智能化噴涂機器人的研究現(xiàn)狀及進展

王豐超 王立平 梁新成 趙景山 仇云杰

(1.上海飛機制造有限公司,上海 200436;2.清華大學(xué)機械工程系,北京 100081;3.江蘇長虹智能裝備集團有限公司,江蘇鹽城 224051)

智能化噴涂機器人的研究現(xiàn)狀及進展

王豐超1王立平2梁新成2趙景山2仇云杰3

(1.上海飛機制造有限公司,上海 200436;2.清華大學(xué)機械工程系,北京 100081;3.江蘇長虹智能裝備集團有限公司,江蘇鹽城 224051)

噴涂機器人作為一個復(fù)雜的集成系統(tǒng),需要計算機科學(xué)、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科支撐,是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志?；仡櫃C器人的發(fā)展歷史,解決應(yīng)用中出現(xiàn)的難題,爭取早日實現(xiàn)航空制造領(lǐng)域噴涂機器人的產(chǎn)業(yè)化。

噴涂機器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 控制 優(yōu)化

噴涂機器人是一種主要用于表面涂覆工作的特殊機器人,是機器人技術(shù)和表面噴涂工藝相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。噴涂機器人能滿足環(huán)保、效率和柔性生產(chǎn)的需要,因而在現(xiàn)代化的噴涂線上有望全部替代人工操作[2]。涂層的厚度、均勻度、光澤度和豐滿度等是評價涂裝表面質(zhì)量的重要指標。而在航空領(lǐng)域,特別是飛機表面的涂裝,則對厚度和均勻度提出了更為嚴格的要求[3]。噴涂機器人容易滿足安全環(huán)保、高效和高質(zhì)量的噴涂要求,是未來自動化涂裝發(fā)展的必然趨勢[4]。對噴涂機器人的技術(shù)發(fā)展進行回顧,探究應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,有助于早日實現(xiàn)航空制造領(lǐng)域噴涂機器人的產(chǎn)業(yè)化。

1 噴涂機器人的發(fā)展簡史與現(xiàn)狀

噴涂機器人作為特殊的工業(yè)機器人,除了能極大降低工人的勞動強度和改善工作環(huán)境外,還具有如下的特點:(1)軌跡靈活,位置控制精確,涂膜厚度均勻;(2)柔性大,適用范圍廣;(3)易于操作和維護,可離線編程,大大縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間;(4)設(shè)備的利用效率高。

在國外,機器人噴涂已經(jīng)成為一項比較成熟的技術(shù),有著三十多年的研究和發(fā)展歷史。目前,國外尤以噴槍的建模分析和軌跡優(yōu)化的研究居多。1986年,Klein首次探討了噴涂機器人的離線編程技術(shù),建立了噴涂離線編程系統(tǒng),并能進行交互式設(shè)計和噴槍仿真與機器人的運動軌跡分析[5]。1999年,Balkan等人用實驗方法建立了涂料的分布方程,在此基礎(chǔ)上探討了噴槍模型在平面上的軌跡優(yōu)化方法,并完成了實驗研究[6]。Hansbo等人針對旋轉(zhuǎn)物體熱噴涂機器人噴涂時的涂料累積模型進行了機器人運動軌跡優(yōu)化分析,并進行了實驗驗證[7]。Vejko等人以降低涂料浪費和電機負載為目標,在保證噴涂質(zhì)量的前提下對相關(guān)的參數(shù)進行了優(yōu)化[8]。2001年,Arikan等人開發(fā)了一種噴涂機器人離線編程系統(tǒng),實現(xiàn)了在線控制涂層厚度[9]。2005年,Sheng等人提出了復(fù)雜自由曲面上噴涂機器人噴槍路徑規(guī)劃方法,通過建立優(yōu)化目標函數(shù)來優(yōu)化噴涂機器人噴槍路徑模式及行走方向[10]。Chen等人首次提出復(fù)雜曲面噴槍軌跡組合優(yōu)化時的涂層干涉問題,并通過仿真數(shù)據(jù)討論了解決方案[11]。Duncan等人在空間頻域的方法上給出了噴涂時路徑間距的優(yōu)化方法[12]。2009年,C h e n等人將基于曲面C A D模型的噴涂機器人軌跡規(guī)劃方法與Atkar的方法進行比較,討論了兩種方法的優(yōu)缺點[13]。2010年,Gyorfi等人考慮到噴槍路徑規(guī)劃時的約束問題,用遺傳算法和圖搜索方法實現(xiàn)了方案優(yōu)化[14]。

