基于点云的自动喷涂装置及方法与流程

本发明涉及智能喷涂技术领域，具体涉及一种基于点云的自动喷涂装置及方法。

背景技术：

随着产业升级，对钢结构构件的需求逐渐增大。传统的在线示教或离线编程等方式的自动喷涂机器人存在柔性作业差、成本较高、效率低、编程工作量大、操作复杂繁琐、对工件相对定位精度要求较高等诸多缺点，此外对工作人员具有较高的专业要求。不同型号、不同系列、不同尺寸的工件都需要定制一套喷涂工艺程序，操作及其繁琐，无法适应流水线式的多种类钢构件的混合喷涂或单种类钢构件的并行喷涂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种提高作业效率，节省生产成本，提高喷涂厚度的均匀性的基于点云的自动喷涂装置及方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：基于点云的自动喷涂装置，包括流水线输送带，流水线输送带上设置有自动扫描装置、位置传感器及喷涂机构，所述自动扫描装置连接有嵌入式计算单元，位置传感器连接嵌入式计算单元及喷涂机构；

所述流水线输送带用于输送待喷涂构件，流水线输送带连接所述嵌入式计算单元；流水线输送带采用链条传动的筋板形式，筋板高50mm，筋板宽度2mm，筋板间距500mm，目的是尽可能减少输送带与待喷涂构件底部的接触面积，减少喷涂盲区。流水线输送带以0.01m/s-0.05m/s的速度并排输送多个待喷涂的待喷涂构件，每一排待喷涂构件为一组，每组间待喷涂构件的纵向间距保持在0.1m左右，每组各待喷涂构件之间的横向间距根据待喷涂构件高度、自动扫描装置的位置等相应设置，使得自动扫描装置的三维扫描盲区尽可能少为宜。

所述自动扫描装置用于采集流水线输送带上待喷涂构件的外形轮廓数据，并将数据传送至嵌入式计算单元，为后续喷涂工艺计算准备数据，自动扫描装置的数量根据其视场角和待扫描范围设置，自动扫描装置可以采用定时扫描或位置触发扫描两种方式，把采集的流水线输送带上每一组待喷涂构件的外形轮廓数据传输给嵌入式计算单元；

所述位置传感器用于采集流水线输送带上待喷涂构建的位置及速度信息，并将信息发送至嵌入式计算单元，用于辅助3d建模和喷涂机构的纵向定位，位置传感器可采用超过1000线的编码器，对流水线输送带上待喷涂构件的纵向位置和速度数据进行高频采集，通过ttl/htl通信接口传输给嵌入式计算单元和喷涂机械臂，用于辅助3d建模和喷涂机械臂的纵向位置计算；

所述嵌入式计算单元用于接收自动扫描装置及位置传感器采集的数据，进行3d模型的计算，如数据滤波、数据平滑、3d建模、喷涂对象识别、喷涂路径规划、喷涂时序指令等，并向喷涂机构发送有关喷涂指令；

还包括云计算单元，所述云计算单元用于刻画记录喷涂机构喷涂过程中的数据画像。通过云计算单元记录操作人员信息、设备开关机时间、设备运行时间、设备运行状态、生产资源消耗、生产任务统计及待喷涂构件信息等。云计算单元既可以部署在本地也可以部署在云端，刻画记录喷涂机构每次喷涂任务全过程的数据画像，例如操作人员信息、设备开关机时间、设备运行时间、设备运行状态、生产资源消耗、生产任务统计、构件详细信息等。所述喷涂机构适用于h型构件、槽型构件、平板型构件、方型构件、圆型构件、简单特殊型材，如具有端面、墩板、筋板、腹板、安装腿等。

所述喷涂机构包括连接喷涂机械臂的喷涂装置，所述喷涂机械臂及喷涂装置均连接所述嵌入式计算单元；

所述喷涂机械臂设置有与流水线输送带垂直方向及流水线输送带宽度方向运动的两个自由度。喷涂机械臂接收嵌入式计算单元的喷涂指令，完成对待喷涂构件的喷涂作业。本实施例设置喷涂装置为喷枪。喷涂机械臂设置的两个自由度配合流水线输送带运动自由度，形成空间3自由度的运动形式。本实施例设置6把喷枪，其中2把喷枪主要用于喷涂待喷涂构件的纵向端面，2把喷枪用于喷涂待喷涂构件横向左侧面及顶面，2把喷枪喷涂待喷涂构件的横向右侧面及顶面。

