噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)─大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)
噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)─大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)─大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),噴涂,機(jī)器人,機(jī)械設(shè)計(jì),系統(tǒng),設(shè)計(jì)
南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程與自動(dòng)化
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
(用外文寫)
外文出處： International Symposium on Robotics
October 7 – 11, 2002
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語：
譯文基本準(zhǔn)確地翻譯出原文的意思，層次清楚，具有條理，語句通暢，大體符合中文的表達(dá)習(xí)慣，翻譯質(zhì)量教好。但是，個(gè)別專業(yè)術(shù)語翻譯不準(zhǔn)，一些句子表達(dá)欠妥。
簽名：
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附件1：外文資料翻譯譯文
多品種小批量生產(chǎn)零件的機(jī)器人自動(dòng)噴漆
摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器和工藝處理能力可全面實(shí)現(xiàn)工業(yè)任務(wù)上的自動(dòng)機(jī)器人編程。本文對歐盟曲面噴涂項(xiàng)目做了闡述，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)生成未知零件噴涂的機(jī)器人程序方法。其解決方案采取了四個(gè)步驟：激光三角法感測，幾何特征檢測，噴槍路徑規(guī)劃，生成無碰撞的可執(zhí)行機(jī)器人程序。在工業(yè)伙伴展示中顯示出了它的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)機(jī)器人編程，特征檢測，軌跡生成，碰撞避免，噴漆
1.引言
歐盟RTD中曲面噴涂項(xiàng)目的目的在于實(shí)現(xiàn)小批量多品種零件噴涂的自動(dòng)機(jī)器人編程。由于機(jī)器人程序是根據(jù)每個(gè)單一品種零件而建立的（使用離線編程/人工示教編程），近來機(jī)器人噴涂在大批量規(guī)模生產(chǎn)上是經(jīng)濟(jì)可行的。該項(xiàng)目的目的是提供在大部分零件（見圖1）的噴涂中使用機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)可能性。其目標(biāo)是要減少近75﹪的人類編程工作和90﹪的人類噴漆工作。
該技術(shù)的挑戰(zhàn)是建立一種可以類似漆工那樣噴涂從未見過的幾何形狀以完成噴涂任務(wù)的方法。一種可能的解決方案是利用CAD數(shù)據(jù)計(jì)算噴涂的路徑并測量實(shí)際的零件位置。然而，三維CAD數(shù)據(jù)往往不充分，因此這種方法只限于少數(shù)的應(yīng)用中使用。曲面噴涂中的“逆算法”已被開發(fā)出，它不需要任何CAD數(shù)據(jù)。
該方法是自動(dòng)從距離傳感口數(shù)據(jù)得到機(jī)器人的噴涂路徑并自動(dòng)生成可行的、完整的、可執(zhí)行的機(jī)器人程序。這種方法用來處理廣泛范圍的零配件，例如電機(jī)齒輪、框架零件（車鏡、板、管等）或大型壓縮機(jī)油箱。對于每個(gè)工業(yè)客戶零件系列是已知的（包括多達(dá)70個(gè)變種）。其目標(biāo)是能夠噴涂沿著傳送帶傳送的任何次序零件。該技術(shù)的挑戰(zhàn)是檢測傳送帶上零件的幾何形狀，根據(jù)零件的幾何形狀自動(dòng)推斷出機(jī)器人的噴涂軌跡并自動(dòng)生成無碰撞機(jī)器人程序。
1.1相關(guān)工作