國內(nèi)的噴涂機器人近年來也有了長足的發(fā)展。1991年,北京機械工業(yè)自動化研究所完成了我國第一條自動噴涂生產(chǎn)線,還開發(fā)了PJ系列電液伺服噴涂和EP系列的電動噴涂機器人。國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué),南京理工大學(xué)等高校都開發(fā)出了噴涂機器人,但尚未形成批量生產(chǎn)的能力[15]。

國內(nèi)的噴涂機器人研究成果主要集中在兩個方面:(1)噴涂機器人的構(gòu)型、運動學(xué)和動力學(xué)分析。(2)噴涂機器人的軌跡規(guī)劃和運動仿真等問題。彭商賢等人對噴涂機器人的手臂靜動特性進行了研究[16]。王戰(zhàn)中等人對非球形手腕6R串聯(lián)噴涂機器人采用矩陣方程和方向余弦進行了逆運動學(xué)分析[17]。杜亮等人對噴涂機器人的各關(guān)節(jié)和噴槍之間的關(guān)系進行了計算,并對機器人的結(jié)構(gòu)進行了分析[18]。趙德安等人根據(jù)復(fù)雜曲面分片交界處噴槍空間路徑相對于交界線的三種位置關(guān)系,探討了涂層厚度計算方法和噴槍軌跡優(yōu)化問題[19]。范柯靈等人采用攝動法分析了機器人的位姿誤差[20]。曾勇等人提出了最小二乘圓弧逼近思想,在保證噴涂精度的同時有效減少了復(fù)雜曲面的分片數(shù)[21]。陳偉華等人利用拋物線逼近法也對噴槍軌跡優(yōu)化問題進行了研究[22]。蔡蒂等人使用蒙特卡洛法對機器人的工作空間進行了分析和仿真[23]。國內(nèi)的其他學(xué)者還對涂層的厚度、均勻性等進行了研究[24]。

2 未來噴涂機器人發(fā)展的趨勢和市場需求分析

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,噴涂的數(shù)字化已經(jīng)成為現(xiàn)代噴涂技術(shù)的發(fā)展趨勢。噴涂的數(shù)字化就是綜合利用三維CAD技術(shù)、可視化技術(shù)、離線編程技術(shù)等先進的數(shù)字化技術(shù)來提高噴涂的自動化程度、噴涂質(zhì)量、噴涂效率、改善噴涂的工作條件[25]?；谥圃鞓I(yè)面臨的挑戰(zhàn),噴涂機器人未來的研究重點主要包括:

(1)機構(gòu)創(chuàng)新理論。不斷由串聯(lián)機構(gòu)向并聯(lián)和復(fù)合式機構(gòu)等新機構(gòu)構(gòu)型延伸,增強機器人的運動靈活性、模塊化和重構(gòu)特性,適應(yīng)制造業(yè)的小批量多品種;

(2)先進控制理論。噴涂機器人越來越多地被用于復(fù)雜曲面噴涂,要實現(xiàn)高效、高質(zhì)量噴涂,需要先進的控制理論做支撐。此外,國際上的機器人已經(jīng)進入以智能化為標志的第3代,更需要先進的控制理論。