所述自动扫描装置包括2d激光雷达，其扫描频率在20hz以上、3d激光雷达，其扫描频率在10hz以上及3d相机，其帧率在5hz以上。

所述嵌入式计算单元包括传感器数据获取模块、喷涂对象识别提取模块、喷涂工艺分析模块、喷涂策略规划模块、喷涂作业解析模块、动作执行模块、数据库模块、全局定位模块、监控服务模块、数据画像模块。

所述传感器模块用于获取模块通过udp协议获得自动扫描装置对待喷涂构件的轮廓扫描数据和位置传感器对待喷涂构件位置、速度的测量数据，通过空间变换后，把多个自动扫描装置的每帧测量数据从各自的位置传感器坐标系统一到喷涂坐标系，形成一帧完整的轮廓数据，利用位置传感器的数据在纵向上拼接每一帧扫描的轮廓数据，形成待喷涂构件完整的三维模型。

所述喷涂对象识别提取模块用于根据传感器数据获取模块生成的构建轮廓数据，对数据进行滤波、降采样、平滑、剔除外点等处理，排出因环境、设备噪声等对数据的干扰，增加扫描数据的稳定性和一致性。然后对轮廓数据进行分割计算待喷涂构件的数量和几何特征信息。

喷涂工艺分析模块根据现有喷涂工艺参数提取待喷涂构件的所有待喷涂面并进行参数化表示，根据各喷涂面的参数方程离散化出每个喷涂周期的喷涂路径；

喷涂策略规划模块结合相关的喷涂工艺参数拟合各喷涂面内的喷涂路径和各喷涂待喷涂构件间的行走路径，形成具有时间和速度特性的喷涂轨迹，覆盖每组待喷涂构件的待喷涂区域；

喷涂作业解析模块把喷涂轨迹转换为按时间序列定义的喷涂设备相关控制指令，如流水线输送带控制指令、喷涂机械臂控制指令、喷枪控制指令、喷漆压力控制指令、喷漆种类控制指令等；

动作执行模块按时间序列执行相关控制指令，控制流水线输送带、喷涂机械臂和喷枪按时间序列到达某一坐标位置完成喷涂作业，控制喷漆压力按时间序列变换漆压等。

所述数据库模块预先存有若干喷涂待喷涂构件的3d点云模型模板、喷涂工艺参数，如漆膜厚度、喷涂速度、流水线速度、喷涂轨迹纵向间隔、喷漆压力、喷枪类型等、点云算法超参数，如模版匹配阈值、迭代次数、搜索半径、单元格数量、外点阈值、采样数量等、员工账户权限、员工操作记录、系统运行信息，如设备开关机时间，设备运行时间、设备运行状态，生产资源消耗，生产任务统计等；

全局定位模块为待喷涂构件3d模型的重建提供纵向位置服务，起到对齐3d模型坐标系和喷涂机械臂坐标系的作用，使数据在不同的操作空间态具有一致性；

监控服务模块始终监控设备各部件和软件算法的中间处理状态信息；如各传感器异常信息、喷涂机械臂异常信息、流水线输送带异常信息、误操作信息、算法处理异常信息等。当出现异常信息时，会向操作人员进行警告通知。

数据画像模块会以ui的形式动态展示各数据。如待喷涂构件3d点云模型重建、点云平面实体化、喷涂轨迹离散化、喷涂轨迹标注、喷涂动作关键点标注、喷涂面积、预计油漆用量、设备运行信息等。

一种基于点云的自动喷涂方法，包括以下步骤：

信息录入：将若干待喷涂构件的3d点云模型模版、喷涂工艺参数、点云算法超参数等信息录入数据库模块；

构件输送：将同类型的待喷涂构件按一定间距并排放置在流水线输送带上，控制流水线输送带按照设定速率进行输送；

数据采集：自动扫描装置扫描获取流水线输送带上经过的待喷涂构件的轮廓数据，位置传感器采集待喷涂构件所在位置及行进速度数据，自动扫描装置及位置传感器采集的数据信息均发送至嵌入式计算单元；

