1、 多品种小批量生产零件的机器人自动喷漆摘要：随着信息技术的发展，传感器和工艺处理能力可全面实现工业任务上的自动机器人编程。本文对欧盟曲面喷涂项目做了阐述，该项目设计出一种自动生成未知零件喷涂的机器人程序方法。其解决方案采取了四个步骤：激光三角法感测，几何特征检测，喷枪路径规划，生成无碰撞的可执行机器人程序。在工业伙伴展示中显示出了它的结果。关键词：自动机器人编程，特征检测，轨迹生成，碰撞避免，喷漆1.引言 欧盟RTD中曲面喷涂项目的目的在于实现小批量多品种零件喷涂的自动机器人编程。由于机器人程序是根据每个单一品种零件而建立的（使用离线编程/人工示教编程），近来机器人喷涂在大批量规模生产上是经济
2、可行的。该项目的目的是提供在大部分零件（见图1）的喷涂中使用机器人的经济可能性。其目标是要减少近75的人类编程工作和90的人类喷漆工作。 该技术的挑战是建立一种可以类似漆工那样喷涂从未见过的几何形状以完成喷涂任务的方法。一种可能的解决方案是利用CAD数据计算喷涂的路径并测量实际的零件位置。然而，三维CAD数据往往不充分，因此这种方法只限于少数的应用中使用。曲面喷涂中的“逆算法”已被开发出，它不需要任何CAD数据。 该方法是自动从距离传感口数据得到机器人的喷涂路径并自动生成可行的、完整的、可执行的机器人程序。这种方法用来处理广泛范围的零配件，例如电机齿轮、框架零件（车镜、板、管等）或大型压缩机油
3、箱。对于每个工业客户零件系列是已知的（包括多达70个变种）。其目标是能够喷涂沿着传送带传送的任何次序零件。该技术的挑战是检测传送带上零件的几何形状，根据零件的几何形状自动推断出机器人的喷涂轨迹并自动生成无碰撞机器人程序。1.1相关工作 相关工作是自动生成一个三维喷涂路径，这已在SmartPainter项目中进行了尝试。喷涂的运动是通过虚拟地折叠出的被涂曲面而生成的。显示出喷涂的运动和折叠后的曲面，让喷涂的运动按照这个折叠曲面而运动。然而，这种方法只适用于当物体3D模型是可以利用的并且物体的曲率相对比较小的情况下。从“先进机器人技术”取得的专利技术采用了二维数码照片作为输入美国专利 专利号：US
4、 5429689。用户在屏幕上决定采用喷涂三维的位置，然后由机器人自动完成对喷涂轨迹的规划。 获取自动刀具的3D路径第一种方法是由考虑平截面铣削涡轮叶片情况下使用网格单元格的方法而得到的。2.曲面喷涂方法 曲面喷涂方法的建立基于以下观察，即对于整个产品系列零件由大量带典型特征的初等几何元素形成。例如肋板结构（冷却肋板），圆柱形表面（典型的如马达）和腔体（典型的如空心结构或要获取刚度结构）。另一种类型的表面，例如后视镜的表面。这些表面是自由过渡的光滑表面，而且很难用简单的几何属性表达，例如圆筒、球形、和箱体。根据初等几何，这项技术目标变成了指定这些初等几何用于几何方法检测，实现路径规划的可开发，
5、在应用中见到的各种几何包含在初等几何中。 初等几何类型的技术参数是根据观察到的零件几何结构和喷涂过程中的约束来确定的。其主要思想是检测喷涂过程中的初等几何使其可以链接到一个特定的工艺模型。例如平几何的表面可以用简单的直线模式进行喷涂。更为复杂的几何形状，例如腔体或肋板状物需要特定的喷涂方法，喷涂腔体和喷涂与肋骨取向平行的要分开来。 初等几何类型在几何库中已定义并且与工艺库中规定的工艺知识有关。完整的曲面喷涂方法如图2所示。接下来的章节将概述其主要组成部分。2.1用激光三角测量传感器的零件测量 当工件在传送带上运动，激光测距传感器装置扫描零件并获得该对象的三维测量点数据。扫描由输送机的实际零件的
6、运动而触发（见图3）。对于大小为一米的零件，获得了高于一毫米的分辨率。它采取了高达700每秒的扫描速度。如图4所示，这是通过标定取得的。 往往一些零件是安放在框架或垫木上的。这种情况下，框架或垫木被扫描并且从最后的图像中除去。图5显示了一个例子，零件与框架一起被测量并且零件的数据被自动提取。对于每一个检测的零件，所有其他工艺步骤都是单独执行的。最后，如果零件相互靠得近，较大机器人的喷涂运动是从一次行程喷涂多个零件而获得。2.2特征检测器 由ACIN开发的特征检测器具有使用几何库的几何定义检测出零件几何的任务。输出是扫描零件使用初等几何表面的说明。 特征检测器检测与喷涂工艺相关的三种特征：自由曲
