【《某智能喷涂控制方案的设计案例》4800字】

第8页共49页某智能喷涂控制方案的设计案例1.1概述本文根据跟踪最新技术前沿，设计“无过喷技术”喷涂系统，此系统能够智能的对待喷涂面进行喷涂。该系统在传统的自动喷涂上增加了机器视觉模块，用于获取待喷涂面点云信息，经处理后能够使机器人进行智能的喷涂。1.2系统总体方案设计如图1.1所示为无过喷智能涂装系统的总体框图，包括激光传感器模块，数据处理模块,无过喷喷头机构设计和机器人喷涂模块。机器视觉模块是由激光扫描传感器和图像处理单元组成，负责点云数据的摄取和处理，再把处理后的数据传给上位计算机。数据处理模块主要负责点云数据处理，平面喷涂路径生成，路径上喷头姿态获取等。无过喷喷头机构设计主要配合机构设计体现喷头的移动速度与涂料进给的线性关系，实现智能喷涂。机器人喷涂模块包括机器人本体，“无过喷技术”的核心部件喷头和机器人控制器组成,主要负责接收上位计算机笛卡尔空间的喷涂路径，机器人控制器进行逆运动学的计算，再自动规划关节空间运动轨迹完成喷涂等。图1.1无过喷智能喷涂系统总体方案当机器人本体获得喷涂指令后，激光传感器开始工作，完成工件三维点云的扫描之后，将它送至图像处理系统。点云数据处理与运算是将激光传感器扫描到的喷涂面的点云信息反馈至上位计算机，进行点云去噪平滑等预处理、点云切片获取喷涂路径点，再进行机器人末端喷枪姿态估计、以及路径点插值等运算。完成喷涂作业时，上位计算机进行一系列运算得到喷涂路径信息，将其转化成位姿序列传送至控制器，控制机器人驱动器进行智能喷涂。喷涂机器人系统运行流程图如图1.2所示。第8页共49页第9页共49页图1.2系统运行流程图1.3激光扫描仪选型机器视觉通过激光传感器将待喷涂的表面信息转换成图像资料，接着图像处理系统接收这种图像资料并作后期处理加工成所需要的目标形态的资料[33]。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作[34]

。激光作为主动光源具有能量高、单色性好、亮度高、抗干扰能力强等优点，故激光视觉传感器被认为是在存在着光照波动大、粉尘、烟雾等诸多不良干扰因素的工业现场环境下取代传统CCD视觉传感器的理想手段[35-37]

。本文采用scanCONTROL2650激光扫描传感器，其基本特点为：（1）紧凑设计:scanCONTROL2650传感器专注于小型化和低重量。所有可用的测量范围拥有相同传感器外形尺寸。这个特性使测量范围的切换前所未有的简单方便。全部电路都集成在传感器探头内，因此减少了电缆布线，从而方便了机械集成和基于机械手的应用。（2）Ethernet供电:通过Ethernet给扫描探头提供电力。所以使用工业以太网可以仅用一根电缆同时满足数据传输和供电。（3）多功能接口:可作数据，电源输出，参数切换，脉冲输入或同步多个scanCONTROL传感器。。（4）直接连接PLC:支持Modbus协议。（5）多扫描头应用:scanCONTROL2650多功能端口使多传感器同步成为可能。传感器具有一种特殊同步功能，可用于激光线重叠的情况。这种180°相移模式允许激光自动交替关闭。比如，当一个传感器正在进行测量的时候，关闭其他传感器的激光线几秒钟。主要基本参数如下：Z-轴线性量程可至265mmX-轴线性量程可至143.5mmZ-轴绝对误差≤±0.16%

X-轴分辨率640测量点/每轮廓第9页共49页第10页共49页扫描频率可至4000HzscanCONTROL系列2D/3D激光轮廓仪，用于记录，测量和评估不同质地被测表面的外轮廓。可以提供从轮廓仪探头到复杂测量系统的整体解决方案。激光扫描仪的采集原理大体分为脉冲法、相位法和三角法。激光扫描系统如图1.3所示:图1.3激光扫描系统结构图激光扫描仪与主控计算机通过协议互通，主控计算机负责发送指令，保存采集的数据。激光扫描仪负责测距和旋转扫描等[38]。1.4喷涂方式选型喷涂机器人主要由喷涂机械臂、末端喷头和控制系统组成。其优点：（1）柔性大。工作范围大大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护。可离线编程进而缩短现场调试时间。（4）设备利用率高，可达95%。其中喷涂方法和喷枪的选择对给定平面的喷涂效果有很大的影响，传统的喷涂方式有很大的弊端:喷涂效果不佳、资源浪费等。而如今空气喷涂法、静电喷涂法等很多新型的喷涂方式，被越来越多的应用在喷涂工作中[39]

