不一樣的高鐵噴涂工——基于視覺的膩子自動噴涂系統(tǒng)

隨著我國高鐵技術(shù)的飛速發(fā)展，動車組列車運營數(shù)量越來越大，加之"一帶一路"戰(zhàn)略的推進(jìn)，國內(nèi)外各大中城市對高鐵的需求隨之迅速增加，同時對高鐵等軌道客車制造業(yè)的先進(jìn)制造技術(shù)提出了更高的要求，要求產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，制造過程更加綠色環(huán)保、制造效率更高，外形更加美觀等。

以往的膩子施工包括高鐵的膩子主要采用人工刮刷的方式，但手工刮刷依賴于工人的經(jīng)驗及狀態(tài)，對涂層厚度和均勻度難以保證，對于表面缺陷修復(fù)平整度很難定量評估；而且涂料往往包含大量有機(jī)溶劑及有毒性的低分子助劑，對噴涂工人的身體健康有危害。

下面，小編就來和大家介紹一下由清華大學(xué)天津高端裝備研究院機(jī)器人與自動化裝備工程研究所（以下簡稱"機(jī)器人所"）科研人員研發(fā)的基于視覺的膩子自動噴涂系統(tǒng)。

如何實現(xiàn)自動噴涂？

基于視覺的噴涂系統(tǒng)會為噴涂工作帶來哪些改變？

相較于傳統(tǒng)噴涂工藝優(yōu)勢何在？

接下來就請大家一起來認(rèn)識下

基于視覺的膩子自動噴涂系統(tǒng)吧~

科技研發(fā)

機(jī)器人所自主研發(fā)的基于視覺的膩子自動噴涂系統(tǒng)通過使用自動化及智能化的技術(shù)和設(shè)備，采用噴涂工藝替代原有的刮刷模式，可顯著提高效率和表面漆面質(zhì)量，有效規(guī)避人工作業(yè)所帶來的一系列問題。系統(tǒng)自動化和智能技術(shù)高度集成，整個噴涂過程中，缺陷識別、定量檢測、噴涂軌跡規(guī)劃及噴涂作業(yè)均無人工干預(yù)，應(yīng)用前景及未來需求市場十分廣闊。

應(yīng)用場景和典型指標(biāo)

系統(tǒng)適應(yīng)的工作對象為（3~3.5m）(L)* （3~3.5m）(H)的車體試驗件，鋁合金（或不銹鋼）材質(zhì)；在垂直車體表面深度方向上，測量數(shù)據(jù)的精度不低于0.1mm；在平行于車體表面方向，測量數(shù)據(jù)至少可檢測出深度大于0.5mm，且直徑大于100mm的凹陷區(qū)域并自動識別修補(bǔ)，測控一體化。

主要組成部分

自動化膩子噴涂系統(tǒng)

聯(lián)動控制的水平垂直運動軸

側(cè)墻輪廓激光掃描系統(tǒng)

輕量化防爆噴涂機(jī)器人

智能化離線編程系統(tǒng)

開源機(jī)器人控制系統(tǒng)

其中機(jī)械本體全部自主全新設(shè)計，包含直線運動軸、視覺相機(jī)基礎(chǔ)框架及輕巧噴涂機(jī)械臂。直線運動軸噴涂機(jī)械臂采用5軸形式，通過優(yōu)化設(shè)計關(guān)節(jié)軸布局，不僅減少了關(guān)節(jié)數(shù)量，而且使得噴涂手臂的重量更輕、外形尺寸更小，從而能夠更靈活地進(jìn)入狹小空間中進(jìn)行噴涂作業(yè)，且整體系統(tǒng)作業(yè)范圍更寬廣、更靈巧。機(jī)器人控制器采用開源算法技術(shù)，根據(jù)自身系統(tǒng)特點進(jìn)行了深度定制和開發(fā)。

基于機(jī)器視覺的動車車體表面凹坑識別測量系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)動車車體表面膩子噴涂領(lǐng)域中的車體表面凹坑識別及曲面重建功能。該系統(tǒng)主要由四臺激光輪廓傳感器等組成，系統(tǒng)主要功能包括：點云數(shù)據(jù)采集及拼接、三維重建、基面提取及瑕疵點檢測、坐標(biāo)變換等。

核心技術(shù)介紹

一、視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)用于實現(xiàn)車體表面三維形貌數(shù)據(jù)采集、三維重建、表面瑕疵點檢測及視覺系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)的坐標(biāo)統(tǒng)一。

采用3D輪廓儀對車體表面進(jìn)行掃描，有效地實現(xiàn)了車體表面形貌數(shù)據(jù)的采集，但由于車體試驗件尺寸大且存在大弧度等特征，由視覺傳感器獲得的點云數(shù)據(jù)量大，且存在重疊，如何從大量點云數(shù)據(jù)中，提取車體基面，進(jìn)而提取出表面的瑕疵點成為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。

