噴涂機(jī)器人技術(shù)研究與展望

　　涂裝是制造業(yè)中一項(xiàng)非常重要的工序，它能有效地防止工件受外界環(huán)境侵蝕，提高工件壽命，而且能美化工件外觀。目前在國內(nèi)，涂裝工序主要還是靠人工完成，涂裝的質(zhì)量受工人的技術(shù)熟練程度、心情等因素的影響很大。同時(shí)，涂裝過程中揮發(fā)出來的有毒氣體對工人的身體健康影響很大。實(shí)現(xiàn)涂裝過程自動化，具有巨大的社會與經(jīng)濟(jì)效益。噴涂機(jī)器人就是一種典型的涂裝自動化裝備。使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)，工件涂層均勻，重復(fù)精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。國際上將機(jī)器人應(yīng)用到噴涂領(lǐng)域已有二十多年的歷史，最早將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于噴涂的有美國的minihit公司、fudge公司、德國的hatel公司等。

　　隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，噴涂精度得到顯著提高，噴涂機(jī)器人在主要的發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)用。我國的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后對噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入的研究，取得了不少進(jìn)展。航天航空部的703所、625所使用熱噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，用來噴涂一些重要而特殊航空部件。目前在我國，還沒有完全意義上的獨(dú)立生產(chǎn)噴涂機(jī)器人的廠家，機(jī)器人市場大多為歐美、日本、韓國等國的生產(chǎn)廠家所壟斷。近年來，我國的一些企業(yè)積極與高校開展噴涂機(jī)器人的項(xiàng)目合作，進(jìn)一步推動我國噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。

1 噴涂機(jī)器人的種類
1.1 仿形噴涂機(jī)器人
　　仿形噴涂機(jī)器人根據(jù)被噴涂工件的外形特點(diǎn)，簡化機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)與控制方式，造價(jià)低廉，維修簡便，噴涂質(zhì)量基本上能滿足工業(yè)的需求。據(jù)國外公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)字顯示，采用仿形噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，噴房內(nèi)部尺寸可減少2/3，排風(fēng)量減少3/5，漆霧處理的沖水流量減少1/3，涂料節(jié)省大概30％－50％。仿形噴涂機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路機(jī)車車輛等機(jī)械制造業(yè)的噴涂作業(yè)，用于完成被工件頂部與側(cè)面的噴涂。文獻(xiàn)[2]介紹了一種用于汽車車身噴涂的仿形噴涂機(jī)器人，該機(jī)器人模仿汽車車身的形狀，同時(shí)在頂部與側(cè)面各安裝噴槍，噴槍固定在機(jī)架上，噴槍與車身的距離、角度可以調(diào)解，以滿足不同型號的車身的噴涂需要。機(jī)器人采用PLC控制方式，整個(gè)系統(tǒng)可靠性高，組態(tài)可靈活調(diào)整，編程方便，調(diào)試維護(hù)簡單，對不同車型的車身通過編程即可達(dá)到仿形編程目的。

1.2 移動式噴涂機(jī)器人
　　這類機(jī)器人主要用于高空的噴涂作業(yè)，如大樓、橋梁的高空噴涂等，配備纜繩、真空或磁吸附裝置，充當(dāng)機(jī)器人的下肢，使機(jī)器人能夠在高空噴涂作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行移動。文獻(xiàn)[3]介紹一種纜索機(jī)器人，用于斜拉橋的高空噴涂，利用PLC作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，可滿足斜拉橋高空噴涂的需要。文獻(xiàn)[4]介紹一種用于高層建筑噴涂作業(yè)的移動機(jī)器人，以真空吸附的方式進(jìn)行高層建筑物的噴涂作業(yè)，機(jī)器人由支援系統(tǒng)、機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)組成。其中支援系統(tǒng)包括移動小車、卷纜部件、懸掛裝置；控制系統(tǒng)采PLC控制。機(jī)械手采用往復(fù)運(yùn)動的方式，同時(shí)在噴涂機(jī)械手上還安裝了兩套CCD攝像系統(tǒng)，可從支援小車的監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)視噴涂作業(yè)情況和墻面噴涂的質(zhì)量。該機(jī)器人的推廣應(yīng)用提高了高層建筑噴涂作業(yè)的質(zhì)量、工作效率和安全可靠性，降低工人的工作量。

1.3 經(jīng)濟(jì)型簡易噴涂機(jī)器人
　　這類機(jī)器人本質(zhì)上是一種三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，采用龍門架式的框架結(jié)構(gòu)，配備有專門的夾具，進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)，須先手工將被噴涂工件夾緊到工作臺上，再操縱機(jī)器人進(jìn)行噴涂。主要用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)鍵盤等小型電子產(chǎn)品外殼的噴涂作業(yè)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便易行，且成本較低。但系統(tǒng)功能單一，一般只能用于小型件的噴涂作業(yè)。

