突出，引入各类机器人进行涂装作业是未来发展的必然趋势。
由于风电海工、船舶及化工、航天待喷涂表面几何变化剧烈、空间跨度大，目前尚未研发成功适用于大曲面构件表面喷涂的机器人。而且，传统喷涂工艺污染物排放巨大，作业环境恶劣，人员安全隐患大，喷涂施工效率低、喷涂质量无法保证。
因此急需要一种面向大曲面的机器人绿色智能喷涂系统装备，不仅可以提高喷涂质量，缩短施工周期，还能减少污染排放，提升施工人员人身安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的大曲面构件涂装的机器人喷涂系统及实施方法，通过结构的改进，对于大曲面可以实现自动化高质量的喷涂，减少人工作业和污染排放。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，其特征在于：喷涂系统包括一可延伸的轨道，轨道上设有可沿轨道移动的运动平台，运动平台上设有多自由度机器人，多自由度机器人与一密闭式喷涂罐相连，密闭式喷涂罐通过空压机向多自由度机器人输送涂料，轨道的一侧设有用以控制多自由度机器人工作的控制箱。
优选的，多自由度机器人为6自由度防爆机器人，6自由度防爆机器人包括转动装置和移动装置，6自由度防爆机器人的末端机械臂，机械臂上设有喷枪。
进一步，多自由度机器人上设有位置传感器和速度传感器，位置传感器和速度传感器发出实时信号至控制箱，与控制箱内原先设定的多自由度机器人的运动轨迹进行比对，一旦发生偏差，控制箱发出指令至转动装置和移动装置，对喷枪位置、角度进行校正。
进一步，轨道的另一侧设有一组对应设置的前、后工作台，前、后工作台上架设有工件，轨道的长度大于前、后工作台之间的间距。
大曲面构件涂装的机器人喷涂系统的实施方法，其特征在于：实施方法包括如下步骤：a、根据需要进行喷涂的工件，构件大曲面工件的CAD模型，根据喷涂区域的不同分区，设计机器人的喷涂轨迹；b、通过控制箱操作多自由度机器人到达喷涂指定位置，通过设置在喷枪末端的位置传感器来校正喷枪的位置，通过线性定位方式保证喷枪工作方向正确；c、喷涂作业时，依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离，确保多自由度机器人按最优作业路径进行工作。
相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：
1、本发明所述的改进方案，喷涂系统包括一可延伸的轨道，轨道上设有可沿轨道移动的运动平台，运动平台上设有多自由度机器人，多自由度机器人与一密闭式喷涂罐相连，密闭式喷涂罐通过空压机向多自由度机器人输送涂料，轨道的一侧设有用以控制多自由度机器人工作的控制箱，移动平台上集成设计6自由度防爆工业机器人，大范围移动平台实现喷涂机器人系统在大范围平面内的移动，6自由度机器人可以适应各种曲面，弥补现有产品自由数量不足、所达范围有限的缺陷；
2、本发明的技术方案的中，采用多自由度机器人，依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离。提高装备对复杂结构表面的适应性，调高喷涂质量和效率；
3、本发明的技术方案中，构件三维模型导入与数据处理技术。建立模型导入接口，通过对不同CAD设计软件工艺模型和数据进行梳理，规范三维模型导入数据格式。针对多CAD模型数据的多样性，将多CAD环境生成的三维工艺模型信息进行中间文件转换的方式，将模型信息如几何信息、工艺信息等转化为机器人离线编程及仿真系统所能识别的标准格式数据。主要内容主要包括数据存储技术，多CAD模型数据格式转换技术与信息识别，工艺信息的转化与读取；
4、本发明的技术中，喷涂轨迹离线编程与优化。通过统一数据格式的三维CAD信息导入与识别，依靠编程仿真软件进喷涂轨迹离线规划，将离线规划轨迹进行仿真并结合现场人工示教调整，控制实现机器人运动控制、喷枪末端的位姿控制。依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离。通过智能控制系统研究，依靠离线自动编程的成套技术，实现机器人的喷枪末端运动轨迹优化，利用喷涂工艺参数知识库对机器人喷涂参数实现最佳匹配。