7、面、腔体和肋状部分。传统的距离图像处理通常从分割开始。检测出的特征限于已定义几何性质，如平面或二次曲线。 三种特征的具体几何特征并不清楚，它们只是用来进行特征定义。因此需要一个通用方法进行特征检测。 图6总结了已开发的图像处理过程。采用被分割成单个部分的标定图像并且通过具体过程来检测三种基本特征，这个具体过程下面将简要概述。具体可见参考8。 首先腔体和肋骨状结构被检测出后，所有剩余的零件表面将被认为是自由曲面。腔体被定义为一个表面点比周围边缘（通常意义上的外表面）局部上低的区域。其挑战是建立一个弹健的方法来处理距离数据噪音和阴影。 腔体边缘的检测精度在某种程度上取决于其分辨率。通过使用插值点法
8、被发现的腔体还包括传感器阴影的潜在区域。这一点对于在喷涂工艺中检测整个腔体区域很重要。腔体然后表示为网格，以涵盖整个开放的腔体。图7显示了完整零件的网格表示。开放的腔体用黑网表示。网格表示也有它的好处，它可以显著减少数据使喷涂轨迹的自动生成速度快。 图7表明了噪音容错方法的缺陷。最终的网格在表示两个套接的腔体之间的直拐角和极窄边（3像素）上有一定困难。然而改善三角测量凹面区域的方法已经在开发中。 肋状部分是用最少数量等距平行线而定义的。边缘检测后，原始的直线段根据共线性、邻近性和重叠性分为长线段。使用平行性将这些线进行编组。最终，形成所有线段组的特征向量(距离、重叠、长度、线数)，并用来分类肋
9、板结构。图8给出了一个分组结果的例子。2.3喷涂规划器 在接下来的工艺步骤中喷枪的喷涂轨迹是根据每个初等几何计算而来。邻近的喷涂行程相连接以获得更长、更流畅的喷涂轨迹。最终的结果是一个完整的喷枪喷涂轨迹。另外生产喷涂轨迹模块如图2所示，它指定一个满足期望喷涂质量的喷枪轨迹。在该模块中，只有喷枪的运动被认为与工艺质量有关。对机器人没有约束，不考虑喷枪和它所工作环境之间的碰撞。为了规划出喷枪的运动轨迹，这个模块使用了几何库和工艺库。几何库为每一个几何基元指定了一个或多个喷涂步骤，这些步骤可以应用于喷涂特定类型的几何基元。喷涂步骤中指定了如何使喷枪的运动适应所喷涂表面以获得良好工艺要求。工艺库是通过
10、实验工作建立的。 它的基本思路是为了确保喷涂行程的规划连续地贯穿于整个零件，即使不同的几何基元必须沿着这些表面覆盖,而连续机器人运动不能沿着零件表面。该系统将尝试使用面向少数主要方向上的较大平面区域（虚拟表面）去逼近曲面模型的三角曲面。图9显示了一个由不同规格的三角形曲面构成的变速箱几何模型。 在图10中，曲面是近似曲面，并且曲面被划分为虚拟曲面。喷涂步骤的执行与这些虚拟曲面有关。每一个虚拟曲面只代表一种类型的几何基元，相同的喷涂步骤因此可以使用于整个零件表面。如果不同的几何基元随着表面呈现出来，系统将会尝试去建立连续喷枪运动覆盖虚拟曲面，而这些虚拟曲面彼此相互连续。喷枪的运动是根据喷涂路径而
11、指定的，例如图11中的说明。通过这个和图10所示，可以看出喷涂路线遵循指定方向和虚拟曲面的平面位置。喷涂工艺指定了执行多少必须沿着喷涂路径喷涂行程，并指定了哪些喷涂参数应用于这些冲程中的每一个行程。4.结论及展望 一种对系列化未知零件的自动喷涂方法已被提出。这种方法在喷涂单元的前面使用了传感单元，而喷涂单元处可以获得零件的几何形状。从零件的几何特征提取出工艺相关特征，找出相应的喷涂路径，分组得到最优喷涂轨迹。最终生成无碰撞机器人运动轨迹和可执行机器人程序。 所有的步骤都是自动的，不需要任何操作人员的干预。个性化的工具（特征检测器、轨迹规划器、喷枪规划器）存在于原型版本中。在工业客户中的首次实施
12、表明了该方法是可行的。扫描零件，自动生成机器人程序，使用常规的微机技术其速率为每分钟一个零件。 目前只有凸形零件可以自动喷涂，尽管L形零件也可以。复杂凹形结构，例如图15中载重汽车的地盘是不能够自动喷涂的。 人们计划提高曲面喷涂工艺，即使用机器人内置式传感器扫描用固定传感器而不能看见的零件部分。另一个拓展将会用于实施“示教”除已有几何特征的其它特征。 尽管该项目主要是为了实现机器人喷涂，但提出来的“逆向法”可以应用于在表面处理领域上的大范围工艺中获取工艺运动。这种方法有望应用的工艺例子有：粉末喷涂、液体洗涤和清洗（包括高压清洗）、物理接触式洗涤和清洗工具与零件之间的部分、脱脂、喷砂、抛光、密封、研磨、去毛刺和胶合。 - 4 -