相關(guān)工作是自動(dòng)生成一個(gè)三維噴涂路徑，這已在SmartPainter項(xiàng)目中進(jìn)行了嘗試。噴涂的運(yùn)動(dòng)是通過虛擬地折疊出的被涂曲面而生成的。顯示出噴涂的運(yùn)動(dòng)和折疊后的曲面，讓噴涂的運(yùn)動(dòng)按照這個(gè)折疊曲面而運(yùn)動(dòng)。然而，這種方法只適用于當(dāng)物體3D模型是可以利用的并且物體的曲率相對比較小的情況下。從“先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)”取得的專利技術(shù)采用了二維數(shù)碼照片作為輸入[美國專利 專利號(hào)：US 5429689]。用戶在屏幕上決定采用噴涂三維的位置，然后由機(jī)器人自動(dòng)完成對噴涂軌跡的規(guī)劃。
獲取自動(dòng)刀具的3D路徑第一種方法是由考慮平截面銑削渦輪葉片情況下使用網(wǎng)格單元格的方法而得到的。
2.曲面噴涂方法
曲面噴涂方法的建立基于以下觀察，即對于整個(gè)產(chǎn)品系列零件由大量帶典型特征的初等幾何元素形成。例如肋板結(jié)構(gòu)（冷卻肋板），圓柱形表面（典型的如馬達(dá)）和腔體（典型的如空心結(jié)構(gòu)或要獲取剛度結(jié)構(gòu)）。另一種類型的表面，例如后視鏡的表面。這些表面是自由過渡的光滑表面，而且很難用簡單的幾何屬性表達(dá)，例如圓筒、球形、和箱體。根據(jù)初等幾何，這項(xiàng)技術(shù)目標(biāo)變成了指定這些初等幾何用于幾何方法檢測，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的可開發(fā)，在應(yīng)用中見到的各種幾何包含在初等幾何中。
初等幾何類型的技術(shù)參數(shù)是根據(jù)觀察到的零件幾何結(jié)構(gòu)和噴涂過程中的約束來確定的。其主要思想是檢測噴涂過程中的初等幾何使其可以鏈接到一個(gè)特定的工藝模型。例如平幾何的表面可以用簡單的直線模式進(jìn)行噴涂。更為復(fù)雜的幾何形狀，例如腔體或肋板狀物需要特定的噴涂方法，噴涂腔體和噴涂與肋骨取向平行的要分開來。
初等幾何類型在幾何庫中已定義并且與工藝庫中規(guī)定的工藝知識(shí)有關(guān)。完整的曲面噴涂方法如圖2所示。接下來的章節(jié)將概述其主要組成部分。
2.1用激光三角測量傳感器的零件測量
當(dāng)工件在傳送帶上運(yùn)動(dòng)，激光測距傳感器裝置掃描零件并獲得該對象的三維測量點(diǎn)數(shù)據(jù)。掃描由輸送機(jī)的實(shí)際零件的運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)（見圖3）。對于大小為一米的零件，獲得了高于一毫米的分辨率。它采取了高達(dá)700每秒的掃描速度。如圖4所示，這是通過標(biāo)定取得的。
往往一些零件是安放在框架或墊木上的。這種情況下，框架或墊木被掃描并且從最后的圖像中除去。圖5顯示了一個(gè)例子，零件與框架一起被測量并且零件的數(shù)據(jù)被自動(dòng)提取。對于每一個(gè)檢測的零件，所有其他工藝步驟都是單獨(dú)執(zhí)行的。最后，如果零件相互靠得近，較大機(jī)器人的噴涂運(yùn)動(dòng)是從一次行程噴涂多個(gè)零件而獲得。
2.2特征檢測器
由ACIN開發(fā)的特征檢測器具有使用幾何庫的幾何定義檢測出零件幾何的任務(wù)。輸出是掃描零件使用初等幾何表面的說明。
特征檢測器檢測與噴涂工藝相關(guān)的三種特征：自由曲面、腔體和肋狀部分。傳統(tǒng)的距離圖像處理通常從分割開始。檢測出的特征限于已定義幾何性質(zhì)，如平面或二次曲線。
三種特征的具體幾何特征并不清楚，它們只是用來進(jìn)行特征定義。因此需要一個(gè)通用方法進(jìn)行特征檢測。
圖6總結(jié)了已開發(fā)的圖像處理過程。采用被分割成單個(gè)部分的標(biāo)定圖像并且通過具體過程來檢測三種基本特征，這個(gè)具體過程下面將簡要概述。具體可見參考[8]。
首先腔體和肋骨狀結(jié)構(gòu)被檢測出后，所有剩余的零件表面將被認(rèn)為是自由曲面。腔體被定義為一個(gè)表面點(diǎn)比周圍邊緣（通常意義上的外表面）局部上低的區(qū)域。其挑戰(zhàn)是建立一個(gè)彈健的方法來處理距離數(shù)據(jù)噪音和陰影。
腔體邊緣的檢測精度在某種程度上取決于其分辨率。通過使用插值點(diǎn)法被發(fā)現(xiàn)的腔體還包括傳感器陰影的潛在區(qū)域。這一點(diǎn)對于在噴涂工藝中檢測整個(gè)腔體區(qū)域很重要。腔體然后表示為網(wǎng)格，以涵蓋整個(gè)開放的腔體。圖7顯示了完整零件的網(wǎng)格表示。開放的腔體用黑網(wǎng)表示。網(wǎng)格表示也有它的好處，它可以顯著減少數(shù)據(jù)使噴涂軌跡的自動(dòng)生成速度快。
圖7表明了噪音容錯(cuò)方法的缺陷。最終的網(wǎng)格在表示兩個(gè)套接的腔體之間的直拐角和極窄邊（3像素）上有一定困難。然而改善三角測量凹面區(qū)域的方法已經(jīng)在開發(fā)中。
