港口機械大車行走機構機器人自動噴涂研究

王傳存

上海振華港機重工有限公司

1 引言

隨著“工業4.0”概念的提出,使用機器人對港口大型裝備進行自動化噴涂成為必然趨勢[1]。目前,噴涂機器人采用的編程方式主要有在線示教編程和離線編程[2]。這2種編程模式在自動噴涂的應用中存在著工作柔性差、編程工作量大等諸多局限性,不能適應自動化噴涂。

港機大車行走機構主要由大中小平衡梁、臺車架及輪軸組件組成。如岸邊集裝箱起重機大車行走機構運行時的行走誤差為毫米級,各項生產工藝技術尤為重要。港機工作在碼頭沿海區域,空氣濕度大,含鹽成份高,容易造成產品的腐蝕[3],因此產品的噴涂工藝十分重要,需要采用重型防腐油漆進行噴涂,要求總漆膜厚度要達到320 μm。

以大車行走機構平衡梁為目標進行機器人自動化噴涂的研究,并設計一整套的噴涂系統,包括自動掃描、自動建模和編程以及自動噴涂作業。

2 系統設計

為了滿足大車行走機構的自動化噴涂,其系統的基本操作流程為:

(1)工件在掃描建模室經過機器人激光掃描后,通過無線網絡將掃描數據輸送到軟件。

(2)軟件系統根據數據進行自動化建模,生成點云模型。

(3)根據生成的模型,開始計算工件的位置以及空間數據坐標點,自動進行軌跡規劃,生成噴涂機器人程序文件。

(4)根據生成的程序文件,控制噴涂機器人自主完成噴涂作業。

圖1是機器人自動化噴涂系統流程圖。整個噴涂系統主要分為2個工作室,分別是掃描工作室和噴涂工作室。數據的收集、模型的建立,軌跡規劃以及程序的生成主要在掃描工作室完成,噴涂工作室主要負責噴涂的現場工作。

圖1 機器人自動化噴涂系統流程圖

3 自動掃描

3.1 掃描設備

行走機構的大平衡梁結構包含上翼板、下翼板、兩側腹板、兩端封板,以及畸形附屬件,需選擇能夠識別出板件外部形狀的掃描設備。本研究采用的是一種自動化光學三坐標掃描儀,它的掃描質量和分辨率較高,而且視角大,掃描速度較快,能夠有效解決掃描問題,并保證理想的測量精度和速度,用途廣泛且操作簡單。

3.2 數據的獲取

通過用空中積放鏈將工件由外部輸送到掃描建模室,停止在掃描建模室工件掃描的起始點,2臺機器人激光掃描儀將會同時開始掃描,掃描的工作環境需要提前預設在機器人激光掃描儀里。掃描所得的產品外表面的形狀和尺寸將會通過無線網絡傳送給雙攝像頭傳感器,進而把這些數據傳遞給軟件系統進行三維點云模型的處理。在相應的操作終端上可以通過具體的操作指令來查看、訪問和下載數據文件。

4 自動建模與編程

開發人機互動界面,在軟件中設計建模的數據庫,并編寫模型的關鍵參數函數。根據掃描獲得的數據,將在軟件中自動生成三維點云模型。同時,在生成點云模型圖時,軟件可對獲得的數據自動進行簡單的去噪,去除部分離群的散點,使生成的點云圖像更加平滑;也可以手動進行噪點的去除,從而使模型達到更加精細的程度。系統自動生成的點云模型見圖2。

圖2 三維點云模型圖

軟件程序內部的編程文件會自動計算出各個面的噴涂軌跡,然后整合到生成的點云模型上(見圖3)。也可以根據導入的模型,幫助測試生成所需的噴涂路徑,進行更好的路徑規劃。

圖3 自動生成的軌跡圖

根據噴涂的經驗,進行相關參數的微調,獲得更加良好的噴涂效果,具體參數設置見表1。最后自動生成機器人能夠識別的程序文件,傳輸給機器人完成自動化噴涂作業。

表1 噴涂設置具體參數值

5 自動噴涂

噴涂機器人采用經濟型的噴涂機器人,采用的正交式球形手腕結構,負載大、剛性大、工作范圍大。機器人內部含有噴涂軟件包,內置外圍設備I/O點,易于集成,編程簡單。

將自動生成的程序指令傳遞給噴涂機器人,可控制2臺機器人進行協調工作。對于行走機構這種對稱型的表面,2臺噴涂機器人較容易進行協調運作。對于非對稱性結構,在自動化噴涂過程中,2臺噴涂機器人的協調工作將不會那么明顯,更加偏于獨立工作。

在噴涂過程中,為防止A、B 2臺機器人作業過程中相互影響,將工件按長度方向分為2個區域,每個區域分成約12 000 mm左右的噴涂寬度,實現機器人的錯位噴涂。

懸掛的工件按照預設的程序,步進式前進,當工件到達預設位置后,A機器人從前到后進行噴涂,B機器人從后到前進行噴涂。2個區域噴涂結束后,工件繼續向前移動一定的距離,機器人將繼續在新的噴涂區域進行噴涂工作,最終多個區域與軌跡的拼接將會和原先規劃的點云模型和軌跡重合。

在噴涂過程中,可以查看機器人的坐標信息,也可以通過手動操作的模式,使得機器人獲得更高的精度和噴涂效果。機器人的操作界面見圖4。

圖4 機器人操作界面

6 結語

針對港機大車行走機構的機器人自動化噴涂系統進行了初步的研究試驗。該系統設計能夠基本滿足噴涂工作的正常要求,并且各方面的噴涂效果良好,可為未來更加智能化的噴涂系統的設計提供參考依據。