1.4 固定式多自由度噴涂機(jī)器
　　這種機(jī)器人常固定于噴涂生產(chǎn)線的兩側(cè)，作業(yè)時(shí)被工件通過輸送帶送入生產(chǎn)線，再由機(jī)器人對工件進(jìn)行噴涂作業(yè)，這種機(jī)器人常為回轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人，常見的是5、6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人。機(jī)器人的控制系統(tǒng)常采用在工控機(jī)上插入輸入輸出I/O卡和運(yùn)動控制卡的模式，再通過計(jì)算機(jī)高級語言編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)噴涂作業(yè)過程的自動化，可適用于各種不同場合的噴涂作業(yè)需要。

2 噴涂機(jī)器人運(yùn)行方式
2.1 示教型噴涂機(jī)器人
　　這種方式必須首先確定機(jī)器人在噴涂件表面的運(yùn)動軌跡，先操縱機(jī)器人沿運(yùn)動軌跡空走一遍，即對機(jī)器人進(jìn)行示教。在示教過程中，機(jī)器人記錄下各個(gè)示教點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)，在真正噴涂過程中，機(jī)器人根據(jù)先前記錄下來的示教點(diǎn)對工件進(jìn)行自動噴涂作業(yè)，示教點(diǎn)之間的曲線部分采用插補(bǔ)算法確定各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以逼近原曲線軌跡，最后通過機(jī)器人正逆解運(yùn)算求出每一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。

2.2 離線編程式噴涂機(jī)器人
　　這種方式首先獲取被噴涂對象的立體幾何形狀，然后采用各種算法確定出工件表面的噴涂點(diǎn)坐標(biāo)，機(jī)器人根據(jù)已確定的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行自動噴涂作業(yè)。噴涂點(diǎn)之間的曲線部分通過插補(bǔ)運(yùn)算確定插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以逼近原曲面，最后通過機(jī)器人正逆解運(yùn)算將插補(bǔ)坐標(biāo)從三維空間轉(zhuǎn)換成各個(gè)關(guān)節(jié)角度空間。

3 噴涂機(jī)器人的控制方式
　　工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人控制系統(tǒng)一般采用二級控制方式，其中工控機(jī)充當(dāng)主控制器，用于整個(gè)控制流程的協(xié)調(diào)與調(diào)度，第二級控制器用于噴涂機(jī)器人的運(yùn)動控制。文獻(xiàn)[6]介紹了一種工控機(jī)加DSP的控制模式，工控機(jī)充當(dāng)一級控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理，機(jī)器人語言編譯與人機(jī)接口等功能；DSP充當(dāng)二級控制器，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動控制，包括了機(jī)器人運(yùn)動正逆解運(yùn)算、插補(bǔ)運(yùn)算、關(guān)節(jié)的位置控制等功能。工控機(jī)與DSP不直接進(jìn)行通訊，通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，工控機(jī)與DSP均可從該內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，以達(dá)到通訊的目的。

　　當(dāng)前比較通用的是工控機(jī)加上運(yùn)動控制卡的模式，即將運(yùn)動控制卡插入工控機(jī)的PCI插槽中，工控機(jī)與運(yùn)動控制卡之間通過PCI總線進(jìn)行通訊。工控機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的文件管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人語言的解釋、示教檢查、系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)調(diào)度、故障診斷、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆解與插補(bǔ)運(yùn)算等功能。運(yùn)動控制卡只擔(dān)負(fù)機(jī)器人的運(yùn)動控制功能，增強(qiáng)了機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時(shí)性。人機(jī)接口功能由插在工控機(jī)上專用的I/O卡來完成，I/O卡將設(shè)備運(yùn)行狀況、行程限位開關(guān)等信息以開關(guān)量的形式實(shí)時(shí)反饋給工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)讀取到的信息做出相應(yīng)的反應(yīng)。示教盒與主機(jī)通過RS232總線進(jìn)行通訊�？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通常包括了工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、I/O卡、示教盒、伺服電機(jī)等部件，硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 噴涂機(jī)器人技術(shù)難點(diǎn)
4.1 噴涂工件CAD造型的獲取
　　噴涂機(jī)器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的CAD數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[7]將工件的設(shè)計(jì)階段與加工制造階段集成起來，從工件設(shè)計(jì)階段直接獲取其CAD數(shù)據(jù)，再根據(jù)所獲取的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[8]使用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，獲取工件實(shí)物表面的數(shù)據(jù)，形成點(diǎn)云，再通過三維重構(gòu)，獲取工件的CAD實(shí)物數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9]使用機(jī)械式探針沿工件表面滑動，以獲得工件表面數(shù)據(jù)，再對工件表面數(shù)據(jù)進(jìn)行B樣條擬合，最終重構(gòu)出工件的三維模型。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的成熟，可以利用模式識別技術(shù)先識別出待噴涂的工件，再利用圖像處理技術(shù)提取工件表面的特征點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云，最后通過圖像的三維重構(gòu)獲取工件的CAD數(shù)據(jù)。