数据处理及构件喷涂：嵌入式计算单元接收自动扫描装置及位置传感器采集的数据信息，进行3d建模、喷涂对象识别、喷涂工艺分析、喷涂路径规划、喷涂时序指定生成，向喷涂机械臂及喷涂装置发送喷涂时序指定，进行喷涂作业。

所述数据处理及构件喷涂包括以下子步骤：

s1：传感器数据获取模块获取自动扫描装置及位置传感器采集的数据信息，通过空间变换后，把多个自动扫描装置的每帧测量数据从各自的传感器坐标系统一到喷涂坐标系，形成一帧完整的轮廓数据，利用一帧轮廓数据特征的改变判断待喷涂构件的有无，当检测到待喷涂构件时，利用全局定位模块的位置服务在纵向上拼接每一帧扫描的轮廓数据，起到对齐3d模型坐标系和喷涂机械臂坐标系的作用，使构件完整的三维模型在不同的操作空间态具有一致性，生成待喷涂构件的三维模型；

s2：此时生成的三维模型仍存在许多因环境、设备噪声等因素产生的噪点。喷涂对象识别提取模块首先分离出单个出待喷涂构件的轮廓数据，再对数据进行滤波、降采样、平滑、剔除外点等处理，以增加扫描数据的稳定性和一致性。对原有整体轮廓数据进行分割后计算待喷涂构件的数量和几何特征信息；

s3：喷涂工艺分析模块拿到若干待喷涂构件的轮廓数据后，检索匹配数据库模块中3d点云模型模版，匹配成功后提取其对应的工艺参数，根据喷涂工艺参数提取喷涂工件的所有待喷涂面并进行参数化表示，利用对应的喷涂工艺算法，根据各喷涂面的参数方程离散化出每个喷涂周期的喷涂路径；

s4：喷涂策略规划模块结合相关喷涂工艺参数拟合各喷涂面内的喷涂路径和各喷涂构件间的行走路径，形成具有时间和速度特性的喷涂轨迹，覆盖每组构件的待喷涂区域；

s5：喷涂作业解析模块把喷涂轨迹转换为按时间序列定义的相关控制指令，如流水线输送带控制指令、喷涂机械臂控制指令、喷枪控制指令、喷漆压力控制指令、喷漆种类控制指令等，把基于空间位置的高级轨迹数据转换为基于时间序列的低级控制指令；

s6：流水线输送带将已扫描过的若干待喷涂构件输送到喷涂机械臂作业区内并对齐坐标系，动作执行模块按照基于时间序列的低级控制指令，控制流水线输送带、喷涂机械臂和喷涂装置按时间序列到达某一坐标位置完成喷涂作业，控制喷漆压力按时间序列变换漆压等。

s7：监控服务模块监控喷涂过程中的有关喷涂信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)实现工业环境下对流水线式的钢构件柔性自动喷涂作业。

(2)可并行喷涂多个同种类的构件，具有较高的喷涂覆盖率、喷涂准确性、喷涂效率。

(3)对构件在流水线输送带上的摆放位置要求不高，只要保证每组内构件的横向间距不要过于太近即可。

(4)简化操作，对操作人员专业素质要求不高，从而提高作业效率，节省生产成本，提高喷涂厚度的均匀性。

附图说明

图1是本发明嵌入式计算单元框图。

图2是本发明结构示意图。

图3是本发明自动扫描装置安装示意图一。

图4是本发明自动扫描装置安装示意图二。

图5是本发明喷涂机械臂左侧运动时喷涂示意图。

图6是本发明喷涂机械臂右侧运动时喷涂示意图。

图7是本发明喷涂机械臂前端喷涂示意图。

图8是本发明喷涂机械臂后端喷涂示意图。

图9是h型构件3d点云模型示意图。

图中：1、流水线输送带；2、自动扫描装置；3、待喷涂构件；4、喷涂机械臂；5、位置传感器；6、嵌入式计算单元；7、云计算单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例

