基于多机器人协作和视觉技术的智能喷涂工作站设计

0引言

工业机器人凭借着通用性强、灵活性高、可编程等优点,在中国智能制造领域占据着举足轻重的地位,但很多情况下,单纯地通过示教点位手动编程喷涂,不仅操作复杂烦琐,而且耗时较长。尤其是在工业机器人传统喷涂行业^[1],当待喷工件的类型更换后或喷涂位置发生改变时,需要重新示教喷涂轨迹,大大降低了自动化应用效率。而通过工业相机拍照获取图像,利用搬运机器人和喷涂机器人进行多机器人协作,并根据视觉系统处理的喷涂轮廓坐标完成智能化喷涂,比较传统示教喷涂方式,提高了工业生产效率且具有实用价值^[2]。

1 喷涂工作站总体方案设计

喷涂工作站需实现以下功能:搬运机器人从待喷涂区取料,到达相机拍照区,等待视觉系统采集图像,并对喷涂图案进行预处理,输出喷涂坐标给喷涂机器人。喷涂机器人完成喷涂后,搬运机器人将加工好的成品搬运放置于成品区,完成周期性循环。

根据以上需求,硬件选型如下:

工业相机选用海康威视MV—CAD60—11GM,该相机为基础型面阵相机,噪点较低,图像质量优异,最高帧率可达17 fps。

喷涂机器人选用IRB52—12—700—1005。该款机器人被称为“紧促型喷涂专家”,其体型小,工作范围大,柔性与通用性强,能减少涂料消耗。

搬运机器人要求时间节拍短且稳定,能与喷涂机器人完美协作,选用IRB2800ID—8—200。该型号工业机器人有较大的载荷能力,能最大限度缩短时间节拍,提高上下料效率,提高综合作业的产能。

搬运机器人与喷涂机器人均为中型机器人,负载相对较大,均选用标准型控制柜。两台机器人协同工作,工作区域有部分重叠,为确保安全,均需开通608—1 worldzones区域监控功能选项,该选项可以安全监控并消除两台机器人相撞的可能性。

机器人输入、输出信号较多,如安全监控信号、传感器检测信号、吸盘开关信号、喷枪开关信号等。搬运机器人均为数字量输入、输出,选取DSQC652IO板卡,该板卡有16路数字输入、16路数字输出。喷涂机器人涉及模拟量输出控制,如喷涂流量控制为模拟量输出控制,选取DSQc651IO板卡,该板卡有8路数字输入、8路数字输出、2路模拟量输出。

喷涂机器人需开通616—1 PC Interface选项,该选项是ABB工业机器人使用Socket通信的前提,它允许机器人系统通过TCP/IP网络协议在各台计算机之间传输应用数据,从而实现机器人系统与视觉系统的通信,传递喷涂轨迹信息。

本工作站是由视觉系统进行喷绘轮廓识别,生成喷涂坐标,喷涂机器人根据坐标数据,实现智能化喷涂。考虑到喷涂要求视野好,识别范围广,光源环境稳定,相机为固定安装,不跟随机器人TcP (Tool centerPoInt,工具中心点)运动。机器人有一定的工作空间,超出工作空间机器人系统会报限位或者轴配置错误,影响正常的生产节拍。因此,需进行空间布局验证,以便机器人顺利到达各个取料和放料位,并顺利完成喷涂工作。喷涂系统总体方案及工作空间验证如图1所示。

2喷涂工作站视觉系统设计

当搬运机器人将待喷涂广告牌搬运至喷涂区时I机器人系统发出拍照信号给视觉系统I触发相机拍照I相机拍照采集图像。

opencv是一个跨平台计算机视觉和机器学习软件库。视觉系统采用Python语言I并调用opencv等库文件。当工业相机拍照采集到图像后I运用opencv将彩色图像进行灰度化等预处理I获取图像轮廓及其几何特征信息。

识别的图像轮廓返回到轮廓数组contours。由于喷涂每一条轮廓之后喷涂机器人需关闭并抬起喷枪,故需记录总线条数和每一条轮廓内有多少个点;每一个contours元素中包含一条轮廓所有点的x、y像素坐标,按照顺序每10个像素记录一个点。数据转换处理后存储在array数组中,通过socket通信发送给机器人。喷涂工作站视觉系统流程如图2所示。

3喷涂工作站机器人系统设计

喷涂工作站机器人系统,第一步,需先判断两个机器人的工具坐标原点是否在各自的pHome点;第二步,搬运机器人移动至取料区取待喷涂品,放置在喷涂位置上;第三步,触发相机拍照,视觉系统将喷涂轨迹信息发送给喷涂机器人;第四步,喷涂机器人根据视觉系统发来的信息完成喷涂后回到初始位置;第五步I搬运机器人将喷涂完成品从喷涂区取料到喷涂成品放置区I完成周期性循环。整个喷涂工作站机器人系统工作流程如图3所示。

机器人程序设计采用了主程序调用子程序的方式进行编程设计。根据流程图规划I添加了rInitialize初始化程序、pHome点判断程序、取放料程序、安全区域监控程序、节拍测试程序以及合理的写屏与人机交互程序。部分关键性程序如下:

1)PROC Main()

2)rInitialize;\\初始化

3)wHILEDo5-safety=1 Do

4)waitsyncTasksync1,task-list-2-1;\\搬运机器人通信

5)rclinent;\\相机通信

6)rcalculate;\\喷绘点位计算

7)rPengtu;\\喷涂

8)MoveJ pHome-1,Max-speed,z50,pengqiang-2\wobj:=wobj0;\\回安全点

9)waitsyncTasksync2,task-list-1-2;\\搬运机器人通信

10)ENDwHILE

11)ENDPRoc

4喷涂工作站系统调试及验证

4.1视觉处理及输出

搬运机器人将待喷涂件搬运到喷涂位置,拍照信号触发,喷涂的图案传到视觉系统中做预处理,灰度化处理和预处理完成图像如图4所示。

图片预处理后识别轮廓,输出像素坐标值传递给机器人系统。

4.2机器人智能喷涂仿真调试

基于Robotstudio软件开启机器人socket通信,进行smart组件仿真时,视觉系统IO信号连接smart组件系统IO信号,smart组件系统IO信号再与机器人系统的IO信号进行连接,从而实现视觉系统IO信号与机器人系统IO信号的连接,再进行仿真调试验证。

仿真调试实现如图5所示,搬运机器人从半成品区取待喷涂品,稳定地放置在待喷涂区,相机完成拍照,将视觉数据传递给喷涂机器人,喷涂机器人完成喷涂后,搬运机器人将喷绘好的成品搬运至成品区广告牌放置架上,以此类推,实现周期性循环。

5 结束语

本文针对传统的喷涂工作站操作烦琐且耗时较长、效率较低问题进行改进和创新,基于搬运机器人和喷涂机器人协作并融合视觉技术,能快速识别喷涂轨迹并进行喷涂作业,摆脱了传统喷涂方式的桎梏,实现了智能化高效率的生产。

[参考文献]

[1]万燕英.喷涂机器人轨迹编程技术综述[J].科技资讯,2024,22(3):39-42.

[2]訾斌,潘敬锋,李元,等.智能喷涂机器人编程方法与遥操作技术研究综述 [J].控制与决策 ,2025,40 (4):1057-1078.

《机电信息》2025年第14期第15篇