5、本发明的技术中，对于复杂结构工件，传统机器人离线编程轨迹一般无法满足直接生产的需求，且机器人在作业过程中会出现设备干涉、运动部件无法到达预定位置、生产节拍不符合要求等问题。因此，通过机器人底层程序接口开发，实现机器人三维坐标及伺服位置变量控制，控制系统上位机实时捕捉机器人末端轨迹坐标，建立上位机系统轨迹规划与机器人姿态轨迹动态交互。导入工件三维模型，在上位机中按照机器人实际的运动参数建立模型及布局，计算机器人末端三维坐标姿态并输出机器人多轴伺服变量。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
附图标记：
1可延伸轨道，2运动平台，3机器人，4控制箱，5前工件台，6工件，7后工件台，8密闭式喷涂罐，9空压机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，具体参见图1，其与现有技术的区别在于：喷涂系统包括一可延伸的轨道1，轨道上设有运动可沿轨道移动的运动平台2，运动平台2上设有多自由度机器人3，多自由度机器人与一密闭式喷涂罐8相连，密闭式喷涂罐通过空压机9向多自由度机器人输送涂料，轨道的一侧设有用以控制多自由度机器人工作的控制箱4。
实施时，采用多自由度机器人，依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离。提高装备对复杂结构表面的适应性，调高喷涂质量和效率。
实施例1
本发明的喷涂系统包括一可延伸的轨道1，轨道上设有运动可沿轨道移动的运动平台2，运动平台2上设有多自由度机器人3，多自由度机器人与一密闭式喷涂罐8相连，密闭式喷涂罐通过空压机9向多自由度机器人输送涂料，轨道的一侧设有用以控制多自由度机器人工作的控制箱4。
具体来说，多自由度机器人为6自由度防爆机器人，6自由度防爆机器人包括转动装置和移动装置，6自由度防爆机器人的末端机械臂，机械臂上设有喷枪。
进一步，多自由度机器人上设有位置传感器和速度传感器，位置传感器和速度传感器发出实时信号至控制箱，与控制箱内原先设定的多自由度机器人的运动轨迹进行比对，一旦发生偏差，控制箱发出指令至转动装置和移动装置，对喷枪位置、角度进行校正。
轨道的另一侧设有一组对应设置的前、后工作台5、7，前、后工作台上架设有工件6，轨道的长度大于前、后工作台之间的间距。
解决在喷涂施工恶劣条件下，运动部件的漆雾、环境感知传感器的污染问题，提高运动平台的运动可靠性。在此基础上，以作业可达性和系统稳定性等为指标，开展移动平台和6R工业机器人的参数优选、移动平台系统优化设计及系统安装布局优化研究。
实施例2
本实施例所述的大曲面构件涂装的机器人喷涂系统的实施方法，包括如下步骤：a、根据需要进行喷涂的工件，构件大曲面工件的CAD模型，根据喷涂区域的不同分区，设计机器人的喷涂轨迹；b、通过控制箱操作多自由度机器人到达喷涂指定位置，通过设置在喷枪末端的位置传感器来校正喷枪的位置，通过线性定位方式保证喷枪工作方向正确；c、喷涂作业时，依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离，确保多自由度机器人按最优作业路径进行工作。
本发明可以实现智能喷涂技术。为实现大曲面多自由度智能喷涂系统装备的智能喷涂，智能控制主要完成运动单元控制、工艺数据管理、机器人监测，实现喷涂区域划分与轨迹规划、机器人末端调整和距离控制等有机协调工作。应用人机交互界面、自动与手动控制、手动示教等功能模块，提高面向大曲面的多自由度智能喷涂系统装备的对复杂表面和环境适用性。
（1）构件三维模型导入与数据处理技术。建立模型导入接口，通过对不同CAD设计软件工艺模型和数据进行梳理，规范三维模型导入数据格式。针对多CAD模型数据的多样性，将多CAD环境生成的三维工艺模型信息进行中间文件转换的方式，将模型信息如几何信息、工艺信息等转化为机器人离线编程及仿真系统所能识别的标准格式数据。主要内容主要包括数据存储技术，多CAD模型数据格式转换技术与信息识别，工艺信息的转化与读取。
（2）喷涂轨迹离线编程与优化。通过统一数据格式的三维CAD信息导入与识别，依靠编程仿真软件进喷涂轨迹离线规划，将离线规划轨迹进行仿真并结合现场人工示教调整，控制实现机器人运动控制、喷枪末端的位姿控制。依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离。通过智能控制系统研究，依靠离线自动编程的成套技术，实现机器人的喷枪末端运动轨迹优化，利用喷涂工艺参数知识库对机器人喷涂参数实现最佳匹配。