如图1至图9所示，包括流水线输送带1，流水线输送带1上设置有自动扫描装置2、位置传感器5及喷涂机构，自动扫描装置2连接有嵌入式计算单元6，位置传感器5连接嵌入式计算单元6及喷涂机构；

流水线输送带1用于输送待喷涂构件3，流水线输送带1连接嵌入式计算单元6；流水线输送带1采用链条传动的筋板形式，筋板高50mm，筋板宽度2mm，筋板间距500mm，目的是尽可能减少输送带与待喷涂构件3底部的接触面积，减少喷涂盲区。流水线输送带1以0.01m/s-0.05m/s的速度并排输送多个待喷涂的待喷涂构件，每一排待喷涂构件为一组，每组间待喷涂构件的纵向间距保持在0.1m左右，每组各待喷涂构件之间的横向间距根据待喷涂构件高度、自动扫描装置2的位置等相应设置，使得自动扫描装置2的三维扫描盲区尽可能少为宜。

自动扫描装置2用于采集流水线输送带1上待喷涂构件3的外形轮廓数据，并将数据传送至嵌入式计算单元6，为后续喷涂工艺计算准备数据，自动扫描装置2的数量根据其视场角和待扫描范围设置，自动扫描装置2可以采用定时扫描或位置触发扫描两种方式，把采集的流水线输送带1上每一组待喷涂构件的外形轮廓数据传输给嵌入式计算单元6；

位置传感器5用于采集流水线输送带1上待喷涂构建的位置及速度信息，并将信息发送至嵌入式计算单元6，用于辅助3d建模和喷涂机构的纵向定位，位置传感器5可采用超过1000线的编码器，对流水线输送带1上待喷涂构件3的纵向位置和速度数据进行高频采集，通过ttl/htl通信接口传输给嵌入式计算单元6和喷涂机械臂4，用于辅助3d建模和喷涂机械臂4的纵向位置计算；

嵌入式计算单元6用于接收自动扫描装置2及位置传感器5采集的数据，进行3d模型的计算，如数据滤波、数据平滑、3d建模、喷涂对象识别、喷涂路径规划、喷涂时序指令等，并向喷涂机构发送有关喷涂指令；

还包括云计算单元7，云计算单元7用于刻画记录喷涂机构喷涂过程中的数据画像。通过云计算单元7记录操作人员信息、设备开关机时间、设备运行时间、设备运行状态、生产资源消耗、生产任务统计及待喷涂构件信息等。云计算单元既可以部署在本地也可以部署在云端，刻画记录喷涂机构每次喷涂任务全过程的数据画像，例如操作人员信息、设备开关机时间、设备运行时间、设备运行状态、生产资源消耗、生产任务统计、构件详细信息等。喷涂机构适用于h型构件、槽型构件、平板型构件、方型构件、圆型构件、简单特殊型材，如具有端面、墩板、筋板、腹板、安装腿等。

喷涂机构包括连接喷涂机械臂4的喷涂装置，喷涂机械臂4及喷涂装置均连接嵌入式计算单元6；

喷涂机械臂4设置有与流水线输送带1垂直方向及流水线输送带1宽度方向运动的两个自由度，其具体结构采用现有技术，不再过多赘述。喷涂机械臂4接收嵌入式计算单元6的喷涂指令，完成对待喷涂构件的喷涂作业。本实施例设置喷涂装置为喷枪。喷涂机械臂4设置的两个自由度配合流水线输送带1运动自由度，形成空间3自由度的运动形式。本实施例设置6把喷枪，其中2把喷枪主要用于喷涂待喷涂构件3的纵向端面，2把喷枪用于喷涂待喷涂构件3横向左侧面及顶面，2把喷枪喷涂待喷涂构件3的横向右侧面及顶面。

自动扫描装置2包括2d激光雷达，其扫描频率在20hz以上、3d激光雷达，其扫描频率在10hz以上及3d相机，其帧率在5hz以上。

嵌入式计算单元6包括传感器数据获取模块、喷涂对象识别提取模块、喷涂工艺分析模块、喷涂策略规划模块、喷涂作业解析模块、动作执行模块、数据库模块、全局定位模块、监控服务模块、数据画像模块。