凹坑提取

點云分塊處理，基于隨機(jī)采樣一致性進(jìn)行基面提取，同時將局外點保存，所有區(qū)域處理結(jié)束后，對局外點進(jìn)行聚類及深度、直徑等分析，提取符合要求的凹坑。

三維重建

多臺傳感器串聯(lián)及傳感器校準(zhǔn)，實現(xiàn)傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)一，進(jìn)而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼接，平面及圓柱面實時提取，實現(xiàn)多類表面三維重建。

本系統(tǒng)采用多臺傳感器串聯(lián)的形式，實現(xiàn)大范圍三維形貌測量，借助標(biāo)定桿及校準(zhǔn)程序?qū)崿F(xiàn)多臺傳感器的坐標(biāo)系校準(zhǔn)統(tǒng)一，并通過解算傳感器坐標(biāo)系與外部軸的位置關(guān)系，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼接。

同時基于PCL（Point Cloud Library）點云數(shù)據(jù)庫，采用點云數(shù)據(jù)分段處理的方法及隨機(jī)采樣一致性的思想，進(jìn)行車體基面提取，在此基礎(chǔ)上，對分段提取出的瑕疵點進(jìn)行聚類并分析整合出需要噴涂修補(bǔ)的缺陷模型，為軌跡規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

二、機(jī)器人控制系統(tǒng)

自主設(shè)計基于高速總線的分布式控制體系，與機(jī)器人控制系統(tǒng)、離線編程軟件及監(jiān)控軟件進(jìn)行以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信與控制，與膩子噴涂系統(tǒng)以專用連接方式進(jìn)行信號交互和控制。系統(tǒng)技術(shù)可對視覺系統(tǒng)、膩子噴涂系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、離線編程軟件進(jìn)行實時監(jiān)視和控制，提供參數(shù)調(diào)節(jié)、模型匹配、智能優(yōu)化等重要算法、控制功能。

三、基于噴涂模型的自動軌跡規(guī)劃工藝執(zhí)行技術(shù)

在基于視覺系統(tǒng)得到的的凹陷輪廓點云信息，通過點云切片技術(shù)得到每層噴涂膩子的外圍輪廓，通過輪廓偏置得到每層要噴涂的輪廓，再通過輪廓填充技術(shù)得到噴涂路徑與工藝參數(shù)。最后利用旅行商問題模型優(yōu)化噴涂算法路徑輸出數(shù)據(jù)代碼?？梢愿鶕?jù)生成的代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器人語言供機(jī)器人調(diào)用執(zhí)行。

適應(yīng)高粘度的漿狀噴涂用膩子的工藝執(zhí)行系統(tǒng)，可根據(jù)不同場景、依據(jù)設(shè)備參數(shù)，建立相應(yīng)的缺陷模型類庫；能夠根據(jù)點云數(shù)據(jù)，在典型缺陷模型庫內(nèi)匹配，生成噴涂工藝參數(shù)，輸出執(zhí)行代碼。具有自適應(yīng)的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)能力。

1.適用性廣，可應(yīng)用于多種材質(zhì)表面的自動三維重建及缺陷檢測和工藝規(guī)劃，實現(xiàn)了高粘度膩子特種噴涂。

2.提高系統(tǒng)自動化及智能化，改變現(xiàn)有人工識別的方式，整個識別、檢測、噴涂軌跡規(guī)劃及噴涂作業(yè)均無人工干涉，提高了系統(tǒng)的集成性及智能化水平。

3.基于精巧設(shè)計的機(jī)械本體，實現(xiàn)了缺陷自動識別和修補(bǔ)，各子系統(tǒng)高度融合，自動實現(xiàn)需求流程。

4.測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要在被測物表面粘貼標(biāo)志物，即可實現(xiàn)表面數(shù)據(jù)拼接，適用于噴涂及其他行業(yè)。

5.用戶界面友好、簡潔，基于模型的參數(shù)化設(shè)置，不需要具有特殊專業(yè)技能的人員使用。

6.使用自主設(shè)計集成控制系統(tǒng)和膩子噴涂機(jī)器人完成"缺陷噴涂"工藝實現(xiàn)。

提高施工效率

采用人工作業(yè)方式，一節(jié)車廂需要12人3天完成，使用自動化噴涂設(shè)備后，人員減少至兩人，3個小時即可完成，生產(chǎn)效率是人工的90倍。

降低原料損耗

使用連續(xù)自動噴涂至少可節(jié)約10%-20%的原材料損耗。

降低費用成本

降低人員使用數(shù)量，大幅降低人工成本，按相同產(chǎn)能計算，使用自動化噴涂設(shè)備，每年可為企業(yè)節(jié)約原有人工成本的50%。

提升競爭力

對于缺陷填充、大面積膩子噴涂需求的企業(yè)，可顯著提升企業(yè)裝備智能化程度，改善作業(yè)環(huán)境，提高企業(yè)競爭力。