4.2 噴涂路徑規(guī)劃
　　路徑規(guī)劃是噴涂機(jī)器人離線編程的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。路徑規(guī)劃的好壞，直接關(guān)系到噴涂作業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻，對噴涂工件的質(zhì)量的影響巨大。文獻(xiàn)[10]在獲取到工件的CAD數(shù)據(jù)后，基于有限元的思想，以三角形小單元來近似逼近工件曲面，提取各個(gè)三角形單元的中點(diǎn)作為噴涂點(diǎn)，連接各個(gè)噴涂點(diǎn)獲取噴涂路徑。文獻(xiàn)[11-12]將獲取到的工件CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件，基于快速成形的切片技術(shù)將工件的三維模型進(jìn)行分層，將各層的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量擴(kuò)展，得到一系列有方向的點(diǎn)系，最后按照一定的排列順序形成噴涂機(jī)器人的噴涂軌跡。文獻(xiàn)[13]采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，先構(gòu)建噴涂過程的虛擬過程，在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行噴涂作業(yè)，定義最優(yōu)的噴涂軌跡，同時(shí)將所定義的軌跡轉(zhuǎn)換成最終執(zhí)行的機(jī)器人語言。文獻(xiàn)[14-17]根據(jù)噴槍在工件表面的涂層累積速率數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建工件曲面上任意一點(diǎn)的涂層厚度數(shù)學(xué)表達(dá)式，用于優(yōu)化的方法，在曲面的函數(shù)空間內(nèi)尋求一條最優(yōu)路徑的函數(shù)表達(dá)式，由此得出噴涂的軌跡路徑。

4.3 噴涂機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定
　　影響噴涂機(jī)器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與動態(tài)因素。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時(shí)所帶來的機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)上的誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機(jī)械部件的尺寸變化，由此造成機(jī)器人位姿的誤差。動態(tài)因素主要是由外力所引起的機(jī)械部件本身的彈性變形所帶來的機(jī)器人運(yùn)動誤差。為解決以上因素所造成的機(jī)器人位姿誤差，必須在使用前對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，建立機(jī)器人的參照模型，目前用于機(jī)器人標(biāo)定的技術(shù)有基于三坐標(biāo)測量儀的標(biāo)定、基于激光跟蹤儀的機(jī)器人標(biāo)定以及基于CCD的機(jī)器人標(biāo)定。根據(jù)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行時(shí)的位姿與參照模型間的誤差，建立機(jī)器人補(bǔ)償機(jī)制，以進(jìn)一步提高機(jī)器人噴涂作業(yè)的精度。

4.4 噴涂機(jī)器人的控制
　　噴涂機(jī)器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的PID理論，在實(shí)際的應(yīng)用中，噴涂機(jī)器人機(jī)械臂的長度往往很長，當(dāng)整個(gè)機(jī)械臂伸展開時(shí)大約可達(dá)到2m的長度，且運(yùn)行速度較高，各關(guān)節(jié)間的動力學(xué)效應(yīng)非常顯著，不能忽略，從而造成機(jī)器人各關(guān)節(jié)的被控對象模型是時(shí)變的。而傳統(tǒng)PID理論的比例（P）、積分（I）、微分（D）參數(shù)的整定是建立在關(guān)節(jié)傳遞函數(shù)模型為定值基礎(chǔ)之上的，這對傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動力模型的控制理論帶來了挑戰(zhàn)。此外，實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場往往存在有各種不確定的干擾，也會對PID控制器造成影響。以上兩個(gè)因素決定了PID控制器必須具備一定的自適應(yīng)性，其比例、積分、微分參數(shù)應(yīng)能夠隨著外界環(huán)境的改變而自動的變化。智能控制理論的提出與發(fā)展為問題的解決帶來了新的思路。智能控制是人工智能、生物學(xué)與自動控制原理結(jié)合的產(chǎn)物，是一種模仿生物某些運(yùn)行機(jī)制的、非傳統(tǒng)的控制方法。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、人工免疫、遺傳進(jìn)化等智能控制算法與PID理論相結(jié)合，用于PID參數(shù)的整定，成為未來機(jī)器人控制發(fā)展的趨勢。

5 結(jié)論
　　本文介紹了噴涂機(jī)器人技術(shù)的研究進(jìn)展情況，敘述了常見的噴涂機(jī)器人種類、運(yùn)行方式、控制方式及其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，深入分析噴涂機(jī)器人的主要技術(shù)難點(diǎn)。展望未來，噴涂機(jī)器人離線編程技術(shù)方面，基于視覺的工件CAD模型構(gòu)建方式與通過建立工件表面涂層累積量數(shù)學(xué)模型的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法是未來發(fā)展的方向。機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定技術(shù)方面，基于CCD的標(biāo)定法是趨勢。機(jī)器人控制領(lǐng)域，新型智能控制算法之間、智能算法與傳統(tǒng)PID控制算法間的融合與應(yīng)用是未來機(jī)器人控制發(fā)展的趨勢。隨著傳感檢測技術(shù)與人工智能的發(fā)展，未來的噴涂機(jī)器人將具備實(shí)時(shí)檢測，實(shí)時(shí)自主規(guī)劃噴涂路徑的能力，噴涂機(jī)器人將進(jìn)一步朝著智能化的方向發(fā)展。