(3)新型傳感器技術(shù)。目前噴涂機器人已經(jīng)使用了多種傳感器,但是要實現(xiàn)多傳感器的信息融合還比較困難。

(4)網(wǎng)絡(luò)化。未來工廠的發(fā)展趨勢是無人化,要實現(xiàn)對噴涂機器人的監(jiān)控、遠程診斷和機器人之間的工作協(xié)調(diào),就需要實現(xiàn)噴涂機器人的網(wǎng)絡(luò)化。

隨著我國制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,以及噴涂機器人功能的日益增強和價格的不斷下降,未來將會有更多的噴涂機器人應(yīng)用到制造業(yè)中。

未來噴涂機器人的一個應(yīng)用熱點是航空航天領(lǐng)域[26],目前公開發(fā)表的文獻中,僅美國將噴涂機器人在飛機上進行了應(yīng)用[27]。數(shù)據(jù)表明,機器人不但噴涂效率高,而且噴涂質(zhì)量穩(wěn)定可靠,尤其能滿足隱形飛機對噴涂的高指標要求。美國Berry等研制的SAFARI系統(tǒng)采用示教方式對F-15進行沖洗和噴涂,僅用10個小時就可以完成所有的工作[28]。B-2轟炸機采用手工噴涂需要10萬小時,F-22采用手工噴涂預(yù)計需要1萬小時,而用機器人噴涂只需要1000小時[29]。F-35飛機使用RCFS和RAFS兩套自動化噴涂系統(tǒng),可以在單日內(nèi)完成全方位噴涂。并且保證噴涂流量的誤差控制在±3%的范圍內(nèi),95%以上的涂層測量點厚度滿足公差要求[28]。美國卡耐基梅隆大學(xué)國家機器人工程中心(NREC)、CTC公司和空軍研究實驗室采用移動式工業(yè)機器人構(gòu)成軍機表面涂層激光剝離系統(tǒng)(如圖1)。該方式既降低了工作量和處理時間,又避免了廢料和空氣污染[30]?，F(xiàn)階段,我國飛機的噴涂還依靠傳統(tǒng)的手工方式進行。為滿足精度控制,往往需要進行額外的打磨和補噴。導(dǎo)致飛機噴涂的勞動強度大、作業(yè)效率低,并且對工人的身體造成較大的傷害。

圖1 美國采用移動式工業(yè)機器人進行飛機噴涂[30]

制造業(yè)中的航空航天設(shè)備,普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高、成本低及重量輕等特點。而航空航天設(shè)備的制造,通常研制周期長,加之更新?lián)Q代快,更適合小批量多品種生產(chǎn)[8]。我國要完成由航空航天大國到強國的轉(zhuǎn)變,就必須邁過飛行器自動噴涂這道坎。因此,未來在航空航天領(lǐng)域?qū)χ悄車娡繖C器人的需求比較迫切。

3 我國噴涂機器人發(fā)展面臨的問題和解決策略

和國外類似,我國的噴涂機器人取得了長足的發(fā)展,但是也存在許多問題。企業(yè)花費巨資進口的噴涂機器人,但其核心技術(shù)嚴格保密,尚未達到最佳的噴涂效果?；趪鴥?nèi)外勞動者生產(chǎn)水平的差異,直接照搬國外的生產(chǎn)線普遍存“水土不服”的問題。一部分代價不菲的進口噴涂機器人往往處于閑置狀態(tài),甚至出現(xiàn)不能正常運行的情況[31]。還有少數(shù)企業(yè)采用機器加人工的半自動噴涂模式。這往往會造成噴涂質(zhì)量不高的現(xiàn)象,也會不可避免地對工人身體造成傷害。因而開發(fā)適合國內(nèi)生產(chǎn)需求的高精度噴涂機器人尤為重要。

國內(nèi)的研究機構(gòu),盡管發(fā)表了高水平的論文和研究成果,也制造出了樣機,但受困于基礎(chǔ)制造業(yè)水平的制約,產(chǎn)品性能無法得到市場認可而難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中最主要的原因是缺乏機器人核心元部件的制造能力。