肋狀部分是用最少數(shù)量等距平行線而定義的。邊緣檢測后，原始的直線段根據(jù)共線性、鄰近性和重疊性分為長線段。使用平行性將這些線進(jìn)行編組。最終，形成所有線段組的特征向量(距離、重疊、長度、線數(shù))，并用來分類肋板結(jié)構(gòu)。圖8給出了一個(gè)分組結(jié)果的例子。
2.3噴涂規(guī)劃器
在接下來的工藝步驟中噴槍的噴涂軌跡是根據(jù)每個(gè)初等幾何計(jì)算而來。鄰近的噴涂行程相連接以獲得更長、更流暢的噴涂軌跡。最終的結(jié)果是一個(gè)完整的噴槍噴涂軌跡。另外生產(chǎn)噴涂軌跡模塊如圖2所示，它指定一個(gè)滿足期望噴涂質(zhì)量的噴槍軌跡。在該模塊中，只有噴槍的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為與工藝質(zhì)量有關(guān)。對機(jī)器人沒有約束，不考慮噴槍和它所工作環(huán)境之間的碰撞。為了規(guī)劃出噴槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)模塊使用了幾何庫和工藝庫。幾何庫為每一個(gè)幾何基元指定了一個(gè)或多個(gè)噴涂步驟，這些步驟可以應(yīng)用于噴涂特定類型的幾何基元。噴涂步驟中指定了如何使噴槍的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)所噴涂表面以獲得良好工藝要求。工藝庫是通過實(shí)驗(yàn)工作建立的。
它的基本思路是為了確保噴涂行程的規(guī)劃連續(xù)地貫穿于整個(gè)零件，即使不同的幾何基元必須沿著這些表面覆蓋,而連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)不能沿著零件表面。該系統(tǒng)將嘗試使用面向少數(shù)主要方向上的較大平面區(qū)域（虛擬表面）去逼近曲面模型的三角曲面。圖9顯示了一個(gè)由不同規(guī)格的三角形曲面構(gòu)成的變速箱幾何模型。
在圖10中，曲面是近似曲面，并且曲面被劃分為虛擬曲面。噴涂步驟的執(zhí)行與這些虛擬曲面有關(guān)。每一個(gè)虛擬曲面只代表一種類型的幾何基元，相同的噴涂步驟因此可以使用于整個(gè)零件表面。如果不同的幾何基元隨著表面呈現(xiàn)出來，系統(tǒng)將會(huì)嘗試去建立連續(xù)噴槍運(yùn)動(dòng)覆蓋虛擬曲面，而這些虛擬曲面彼此相互連續(xù)。噴槍的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)噴涂路徑而指定的，例如圖11中的說明。
通過這個(gè)和圖10所示，可以看出噴涂路線遵循指定方向和虛擬曲面的平面位置。噴涂工藝指定了執(zhí)行多少必須沿著噴涂路徑噴涂行程，并指定了哪些噴涂參數(shù)應(yīng)用于這些沖程中的每一個(gè)行程。
4.結(jié)論及展望
一種對系列化未知零件的自動(dòng)噴涂方法已被提出。這種方法在噴涂單元的前面使用了傳感單元，而噴涂單元處可以獲得零件的幾何形狀。從零件的幾何特征提取出工藝相關(guān)特征，找出相應(yīng)的噴涂路徑，分組得到最優(yōu)噴涂軌跡。最終生成無碰撞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和可執(zhí)行機(jī)器人程序。
所有的步驟都是自動(dòng)的，不需要任何操作人員的干預(yù)。個(gè)性化的工具（特征檢測器、軌跡規(guī)劃器、噴槍規(guī)劃器）存在于原型版本中。在工業(yè)客戶中的首次實(shí)施表明了該方法是可行的。掃描零件，自動(dòng)生成機(jī)器人程序，使用常規(guī)的微機(jī)技術(shù)其速率為每分鐘一個(gè)零件。
目前只有凸形零件可以自動(dòng)噴涂，盡管L形零件也可以。復(fù)雜凹形結(jié)構(gòu)，例如圖15中載重汽車的地盤是不能夠自動(dòng)噴涂的。
人們計(jì)劃提高曲面噴涂工藝，即使用機(jī)器人內(nèi)置式傳感器掃描用固定傳感器而不能看見的零件部分。另一個(gè)拓展將會(huì)用于實(shí)施“示教”除已有幾何特征的其它特征。
盡管該項(xiàng)目主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂，但提出來的“逆向法”可以應(yīng)用于在表面處理領(lǐng)域上的大范圍工藝中獲取工藝運(yùn)動(dòng)。這種方法有望應(yīng)用的工藝?yán)佑校悍勰﹪娡?、液體洗滌和清洗（包括高壓清洗）、物理接觸式洗滌和清洗工具與零件之間的部分、脫脂、噴砂、拋光、密封、研磨、去毛刺和膠合。
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