传感器模块用于获取模块通过udp协议获得自动扫描装置2对待喷涂构件的轮廓扫描数据和位置传感器5对待喷涂构件位置、速度的测量数据，通过空间变换后，把多个自动扫描装置2的每帧测量数据从各自的位置传感器5坐标系统一到喷涂坐标系，形成一帧完整的轮廓数据，利用位置传感器5的数据在纵向上拼接每一帧扫描的轮廓数据，形成待喷涂构件完整的三维模型。

喷涂对象识别提取模块用于根据传感器数据获取模块生成的构建轮廓数据，对数据进行滤波、降采样、平滑、剔除外点等处理，排出因环境、设备噪声等对数据的干扰，增加扫描数据的稳定性和一致性。然后对轮廓数据进行分割计算待喷涂构件3的数量和几何特征信息。

喷涂工艺分析模块根据现有喷涂工艺参数提取待喷涂构件3的所有待喷涂面并进行参数化表示，根据各喷涂面的参数方程离散化出每个喷涂周期的喷涂路径；

喷涂策略规划模块结合相关的喷涂工艺参数拟合各喷涂面内的喷涂路径和各喷涂待喷涂构件间的行走路径，形成具有时间和速度特性的喷涂轨迹，覆盖每组待喷涂构件的待喷涂区域；

喷涂作业解析模块把喷涂轨迹转换为按时间序列定义的喷涂设备相关控制指令，如流水线输送带控制指令、喷涂机械臂4控制指令、喷枪控制指令、喷漆压力控制指令、喷漆种类控制指令等；

动作执行模块按时间序列执行相关控制指令，控制流水线输送带、喷涂机械臂4和喷枪按时间序列到达某一坐标位置完成喷涂作业，控制喷漆压力按时间序列变换漆压等。

数据库模块预先存有若干喷涂待喷涂构件的3d点云模型模板、喷涂工艺参数，如漆膜厚度、喷涂速度、流水线速度、喷涂轨迹纵向间隔、喷漆压力、喷枪类型等、点云算法超参数，如模版匹配阈值、迭代次数、搜索半径、单元格数量、外点阈值、采样数量等、员工账户权限、员工操作记录、系统运行信息，如设备开关机时间，设备运行时间、设备运行状态，生产资源消耗，生产任务统计等；

全局定位模块为待喷涂构件3d模型的重建提供纵向位置服务，起到对齐3d模型坐标系和喷涂机械臂4坐标系的作用，使数据在不同的操作空间态具有一致性；

监控服务模块始终监控设备各部件和软件算法的中间处理状态信息；如各传感器异常信息、喷涂机械臂异常信息、流水线输送带异常信息、误操作信息、算法处理异常信息等。当出现异常信息时，会向操作人员进行警告通知。

数据画像模块会以ui的形式动态展示各数据。如待喷涂构件3d点云模型重建、点云平面实体化、喷涂轨迹离散化、喷涂轨迹标注、喷涂动作关键点标注、喷涂面积、预计油漆用量、设备运行信息等。

实施例2

一种基于点云的自动喷涂方法，包括以下步骤：

信息录入：将若干待喷涂构件3的3d点云模型模版、喷涂工艺参数如漆膜厚度、喷涂速度、流水线速度、喷涂轨迹纵向间隔、喷漆压力、喷枪类型等、点云算法超参数如模版匹配阈值、迭代次数、搜索半径、单元格数量、外点阈值、采样数量等等信息录入数据库模块；

构件输送：将同类型的待喷涂构件3按一定间距并排放置在流水线输送带1上，控制流水线输送带1按照设定速率进行输送；

数据采集：自动扫描装置2扫描获取流水线输送带1上经过的待喷涂构件3的轮廓数据，位置传感器5采集待喷涂构件3所在位置及行进速度数据，自动扫描装置2及位置传感器5采集的数据信息均发送至嵌入式计算单元6；

数据处理及构件喷涂：嵌入式计算单元6接收自动扫描装置2及位置传感器5采集的数据信息，进行3d建模、喷涂对象识别、喷涂工艺分析、喷涂路径规划、喷涂时序指定生成，向喷涂机械臂4及喷涂装置发送喷涂时序指定，进行喷涂作业。

