一种机器人喷涂系统及其控制方法与流程

本发明涉及机器人自动喷涂领域，具体涉及一种集成视觉引导技术的、可以完成复杂曲线或曲面喷涂任务的机器人智能离线喷涂系统。并可扩展用到机器人焊接、装配、搬运、故障检测等领域。

背景技术：

喷涂是机器人在工业中的最大应用领域之一，被国内外广泛应用于汽车、电器及家具等产品的涂装生产线。

对于大型企业来说，由于其实力雄厚、产品生产周期长、利润丰厚，这些大型企业可以承受较高的前期投入成本，如设计专门的工装夹具、雇佣大量有技术经验的员工，也可以承受前期费时费力的产线建设期。但是对于大量的中小型企业来说，其往往无法承担如此大的前期投入成本。而且随着各种新技术的日新月异和消费者对产品个性化需求越来越旺盛，诸如3c等各类消费品更新换代的速度越来越快。企业生产的产品往往是产量小、种类多、更新快，要求企业以更快的速度进行产品的切换。对于企业来说，是无法承受为每一种产品配套建设专门的工装夹具，也无法耗费大量的财力用于复杂的新的机器人程序示教工作中去。

现有的喷涂系统可主要包括以下几种：

(1)人工喷涂。即操作人员握持喷枪对工件进行喷涂。

(2)机器人示教喷涂。即操作人员通过示教器，手动控制机器人的使机器人运动到预定的位置，同时将该位置进行记录，之后的机器人可根据指令自动重复该喷涂任务。

(3)专业自动喷漆设备喷涂。往往带有直角运动坐标和工装平台，工件安装在工装平台上，通过可编程的控制器进行编程，实现喷涂。

现有的喷涂系统，存在着以下缺点：

(1)人工喷涂效率低下、劳动强度大、施工质量无法保证，且对施工人员来说，长时间在喷涂环境下工作影响健康；

(2)机器人程序示教过程复杂，耗时较长，对操作人员技能有较高要求，而且对于不同工件或者不同位置都需要重新示教；

(3)机器人示教和自动喷涂设备都需要针对不同工件配备专门的定位工装夹具，增加了生产成本，当进行产品更新时需要重新设计工装。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够自动进行喷头，并能针对复杂曲面，实现自动轨迹规划，且能针对无小批量、多批次、无模型的喷涂工件，实现自动识别的机器人喷涂系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种机器人喷涂系统，系统设有用于运输待喷涂工件的链式输送线，所述链式输送线运输工件依次经过视觉扫描区域和喷涂区域，所述视觉扫描区域设有对工件进行三维扫描的视觉传感器，所述喷涂区域设有工业机器人，所述工业机器人的端部固定有喷枪，所述喷枪连接喷涂设备，系统设有上位机，所述视觉传感器输出信号至上位机，所述上位机输出喷涂轨迹信号至机器人控制器，所述机器人控制器驱动工业机器人执行喷涂轨迹，所述上位机输出控制信号至plc控制器，所述plc控制器驱动链式输送线和喷涂设备工作。

所述上位机包括离线规划单元和视觉算法单元，所述视觉算法单元接收视觉传感器采集的工件点云，并将处理后的工件模型和坐标信息通过以太网传递给离线规划单元，所述离线规划单元根据工件模型和坐标信息规划工业机器人的喷涂轨迹，并通过以太网输送至到机器人控制器。

