王傳存

上海振華港機重工有限公司

1 引言

隨著“工業(yè)4.0”概念的提出,使用機器人對港口大型裝備進行自動化噴涂成為必然趨勢[1]。目前,噴涂機器人采用的編程方式主要有在線示教編程和離線編程[2]。這2種編程模式在自動噴涂的應(yīng)用中存在著工作柔性差、編程工作量大等諸多局限性,不能適應(yīng)自動化噴涂。

港機大車行走機構(gòu)主要由大中小平衡梁、臺車架及輪軸組件組成。如岸邊集裝箱起重機大車行走機構(gòu)運行時的行走誤差為毫米級,各項生產(chǎn)工藝技術(shù)尤為重要。港機工作在碼頭沿海區(qū)域,空氣濕度大,含鹽成份高,容易造成產(chǎn)品的腐蝕[3],因此產(chǎn)品的噴涂工藝十分重要,需要采用重型防腐油漆進行噴涂,要求總漆膜厚度要達到320 μm。

以大車行走機構(gòu)平衡梁為目標(biāo)進行機器人自動化噴涂的研究,并設(shè)計一整套的噴涂系統(tǒng),包括自動掃描、自動建模和編程以及自動噴涂作業(yè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足大車行走機構(gòu)的自動化噴涂,其系統(tǒng)的基本操作流程為:

(1)工件在掃描建模室經(jīng)過機器人激光掃描后,通過無線網(wǎng)絡(luò)將掃描數(shù)據(jù)輸送到軟件。

(2)軟件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進行自動化建模,生成點云模型。

(3)根據(jù)生成的模型,開始計算工件的位置以及空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)點,自動進行軌跡規(guī)劃,生成噴涂機器人程序文件。

(4)根據(jù)生成的程序文件,控制噴涂機器人自主完成噴涂作業(yè)。

圖1是機器人自動化噴涂系統(tǒng)流程圖。整個噴涂系統(tǒng)主要分為2個工作室,分別是掃描工作室和噴涂工作室。數(shù)據(jù)的收集、模型的建立,軌跡規(guī)劃以及程序的生成主要在掃描工作室完成,噴涂工作室主要負責(zé)噴涂的現(xiàn)場工作。

圖1 機器人自動化噴涂系統(tǒng)流程圖

3 自動掃描

3.1 掃描設(shè)備

行走機構(gòu)的大平衡梁結(jié)構(gòu)包含上翼板、下翼板、兩側(cè)腹板、兩端封板,以及畸形附屬件,需選擇能夠識別出板件外部形狀的掃描設(shè)備。本研究采用的是一種自動化光學(xué)三坐標(biāo)掃描儀,它的掃描質(zhì)量和分辨率較高,而且視角大,掃描速度較快,能夠有效解決掃描問題,并保證理想的測量精度和速度,用途廣泛且操作簡單。

3.2 數(shù)據(jù)的獲取

通過用空中積放鏈將工件由外部輸送到掃描建模室,停止在掃描建模室工件掃描的起始點,2臺機器人激光掃描儀將會同時開始掃描,掃描的工作環(huán)境需要提前預(yù)設(shè)在機器人激光掃描儀里。掃描所得的產(chǎn)品外表面的形狀和尺寸將會通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給雙攝像頭傳感器,進而把這些數(shù)據(jù)傳遞給軟件系統(tǒng)進行三維點云模型的處理。在相應(yīng)的操作終端上可以通過具體的操作指令來查看、訪問和下載數(shù)據(jù)文件。

4 自動建模與編程

開發(fā)人機互動界面,在軟件中設(shè)計建模的數(shù)據(jù)庫,并編寫模型的關(guān)鍵參數(shù)函數(shù)。根據(jù)掃描獲得的數(shù)據(jù),將在軟件中自動生成三維點云模型。同時,在生成點云模型圖時,軟件可對獲得的數(shù)據(jù)自動進行簡單的去噪,去除部分離群的散點,使生成的點云圖像更加平滑;也可以手動進行噪點的去除,從而使模型達到更加精細的程度。系統(tǒng)自動生成的點云模型見圖2。

圖2 三維點云模型圖

軟件程序內(nèi)部的編程文件會自動計算出各個面的噴涂軌跡,然后整合到生成的點云模型上(見圖3)。也可以根據(jù)導(dǎo)入的模型,幫助測試生成所需的噴涂路徑,進行更好的路徑規(guī)劃。

圖3 自動生成的軌跡圖

根據(jù)噴涂的經(jīng)驗,進行相關(guān)參數(shù)的微調(diào),獲得更加良好的噴涂效果,具體參數(shù)設(shè)置見表1。最后自動生成機器人能夠識別的程序文件,傳輸給機器人完成自動化噴涂作業(yè)。

表1 噴涂設(shè)置具體參數(shù)值

5 自動噴涂

噴涂機器人采用經(jīng)濟型的噴涂機器人,采用的正交式球形手腕結(jié)構(gòu),負載大、剛性大、工作范圍大。機器人內(nèi)部含有噴涂軟件包,內(nèi)置外圍設(shè)備I/O點,易于集成,編程簡單。

將自動生成的程序指令傳遞給噴涂機器人,可控制2臺機器人進行協(xié)調(diào)工作。對于行走機構(gòu)這種對稱型的表面,2臺噴涂機器人較容易進行協(xié)調(diào)運作。對于非對稱性結(jié)構(gòu),在自動化噴涂過程中,2臺噴涂機器人的協(xié)調(diào)工作將不會那么明顯,更加偏于獨立工作。

在噴涂過程中,為防止A、B 2臺機器人作業(yè)過程中相互影響,將工件按長度方向分為2個區(qū)域,每個區(qū)域分成約12 000 mm左右的噴涂寬度,實現(xiàn)機器人的錯位噴涂。

懸掛的工件按照預(yù)設(shè)的程序,步進式前進,當(dāng)工件到達預(yù)設(shè)位置后,A機器人從前到后進行噴涂,B機器人從后到前進行噴涂。2個區(qū)域噴涂結(jié)束后,工件繼續(xù)向前移動一定的距離,機器人將繼續(xù)在新的噴涂區(qū)域進行噴涂工作,最終多個區(qū)域與軌跡的拼接將會和原先規(guī)劃的點云模型和軌跡重合。

在噴涂過程中,可以查看機器人的坐標(biāo)信息,也可以通過手動操作的模式,使得機器人獲得更高的精度和噴涂效果。機器人的操作界面見圖4。

圖4 機器人操作界面

6 結(jié)語

針對港機大車行走機構(gòu)的機器人自動化噴涂系統(tǒng)進行了初步的研究試驗。該系統(tǒng)設(shè)計能夠基本滿足噴涂工作的正常要求,并且各方面的噴涂效果良好,可為未來更加智能化的噴涂系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依據(jù)。