基于多機(jī)器人協(xié)作和視覺(jué)技術(shù)的智能噴涂工作站設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）14-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.015

0 引言

工業(yè)機(jī)器人憑借著通用性強(qiáng)、靈活性高、可編程等優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)智能制造領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，但很多情況下，單純地通過(guò)示教點(diǎn)位手動(dòng)編程噴涂，不僅操作復(fù)雜煩瑣，而且耗時(shí)較長(zhǎng)。尤其是在工業(yè)機(jī)器人傳統(tǒng)噴涂行業(yè)[1]，當(dāng)待噴工件的類型更換后或噴涂位置發(fā)生改變時(shí)，需要重新示教噴涂軌跡，大大降低了自動(dòng)化應(yīng)用效率。而通過(guò)工業(yè)相機(jī)拍照獲取圖像，利用搬運(yùn)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人進(jìn)行多機(jī)器人協(xié)作，并根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)處理的噴涂輪廓坐標(biāo)完成智能化噴涂，比較傳統(tǒng)示教噴涂方式，提高了工業(yè)生產(chǎn)效率且具有實(shí)用價(jià)值[2]。

1 噴涂工作站總體方案設(shè)計(jì)

噴涂工作站需實(shí)現(xiàn)以下功能：搬運(yùn)機(jī)器人從待噴涂區(qū)取料，到達(dá)相機(jī)拍照區(qū)，等待視覺(jué)系統(tǒng)采集圖像，并對(duì)噴涂圖案進(jìn)行預(yù)處理，輸出噴涂坐標(biāo)給噴涂機(jī)器人。噴涂機(jī)器人完成噴涂后，搬運(yùn)機(jī)器人將加工好的成品搬運(yùn)放置于成品區(qū)，完成周期性循環(huán)。

根據(jù)以上需求，硬件選型如下：

工業(yè)相機(jī)選用?？低昅V-CAD60-11GM，該相機(jī)為基礎(chǔ)型面陣相機(jī)，噪點(diǎn)較低，圖像質(zhì)量?jī)?yōu)異，最高幀率可達(dá)17fps。

噴涂機(jī)器人選用IRB52-12-700-1005。該款機(jī)器人被稱為“緊促型噴涂專家”，其體型小，工作范圍大，柔性與通用性強(qiáng)，能減少涂料消耗。

搬運(yùn)機(jī)器人要求時(shí)間節(jié)拍短且穩(wěn)定，能與噴涂機(jī)器人完美協(xié)作，選用IRB2800ID-8-200。該型號(hào)工業(yè)機(jī)器人有較大的載荷能力，能最大限度縮短時(shí)間節(jié)拍，提高上下料效率，提高綜合作業(yè)的產(chǎn)能。

搬運(yùn)機(jī)器人與噴涂機(jī)器人均為中型機(jī)器人，負(fù)載相對(duì)較大，均選用標(biāo)準(zhǔn)型控制柜。兩臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作，工作區(qū)域有部分重疊，為確保安全，均需開通608-1WorldZones區(qū)域監(jiān)控功能選項(xiàng)，該選項(xiàng)可以安全監(jiān)控并消除兩臺(tái)機(jī)器人相撞的可能性。

機(jī)器人輸入、輸出信號(hào)較多，如安全監(jiān)控信號(hào)、傳感器檢測(cè)信號(hào)、吸盤開關(guān)信號(hào)、噴槍開關(guān)信號(hào)等。搬運(yùn)機(jī)器人均為數(shù)字量輸入、輸出，選取DSQC652IO板卡，該板卡有16路數(shù)字輸入、16路數(shù)字輸出。噴涂機(jī)器人涉及模擬量輸出控制，如噴涂流量控制為模擬量輸出控制，選取DSQC651IO板卡，該板卡有8路數(shù)字輸入、8路數(shù)字輸出、2路模擬量輸出。

噴涂機(jī)器人需開通616-1PCInterface選項(xiàng)，該選項(xiàng)是ABB工業(yè)機(jī)器人使用Socket通信的前提，它允許機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在各臺(tái)計(jì)算機(jī)之間傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)與視覺(jué)系統(tǒng)的通信，傳遞噴涂軌跡信息。

本工作站是由視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行噴繪輪廓識(shí)別，生成噴涂坐標(biāo)，噴涂機(jī)器人根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化噴涂。考慮到噴涂要求視野好，識(shí)別范圍廣，光源環(huán)境穩(wěn)定，相機(jī)為固定安裝，不跟隨機(jī)器人TCP（ToolCenterPoint，工具中心點(diǎn)）運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人有一定的工作空間，超出工作空間機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)報(bào)限位或者軸配置錯(cuò)誤，影響正常的生產(chǎn)節(jié)拍。因此，需進(jìn)行空間布局驗(yàn)證，以便機(jī)器人順利到達(dá)各個(gè)取料和放料位，并順利完成噴涂工作。噴涂系統(tǒng)總體方案及工作空間驗(yàn)證如圖1所示。

2 噴涂工作站視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人將待噴涂廣告牌搬運(yùn)至噴涂區(qū)時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)出拍照信號(hào)給視覺(jué)系統(tǒng)，觸發(fā)相機(jī)拍照，相機(jī)拍照采集圖像。