所述离线规划单元包括：

造型处理模块：将工件点云的曲面部分处理后，与数据库管理模块中的曲面匹配，获取数据库中匹配成功后相应曲面的工业机器人轨迹规划信息；

参数设置模块：根据工件点云获取喷涂工艺参数；

轨迹规划模块：生成能产生最佳喷涂效果的工业机器人轨迹；

运动控制模块：将生产的工业机器人轨迹转换成机器人各关节的运动轨迹；

分析仿真模块：根据喷涂工艺参数、机器人各关节的运动轨迹进行仿真，获得最佳喷涂工艺参数和机器人各关节的运动轨迹；

程序生成模块：将获得最佳喷涂工艺参数和机器人各关节的运动轨迹转换成用于输出的指令信号；

视觉通讯模块：获取视觉系统的发送的工件位姿和型号信息，用于与数据库模型匹配。

数据库管理模块：保存工件模型信息、喷涂轨迹程序和用户建立的参数模板。

所述视觉算法单元包括：

图像采集模块：采集工件三维点云信息；

图像处理模块：识别工件类型和位姿；

标定及坐标转换模块：标定机器人坐标系和相机坐标系的相互关系，将工件位置变换到机器人坐标系下；

通信模块：与离线规划单元实现信息交互。

基于所述机器人喷涂系统的控制方法：

步骤1、链式输送线挂载工件运动到视觉扫描区域；

步骤2、视觉传感器对工件进行三维扫描，并将工件点云信息传递至上位机；

步骤3、上位机将获取的工件点云信息进行模型匹配和坐标变换；

步骤4、上位机将处理获得的模型和坐标生成喷涂面机器人轨迹；

步骤5、上位机将喷涂面机器人轨迹导入到机器人控制器；

步骤6、机器人控制器控制机器人沿着喷涂轨迹进行运动。

所述步骤5同时将协同工作的控制信号输送至plc控制器，所述plc控制器驱动喷涂设备和链式输送线工作。

所述步骤3由上位机的视觉算法单元执行，所述步骤4由上位机的离线规划单元执行。

本发明的优点在于能够实现复杂曲面的喷涂轨迹自动规划，提高喷涂精度，利用离线编程技术，最大限度减少机器人示教工作量，能够快速实现生产力，系统集成视觉扫描技术，可以在工件型号和位姿不确定的情况下进行模型匹配和坐标变换，提高系统灵活性，实现生成过程离线化和自动化，减少人工成本和涂料带来的身体损害。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是机器人喷涂系统框架图；

图2是机器人喷涂系统构成图；

图3是机器人喷涂系统中喷涂设备连接图；

图4是机器人喷涂系统控制方法流程图；

图5是机器人喷涂系统离线规划单元的模块构成图；

图6是机器人喷涂系统视觉算法单元的模块构成图；

上述图中的标记均为1、喷涂房：2、链式输送线；3、工件；4、视觉传感器；5、机器人控制器；6、喷枪；7、工业机器人；8、上位机。

具体实施方式

机器人喷涂系统设置在喷涂房1内，如图1、2所示，系统设有用于运输待喷涂工件3的链式输送线2,链式输送线2作为系统的工件3输送载体，采用吊挂方式，携带喷涂工件3进入喷涂区域，经过视觉扫描和机器人喷涂后，携带工件3离开喷涂区域，完成喷涂过程。

视觉扫描区域设有对工件3进行三维扫描的视觉传感器4，视觉传感器4通过线结构光对工件3进行扫描，获得工件3点云，将特征点信息通过以太网传递给上位机8。

喷涂区域设有工业机器人7，工业机器人7作为系统的执行机构，其末端安装有喷枪6，在控制器的控制下，按照规划的轨迹精确运动到指定位姿，工业机器人7的端部固定有喷枪6，喷枪6连接喷涂设备，如图3所示，喷涂设备包含涂料桶、空压机、调节阀、涂料等组件。利用压缩空气的气流，流过喷枪6喷嘴孔形成负压，负压使漆料从吸管吸入，经喷嘴喷出，形成漆雾，漆雾喷射到被涂饰零部件表面上形成均匀的漆膜。

链式输送线2和喷涂设备由plc控制器驱动工作，plc控制器作为系统分布式控制单元，集中控制系统各类i/o和安全信号。plc通过以太网与上位机8进行通讯，通过现场总线控制各类开关、光电传感器等。

上位机8输出喷涂轨迹信号至机器人控制器5，机器人控制器5作为机器人控制单元，实现对机器人本体的控制，控制器接收上位机8规划后的喷涂轨迹信息，控制机器人运动到相应的位姿。

上位机8包括离线规划单元和视觉算法单元，其中视觉算法单元接收视觉传感器4采集的工件3点云，并将处理后的工件3模型和坐标信息通过以太网传递给离线规划单元，离线规划单元根据工件3模型和坐标信息规划工业机器人7的喷涂轨迹，并通过以太网输送至到机器人控制器5。