綜上所述,未來制造業(yè)將更多的依賴高端裝備,制造業(yè)之間的競爭更多的體現(xiàn)在裝備之間的競爭。因而,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、完全適合國內(nèi)企業(yè)需求的噴涂機器人具有重要的戰(zhàn)略意義。解決國產(chǎn)噴涂機器人產(chǎn)業(yè)化的困境,需要從以下3個方面著手:(1)解決國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)化中的瓶頸。近十幾年機器人的發(fā)展過分強調(diào)了系統(tǒng)集成,忽略了關(guān)鍵部件制造技術(shù)的突破,使得制造成本過高;(2)確保國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)化的有序競爭。大量企業(yè)的機器人項目蜂擁而至,造成了市場的惡性競爭,也浪費了研發(fā)經(jīng)費和研發(fā)時間;(3)制定國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)化的中長期發(fā)展戰(zhàn)略。國家應(yīng)該出臺相應(yīng)政策,鼓勵企業(yè)和高校建立產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)盟,結(jié)合國情探索機器人應(yīng)用的新領(lǐng)域和新模式。

4 結(jié)語

高質(zhì)、高效和智能化是噴涂作業(yè)的發(fā)展趨勢,也是數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展要求。智能化主要是指由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對這一個方面的應(yīng)用。我國的噴涂機器人技術(shù)和水平雖然有了很大的發(fā)展,但是與國外的差距較大,尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。未來噴涂機器人需要在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上,不斷提高機器人的應(yīng)用水平和制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型?？梢圆扇〉拇胧┲饕?

(1)在機器人設(shè)計方面,需要依賴企業(yè)和高校的聯(lián)合攻關(guān)實現(xiàn)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的機器人機構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

(2)在機器人制造方面,要以關(guān)節(jié)機構(gòu)、減速機以及伺服電機等關(guān)鍵元件制造和實用化為突破口,掌握核心的機器人技術(shù);

(3)國家和地方政府需要出臺相關(guān)政策,鼓勵和支持企業(yè)、高校和科研院所結(jié)成機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。規(guī)范現(xiàn)有的機器人研發(fā)秩序,支持龍頭企業(yè)發(fā)展壯大,提高資金的利用效率。

[1]李發(fā)忠.靜電噴涂機器人變量噴涂軌跡優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇大學(xué),2012.

[2]楊揚.基于特種工件的大工作空間噴涂機器人設(shè)計與分析[D].北京交通大學(xué),2012.

[3]王朝暉,陳懇,吳聊,等.面向飛機表面噴涂的多層次控制程序結(jié)構(gòu)[J].航空學(xué)報,2013,34(4):928-935.

[4]石銀文.快速發(fā)展的機器人自動噴涂技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用.2007(5):11-13.

[5]Alexandr Klein.CAD-based off-line programming of painting robots[J].Robotica,1987,5(4):267-271.

[6]Tuna Balkan,M.A.Sahir Arikan.Modeling of paint flow rate flux for circular paint sprays by using experimental paint thickness distribution[J].Mechanics Research Communications,1999,26(5):609-617.

[7]Anita Hansbo,Per Nylen.Models for the simulation of spray deposition and robot motion optimization in thermal spraying of rotating objects[J].Surface and Coating Technology,1999,122(2-3):191-201.

[8]Veljko Potkonjak,Goran S.Dordevic,Dragan Kostic,et al.Dynamics of anthropomorphic painting robot:quality analysis and cost reduction[J].Robotics and Autonomous Systems,2000,32(1):17-38.

[9] M.A.Sahir Arikan,Tuna Balkan.Process simulation and paint thickness measurement for robotic spray painting[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2001,50(1):291-294.

[10] Weihua Sheng,Heping Chen,Ning Xi,et al.Tool path planning for compound surfaces in spray forming processes[J].IEEE Transactions Automation Science and Engineering,2005,2(3):240-249.