OpenCV是一個(gè)跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫(kù)。視覺(jué)系統(tǒng)采用Python語(yǔ)言，并調(diào)用OpenCV等庫(kù)文件。當(dāng)工業(yè)相機(jī)拍照采集到圖像后，運(yùn)用OpenCV將彩色圖像進(jìn)行灰度化等預(yù)處理，獲取圖像輪廓及其幾何特征信息。

識(shí)別的圖像輪廓返回到輪廓數(shù)組contours。由于噴涂每一條輪廓之后噴涂機(jī)器人需關(guān)閉并抬起噴槍，故需記錄總線條數(shù)和每一條輪廓內(nèi)有多少個(gè)點(diǎn)；每一個(gè)contours元素中包含一條輪廓所有點(diǎn)的x、y像素坐標(biāo)，按照順序每10個(gè)像素記錄一個(gè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后存儲(chǔ)在array數(shù)組中，通過(guò)socket通信發(fā)送給機(jī)器人。噴涂工作站視覺(jué)系統(tǒng)流程如圖2所示。

3 噴涂工作站機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴涂工作站機(jī)器人系統(tǒng)，第一步，需先判斷兩個(gè)機(jī)器人的工具坐標(biāo)原點(diǎn)是否在各自的pHome點(diǎn)；第二步，搬運(yùn)機(jī)器人移動(dòng)至取料區(qū)取待噴涂品，放置在噴涂位置上；第三步，觸發(fā)相機(jī)拍照，視覺(jué)系統(tǒng)將噴涂軌跡信息發(fā)送給噴涂機(jī)器人；第四步，噴涂機(jī)器人根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信息完成噴涂后回到初始位置；第五步，搬運(yùn)機(jī)器人將噴涂完成品從噴涂區(qū)取料到噴涂成品放置區(qū)，完成周期性循環(huán)。整個(gè)噴涂工作站機(jī)器人系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

機(jī)器人程序設(shè)計(jì)采用了主程序調(diào)用子程序的方式進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。根據(jù)流程圖規(guī)劃，添加了rInitialize初始化程序、pHome點(diǎn)判斷程序、取放料程序、安全區(qū)域監(jiān)控程序、節(jié)拍測(cè)試程序以及合理的寫屏與人機(jī)交互程序。部分關(guān)鍵性程序如下：

1） PROC Main（ 2）rInitialize;＼＼初始化 3）WHILEDo5_Safety=1DO 4）WaitSyncTasksync1，task_list_2_1；＼＼搬運(yùn)機(jī)器

人通信 5）rClinent；＼＼相機(jī)通信 6rCalculate;＼＼噴繪點(diǎn)位計(jì)算 7）rPengtu;＼＼噴涂 8）MoveJ pHome_1，Max_speed，z50，pengqiang_2＼

WObj wobjo；＼＼回安全點(diǎn) 9）WaitSyncTasksync2，task_list_1_2;＼＼搬運(yùn)機(jī)器

人通信 10）ENDWHILE 11）ENDPROC

4噴涂工作站系統(tǒng)調(diào)試及驗(yàn)證

4.1 視覺(jué)處理及輸出

搬運(yùn)機(jī)器人將待噴涂件搬運(yùn)到噴涂位置，拍照信號(hào)觸發(fā)，噴涂的圖案?jìng)鞯揭曈X(jué)系統(tǒng)中做預(yù)處理，灰度化處理和預(yù)處理完成圖像如圖4所示。

圖片預(yù)處理后識(shí)別輪廓，輸出像素坐標(biāo)值傳遞給機(jī)器人系統(tǒng)。

4.2 機(jī)器人智能噴涂仿真調(diào)試

基于RobotStudio軟件開啟機(jī)器人socket通信，進(jìn)行Smart組件仿真時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)IO信號(hào)連接Smart組件系統(tǒng)IO信號(hào)，Smart組件系統(tǒng)IO信號(hào)再與機(jī)器人系統(tǒng)的IO信號(hào)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)IO信號(hào)與機(jī)器人系統(tǒng)IO信號(hào)的連接，再進(jìn)行仿真調(diào)試驗(yàn)證。

仿真調(diào)試實(shí)現(xiàn)如圖5所示，搬運(yùn)機(jī)器人從半成品區(qū)取待噴涂品，穩(wěn)定地放置在待噴涂區(qū)，相機(jī)完成拍照，將視覺(jué)數(shù)據(jù)傳遞給噴涂機(jī)器人，噴涂機(jī)器人完成噴涂后，搬運(yùn)機(jī)器人將噴繪好的成品搬運(yùn)至成品區(qū)廣告牌放置架上，以此類推，實(shí)現(xiàn)周期性循環(huán)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的噴涂工作站操作煩瑣且耗時(shí)較長(zhǎng)、效率較低問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，基于搬運(yùn)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人協(xié)作并融合視覺(jué)技術(shù)，能快速識(shí)別噴涂軌跡并進(jìn)行噴涂作業(yè)，擺脫了傳統(tǒng)噴涂方式的桎梏，實(shí)現(xiàn)了智能化高效率的生產(chǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1］萬(wàn)燕英.噴涂機(jī)器人軌跡編程技術(shù)綜述[J].科技資訊，2024，22（3）：39-42.

[2]斌，潘敬鋒，李元，等.智能噴涂機(jī)器人編程方法與遙操作技術(shù)研究綜述[J].控制與決策，2025，40（4）：1057-1078.

收稿日期：2025-04-16作者簡(jiǎn)介：李皓 （1985-） ，男，湖北武穴人，講師，工程師，研究方向：智能控制及智能制造。