离线规划单元为系统核心，接收视觉系统扫描获取的工件3模型，对模型进行处理，离线生成机器人喷涂轨迹，并可以对运动过程进行仿真，将规划的工业机器人7喷涂轨迹通过以太网导入到机器人控制器5中，实现机器人离线编程。

视觉算法单元根据视觉传感器4获得的工件3点云信息，对工件3进行去噪等处理，提取有效信息，实现工件3模型识别和匹配，并进行坐标变换，将模型和坐标信息通过以太网传递给离线规划单元。

如图5所示，离线控制单元包含以下模块：

(1)造型处理模块，对于复杂曲面，使用特殊方法对曲面进行处理。经过处理后，系统数据库中就存放了物体的数据，为视觉匹配和轨迹规划轨迹提供了工件3数据信息。

(2)参数设置模块，提供接口供用户输入喷涂工艺参数。如喷涂速度、喷枪6高度、外部偏置、转弯半径、行程间距等。对于这些参数，如果用户不设置，可以根据标准的模型自动计算最优值。

(3)轨迹规划模块，该模块根据其他模块所传来的数据与喷涂过程中各种参数，针对不同外形的工件3采用不同的方法建立喷涂过程中涂料的空间分布模型并确定喷涂作业的优化目标，然后采用适当的算法求解目标函数的极值，并自动生成能产生最佳喷涂效果的喷涂机器人轨迹。该模块集成了可达性分析、碰撞检测、运动规划、轨迹规划等算法，是整个单元的核心部分。

(4)运动控制模块，本模块的主要功能是根据机器人逆运动学原理，将上一模块所生成的末端执行器运动轨迹转换成机器人各关节的运动轨迹，从而为分析仿真模块提供机器人的运动数据。

(5)分析仿真模块，本模块是根据前面各模块所传来的工件3数据、各种参数、机器人的运动轨迹，图形化显示机器人沿某一轨迹喷涂时工件3表面的涂覆情况，并以列表形式给出工件3表面上涂层的平均厚度及其偏差数据，也可以用等高线配以不同色彩的方式在计算机屏幕上显示出涂料的空间分布效果图。在此过程中用户可以检查机器人各关节的运动是否满足其约束条件，是否发生机械手碰撞工件3的情况，以便反复修改喷涂参数、轨迹，最终得到最佳的喷涂效果，从而可以将机器人的运动轨迹写入轨迹数据库，提交机器人程序生成模块。

(6)程序生成模块，完成将机器人的运动轨迹(由机器人运动轨迹生成模块提供)转变成其能识别的程序语言。

(7)视觉通讯模块，获取视觉系统的发送的工件3位姿和型号信息，用于与数据库模型匹配。也可以由视觉系统扫描得到的工件3重构模型进行轨迹规划。

(8)数据库管理模块，保存工件3模型信息、喷涂轨迹程序和用户建立的参数模板。用于与视觉系统的信息匹配，提高程序重复调用性。

如图6所示，视觉算法单元包含以下模块：

(1)图像采集模块，采集工件3三维点云信息。

(2)图像处理模块，识别工件3类型和位姿。

(3)标定及坐标转换模块，标定机器人坐标系和相机坐标系的相互关系，将工件3位置变换到机器人坐标系下。

(4)通信模块，与离线规划单元实现信息交互。

基于上述硬件系统，如图4所示，实现机器人喷涂步骤如下：

步骤1：链式输送线2挂载工件3运动到视觉扫描区域；

步骤2：视觉传感器4对工件3进行三维扫描，并将工件3点云信息传递给安装在上位机8上的视觉算法单元；

步骤3：视觉算法单元对工件3进行模型匹配和坐标变换，将模型和坐标传递给安装在上位机8的离线规划单元；

步骤4：离线规划单元集成网格化、求解包围盒、切片等算法，生成喷涂面机器人轨迹；

步骤5：离线规划单元将喷涂轨迹导入到机器人控制器5；

步骤6：机器人控制器5控制机器人沿着喷涂轨迹进行运动，同时，喷涂设备(如喷枪6)协同配合实现工件3喷涂过程。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。