当一组待喷涂构件3到达自动扫描装置2的检测区域时，会通过udp协议把对待喷涂构件3的轮廓扫描数据传输给传感器数据获取模块并同步处理位置传感器对待喷涂构件3位置、速度的测量数据。

数据处理及构件喷涂包括以下子步骤：

s1：传感器数据获取模块获取自动扫描装置2及位置传感器5采集的数据信息，通过空间变换后，把多个自动扫描装置2的每帧测量数据从各自的传感器坐标系统一到喷涂坐标系，形成一帧完整的轮廓数据，利用一帧轮廓数据特征如特征点、几何属性、法线性质等的改变判断待喷涂构件3的有无，当检测到待喷涂构件3时，利用全局定位模块的位置服务在纵向上拼接每一帧扫描的轮廓数据，起到对齐3d模型坐标系和喷涂机械臂坐标系的作用，使构件完整的三维模型在不同的操作空间态具有一致性，生成待喷涂构件3的三维模型；

s2：此时生成的三维模型仍存在许多因环境、设备噪声等因素产生的噪点。喷涂对象识别提取模块首先分离出单个出待喷涂构件3的轮廓数据，再对数据进行滤波、降采样、平滑、剔除外点等处理，以增加扫描数据的稳定性和一致性。对原有整体轮廓数据进行分割后计算待喷涂构件3的数量和几何特征信息；

s3：喷涂工艺分析模块拿到若干待喷涂构件3的轮廓数据后，检索匹配数据库模块中3d点云模型模版，匹配成功后提取其对应的工艺参数，根据喷涂工艺参数提取喷涂工件的所有待喷涂面并进行参数化表示，利用对应的喷涂工艺算法，根据各喷涂面的参数方程离散化出每个喷涂周期的喷涂路径；

s4：喷涂策略规划模块结合相关喷涂工艺参数拟合各喷涂面内的喷涂路径和各喷涂构件间的行走路径，形成具有时间和速度特性的喷涂轨迹，覆盖每组构件的待喷涂区域；

s5：喷涂作业解析模块把喷涂轨迹转换为按时间序列定义的相关控制指令，如流水线输送带控制指令、喷涂机械臂控制指令、喷枪控制指令、喷漆压力控制指令、喷漆种类控制指令等，把基于空间位置的高级轨迹数据转换为基于时间序列的低级控制指令；

s6：流水线输送带1将已扫描过的若干待喷涂构件3输送到喷涂机械臂4作业区内并对齐坐标系，动作执行模块按照基于时间序列的低级控制指令，控制流水线输送带1、喷涂机械臂4和喷涂装置按时间序列到达某一坐标位置完成喷涂作业，控制喷漆压力按时间序列变换漆压等。本实施例设置喷涂机械臂4在流水线输送带1上下位置各设有一套。由于自动扫描装置2只能重建构件顶面和侧面的轮廓，无法重建端面和底面的轮廓，因此设置方法1：针对非对称构件，如槽型构件等，在已知侧面和顶面数据的情况下，工艺算法可自动拟合底面和侧面数据，上下喷涂机械臂独立运动喷涂；方法2：针对对称构件，如h型构件，除了采用方法1的方案，还可只规划上喷涂机械臂的喷涂轨迹，下喷涂机械臂做跟随喷涂。一组构件的喷涂作业完成后，流水线输送带1把喷涂完毕的构件输送到人工补漆的工位，之后进入烘干房进行烘干作业。

s7：监控服务模块监控喷涂过程中的有关喷涂信息。喷涂装置和软件算法运行的状态信息都会被监控服务模块所监控，如各传感器异常信息、喷涂机械臂异常信息、流水线输送带异常信息、误操作信息、算法处理异常信息、员工权限、员工操作记录、系统运行信息：如设备开关机时间，设备运行时间、设备运行状态，生产资源消耗，生产任务统计等等，当出现异常信息时，会向操作人员进行警告通知。喷涂装置和软件算法运行的状态数据都会以ui的形式动态展示，如构件3d点云模型重建、点云平面实体化、喷涂轨迹离散化、喷涂轨迹标注、喷涂动作关键点标注、喷涂面积、预计油漆用量、设备运行信息等。