（3）机器人底层核心控制开发与交互
对于复杂结构工件，传统机器人离线编程轨迹一般无法满足直接生产的需求，且机器人在作业过程中会出现设备干涉、运动部件无法到达预定位置、生产节拍不符合要求等问题。因此，通过机器人底层程序接口开发，实现机器人三维坐标及伺服位置变量控制，控制系统上位机实时捕捉机器人末端轨迹坐标，建立上位机系统轨迹规划与机器人姿态轨迹动态交互。导入工件三维模型，在上位机中按照机器人实际的运动参数建立模型及布局，计算机器人末端三维坐标姿态并输出机器人多轴伺服变量。
机器人末端测距、避障等传感器信息经上位机实时采集，并反馈给机器人控制系统，在现有轨迹的基础上实现机器人末端位姿的调整，从而保证机器人轨迹在整体作业中的仿真优化，确保机器人按最优的作业路径运行。
实施例3
对大曲面结构进行机器人智能喷涂时，不仅要求机器人能够对曲面进行自动全覆盖喷涂，而且还需要能够实现对大曲面自动分区自动进行轨迹规划，完美实现喷涂区域搭建。在保证喷涂质量的同时，避免漏喷、重复喷涂问题。
解决途径：
本项目提出了一种基于大曲面连续分区的自动喷涂轨迹规划技术。通过专业仿真软件进行仿真，对大曲面构件的喷涂区域进行分区，保证喷涂过程连续且能完美衔接与表面覆盖。
（1）基于大曲面构件的三维CAD模型，根据喷涂区域的分区设计利用仿真软件形成机器人的喷涂轨迹。在空间上对路径进行分类，每类路径上的机器人末端姿态是一个相对比较固定的值，通过在仿真软件上建立与实际一样的用户坐标系，通过模拟可以得到所有路径上的机器人末端姿态值。
（2）在喷涂机器人到达指定站位时，控制机器人将其末端移动到指定喷涂区域的标志点，根据喷枪末端装备的传感系统测量信息，通过线性定位方式保证喷枪方向与工件法矢重合；通过控制系统实时反馈机器人各关节参数，根据机器人正运动学算法，得到各个标志点空间位姿。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，其特征在于：喷涂系统包括一可延伸的轨道，轨道上设有可沿轨道移动的运动平台，运动平台上设有多自由度机器人，多自由度机器人与一密闭式喷涂罐相连，密闭式喷涂罐通过空压机向多自由度机器人输送涂料，轨道的一侧设有用以控制多自由度机器人工作的控制箱。
2.根据权利要求1所述的大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，其特征在于：多自由度机器人为6自由度防爆机器人，6自由度防爆机器人包括转动装置和移动装置，6自由度防爆机器人的末端机械臂，机械臂上设有喷枪。
3.根据权利要求1所述的大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，其特征在于：多自由度机器人上设有位置传感器和速度传感器，位置传感器和速度传感器发出实时信号至控制箱，与控制箱内原先设定的多自由度机器人的运动轨迹进行比对，一旦发生偏差，控制箱发出指令至转动装置和移动装置，对喷枪位置、角度进行校正。
4.根据权利要求1所述的大曲面构件涂装的机器人喷涂系统，其特征在于：轨道的另一侧设有一组对应设置的前、后工作台，前、后工作台上架设有工件，轨道的长度大于前、后工作台之间的间距。
5.根据权利要求1所述的大曲面构件涂装的机器人喷涂系统的实施方法，其特征在于：实施方法包括如下步骤：a、根据需要进行喷涂的工件，构件大曲面工件的CAD模型，根据喷涂区域的不同分区，设计机器人的喷涂轨迹；b、通过控制箱操作多自由度机器人到达喷涂指定位置，通过设置在喷枪末端的位置传感器来校正喷枪的位置，通过线性定位方式保证喷枪工作方向正确；c、喷涂作业时，依靠传感器的感知和对规划路径的偏差对比，实时控制喷枪方向、角度和距离，确保多自由度机器人按最优作业路径进行工作。
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Cited By (1)
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