。空气喷涂是利用压缩空气气流将涂料虹吸至喷枪口，继而进行雾化，喷射到被涂工件表面，达到对表面进行涂装的目的。其优点在于：能够任意选择喷漆条件，比较容易操作，适于重视喷涂质量的工件。其缺点是：涂料利用率低，空气中容易携带水与油[40]

。其表现为：a.油漆利用率低：一般传统空气喷枪的油漆利用率大约在35%左右，也就是说，传统空气喷涂在操作时有近65%的油漆是浪费的，它们大多飞散于空气中、喷房以及地板上；b.空气消耗量大：传统空气喷枪在操作时需要8~17cfm的空气量来将流体雾化。静电喷涂技术的工作原理是使待喷涂的物件带上负电，再让喷枪等喷头设备喷射出的部分涂料带上正电，这样在高压作用下，喷枪与物件之间就形成了一个静电场。这时，涂料就会形成一大团漆云，被吸附在带负电的工件上。静电喷涂的效果不仅取决于静电喷涂设备和管理水平，而且取决于所使用的涂料品种是否符合静电涂装的要求。排风装置中应设置风速调节机构[41]

。其优点：（1）工作环境好。应用较多的固定式静电喷涂设备通常都是与悬式传送装置配套组成连续涂饰流水生产线的。在这种情况下，操作者的工作仅限于对涂饰工件的准备和装、卸以及对设备的调控和照管等，因此，与涂料直接接触的机会和体力劳动强度第11页共49页都大为减少。而且在高压静电场中喷涂时，漆雾的扩散也远不及气压喷涂或无气喷涂时那样多，这样就使涂饰环境的污染得到明显的改善。（2）涂料利用率高。在高压静电场喷涂时，带有负电荷的涂料微粒，沿电力线方向被涂饰到工件表面上，因此，基本上没有涂料射流反弹和漆雾飞散现象，漆雾损失很小，涂料利用率可达到85%～90%以上。（3）涂饰质量好。在严格遵守正确的操作规程实行静电喷涂时，由于高压静电场的作用，涂料微粒分散度高，在射流中分布也较均匀，因而在被涂饰工件表面形成的涂层也较平整、均匀，漆膜的光泽、附着力均较高。（4）涂饰效率高。生产实践表明，在静电喷涂连续流水生产线上，传送带的运行速度可以达24m/min，远远超过其他的喷涂流水线。对于那些不可能采用淋涂、辊涂的框架结构的木制件如桌、椅、框等，静电喷涂的综合经济效益尤为明显。静电喷涂法的缺点主要易造成火灾。因此必须有可靠的防火、防爆设施，严格遵守安全操作规程。此外，对于形状复杂或轮廓凹凸较深的表面，静电喷涂法难以获得均匀的涂层[42]