[11]Heping Chen,Ning Xi,Weihua Sheng,et al.Optimizing material distribution for tool trajectory generation in surface manufacturing[C].Proceedigns of IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,California,July24-28,2005,pp.1389-1394.

[12]Stephen Duncan,Paul Jones,Peter Wellstead.A frequency-domain approach to determining the path separation for spray coating[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,2005,2(3):233-239.

[13] Heping Chen,Thomas Fuhlbrigge,Xiongzi Li.A review of CAD-based robot path planning for spray painting[J].Industrial Robot,2009,36(1):45-50.

[14] Julius S.Gyorfi,Daniel R.Gamota,Swee Mean Mok,et al.Evolutionary path planning with subpath constraints[J].IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing,2010,33(2):143-151.

[15]張春生.噴漆機器人應(yīng)用及發(fā)展策略[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,1994,(6):22-26.

[16]彭商賢,唐蓉城,管樺,等.噴涂機器人手臂靜動特性研究[J].機械設(shè)計,1990,(6):46-50.

[17]王戰(zhàn)中,張大衛(wèi),安艷松,等.非球形手腕6R串聯(lián)型噴涂機器人逆運動學(xué)分橋[J].天津大學(xué)學(xué)報,2007,40(6):665-670.

[18]杜亮,張鐵.四自由度噴涂機器人的運動學(xué)分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2007,20(1):21-23.

[19]趙德安,陳偉,湯養(yǎng).面向復(fù)雜曲面的噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,28(5):425-429.

[20]范柯靈,張鐵,蔡蒂.六自由度噴涂機器人位姿誤差分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,21(1):18-20.

[21]曾勇,龔俊,陸保印. 面向直紋曲面的噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化[J].中國機械工程,2010,21(17):2083-2089.

[22]陳偉華,張鐵,周偉,等.噴漆機器人軌跡規(guī)劃的研究[J].機床與液壓,2009,37(3):16-17.

[23]蔡蒂,謝存禧,張鐵,等.基于蒙特卡洛法的噴涂機器人工作空間分析及仿真[J].機械設(shè)計與制造,2009,(3):161-162.

[24]陳雁,顏華,王力強,等.機器人勻速噴涂涂層均勻性分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,50(8):1210-1213.

[25]Alfred A.Schmitt,Jan S.Bender,Hartmut Prautzsch.Impulsebased dynamic simulation of higher order and numerical results[R].Internal Report,2005,pp.1-20.

[26]趙宏劍,王剛,張波,等.飛機尾翼自動噴涂系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2013,35(1):153-156.

[27]劉亞威.未來飛機制造的幾個熱點主題[N].中國航空報,2013-10-17(4).

[28]繆東晶,吳聊,徐靜,等.飛機表面自動噴涂機器人系統(tǒng)與噴涂作業(yè)規(guī)劃[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2013,43(6):1-5.

[29]石聞.F-22戰(zhàn)斗機的機器人表面噴涂[J].航空制造工程,1997,(8):22-23.

[30]馮華山,秦現(xiàn)生,王潤孝.航空航天制造領(lǐng)域工業(yè)機器人發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù),2013,(19):32-37.

[31] [EB/OL]http://tech.sina.com.cn/o/2002-09-06/1542137172.shtml.

Spraying robot as a complicated and integrated system requires the support of advanced multidisciplinary knowledge including computer science, cybernetics, mechanisms, information and sensing technology, artificial intelligent and bionics. Hence, spraying robot is thought of as an important symbol of automation level of a nation’s industry. Reviewing the history of spraying robot and discussing the problems in applications is imperative to its early industrialization in aircraft manufacturing field in China.

Spraying robot structural design control optimization

王豐超(1969-),男,博士,副研究員,中國商飛上海飛機制造有限公司航研所副所長,主持、參與17項國家、省部級等科技攻關(guān)課題,發(fā)表SCI、CSSCI期刊等論文20余篇,曾榮獲“明治生命科學(xué)獎優(yōu)秀獎”(2007)等。