。本文采用的无过喷的喷头EcoPaintJet，所以静电喷涂法在此不适用，涂料不是以雾化方式喷出，而是选用特别制程的液态涂料，在空气压力下，经过计算控制喷头将涂料从50个小孔中喷出,达到无过喷。EcoPaintJet达到了高精度喷涂水平，因为其喷涂应用组件根本不会产生任何过喷现象。过喷是指由其他雾化器产生的微小油漆滴落在目标区域之外。EcoPaintJet有一个精密加工的喷嘴，尺寸仅为几平方厘米，可防止形成过喷。构成矩形喷头底面的喷嘴上有大约50个直径约为十分之一毫米的几乎看不见的孔，它们被用来在距离30毫米的平行喷射中对车身表面进行喷漆。1.5机器人喷涂头选型本文采用的是EcoPaintJet-无过喷喷涂头，如图1.4所示无过喷喷头，采用精密复杂的喷嘴板不同于传统的旋转雾化器，该装置采用精密复杂的喷嘴板，其上遍布50多个几乎看不见的孔，直径约为十分之一毫米。油漆正是通过这些孔从30毫米的距离处平行流出-类似于喷墨打印机。在喷涂前，通过激光视觉传感器测量待喷涂表面。基于测量数据，软件程序计算出喷头在表面上方的喷漆路径。喷头的移动速度和角度受到控制，以确保油漆在任何时候都能均匀地喷涂。待喷漆物体表面的轮廓也需要考虑在内，这点很重要，比如车顶喷涂。第11页共49页第12页共49页图1.4无过喷喷头EcoPaintJet不会产生任何过喷，只涂覆在预期的表面上。效率更高，因为它完全不需要遮盖车身。这要归功于一个全新的喷涂应用组件EcoPaintJet。EcoPaintJet固定在机器人手臂上，在喷涂时，油漆能不多不少的喷射在要求喷涂的区域.此外，现在每辆车身可节省约15平方米的遮蔽膜。更多的好处包括提高油漆车间的产能利用率，在油漆烘干过程中可节省高达25%的能源。这种无过喷的喷涂设备中最重要的组件是供漆与清洗和注漆工艺的结合。EcoPaintJet喷涂设备通过三个阀门对此进行控制。喷涂应用组件本身最核心是喷嘴板，根据设计的不同，喷嘴板可喷出数十条平行的油漆喷流。这些喷嘴可以在任何指定时刻激活或停用，以开始或中断喷涂过程。与用到喷枪或高速旋转雾化器的喷涂工艺不同，此过程不需要任何雾化空气。因此，无需像传统工艺一样从喷房空气中费力地过滤掉任何漆雾。EcoPaintJet不仅适用于车身，也适用于迄今为止油漆应用劳动高度密集的产品。范围涉及车轮、家具和两轮车到纸板包装、车库门和飞机和铁路车厢的装饰等。越个性越出众：在产品颜色方面，客户也越来越多地要求装饰性和对比性的颜色，例如汽车领域的双色车顶或产品上的装饰条。EcoPaintJet是一种创新的系统，用于自动、无过喷的油漆喷涂。当喷漆机器人搭配EcoPaintJet核心部件，它就可以实现无过喷作业，EcoPaintJet如果安装在串联机器人臂上，机器人再配备传感器的测量系统提供最大的精度，对绘制的区域进行三维测量，并将数据发送到控制软件。控制软件会持续计算喷涂应用组件必须沿哪条路径移动到表面以获得最佳的漆面-这被称为自动路径生成。它还决定了喷涂应用组件必须如何转动，以及精确应用适量油漆所需的速度而实现智能喷涂.第13页共49页1.6喷涂机器人选型本课题的自动喷涂平台采用ABBIRB2600工业机器人，它定位精度搞，空间自由度也能符合作业要求.ABB机器人新型产品IRB2600的诞生标志着ABB中型机器人家族的进一步壮大。IRB2600家族包含3款子型号，荷重从12kg到20kg，该家族产品旨在提高上下料，物料搬运，弧焊以及其他加工应用的生产力。主要特征及用途：灵活的安装方式：包括落地安装、斜置安装,壁挂安装,倒置安装以及支架安装,有助于减少占地面积以及增加设备的有效应用.这些特点使工作站的设计更具创意，并且优化了各种工业领域及应用中的机器人占地面积。三款子型号：其中两款为短臂型（臂长：1.65m),有效荷重分别为12kg,20kg；一款为长臂型(臂长：1.85m)有效荷重为12kg。精度至高，操作速度快，废品率更低，精度为同类产品最高。周期至短，节拍时间与行业标准相比可缩减多达25%。范围超大，IRB2600工作范围超大，图1.5所示。防护最佳，ABB工业机器人防护计划之周全居业内领先水平。IRB2600标准型达到IP67防护等级，另有铸造专家2型、铸造权威2型和洁净室版本等三款升级机型可供选择。图1.5IRB2600工业机器人工作空间等级为IP54；都有六个轴（Axis），各轴的定义如下图1.6：第13页共49页第14页共49页图1.6IRB2600工业机器人各轴的定义1）A轴（也称为1轴）,可以让机器人在与底盘平行的方向旋转；2）B轴（也称为2轴）,可以让机器人在垂直于底盘的方向前后运动；3）C轴（也称为3轴）,可以让机器人的手臂上下运动；4）D轴（也称为4轴）,可以让机器人的手臂旋转运动；5）E轴（也称为5轴）,可以让机器人的工具盘上下运动；6）F轴（也称为6轴）,可以让机器人的工具盘沿手臂的中心线做旋转运动1.7IRC5型控制器ABB机器人的控制系统称为IRC5系统，IRC5包含以下部件：主电源、计算机供电单元、计算机控制模块（计算机主体）、输入/输出板、Customerconnections（用户连接端口）、FlexPendant接口（示教盒接线端）、轴计算机板、驱动单元（机器人本体、外部轴）。如下图1.7所示。图1.7IRC5控制柜内部安全控制板：控制柜操作面板上的急停开关、TPU上的急停按钮和外部的一些安全信号由安全板处理。轴计算机：它处理机器人当前位置的数据和机器人本体的零位，不保持数据，把处理的数据传给主计算机.I/O供电装置：该装置给I/O单元、用户自定义板供电。驱动装置：驱动装置接收到主计算