實(shí)現(xiàn)涂裝過程自動化，具有巨大的社會與經(jīng)濟(jì)效益。噴涂機(jī)器人就是一種典型的涂裝自動化裝備屋赌。使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)，工件涂層均勻炮惕，重復(fù)精度好瓜坎，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來射贡。

涂裝是制造業(yè)中一項(xiàng)非常重要的工序瞪歹，它能有效地防止工件受外界環(huán)境侵蝕，提高工件壽命演苍，而且能美化工件外觀蛇热。

目前在國內(nèi)，涂裝工序主要還是靠人工完成氧吐，涂裝的質(zhì)量受工人的技術(shù)熟練程度讹蘑、心情等因素的影響很大。同時(shí)筑舅，涂裝過程中揮發(fā)出來的有毒氣體對工人的身體健康影響很大座慰。實(shí)現(xiàn)涂裝過程自動化，具有巨大的社會與經(jīng)濟(jì)效益翠拣。

噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(jī)器人（spray painting robot）版仔， 是可進(jìn)行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集團(tuán)）發(fā)明误墓。噴涂機(jī)器人就是一種典型的涂裝自動化裝備蛮粮。使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)，工件涂層均勻谜慌，重復(fù)精度好然想，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來畦娄。國際上將機(jī)器人應(yīng)用到噴涂領(lǐng)域已有二十多年的歷史又沾，最早將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于噴涂的有美國的minihit公司、fudge公司熙卡、德國的hatel公司等巷科。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善冠八，噴涂精度得到顯著提高，噴涂機(jī)器人在主要的發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)用底靴。我國的華南理工大學(xué)串题、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后對噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入的研究，取得了不少進(jìn)展贝崎。航天航空部的703所宽舱、625所使用熱噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，用來噴涂一些重要而特殊航空部件还凸。目前在我國荸脂，還沒有完全意義上的獨(dú)立生產(chǎn)噴涂機(jī)器人的廠家，機(jī)器人市場大多為歐美童盏、日本奕辖、韓國等國的生產(chǎn)廠家所壟斷。近年來呛疫，我國的一些企業(yè)積極與高校開展噴涂機(jī)器人的項(xiàng)目合作鲫肿，進(jìn)一步推動我國噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用甫恩。

1逆济、噴涂機(jī)器人的種類

1.1仿形噴涂機(jī)器人

仿形噴涂機(jī)器人根據(jù)被噴涂工件的外形特點(diǎn)，簡化機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)與控制方式磺箕，造價(jià)低廉奖慌，維修簡便，噴涂質(zhì)量基本上能滿足工業(yè)的需求滞磺。據(jù)國外公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)字顯示升薯，采用仿形噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，噴房內(nèi)部尺寸可減少2/3击困，排風(fēng)量減少3/5，漆霧處理的沖水流量減少1/3广凸，涂料節(jié)省大概30%-50%阅茶。仿形噴涂機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路機(jī)車車輛等機(jī)械制造業(yè)的噴涂作業(yè)谅海，用于完成被工件頂部與側(cè)面的噴涂脸哀。相關(guān)資料介紹了一種用于汽車車身噴涂的仿形噴涂機(jī)器人，該機(jī)器人模仿汽車車身的形狀扭吁，同時(shí)在頂部與側(cè)面各安裝噴槍摧垄，噴槍固定在機(jī)架上，噴槍與車身的距離袱黎、角度可以調(diào)解匕蚁，以滿足不同型號的車身的噴涂需要。機(jī)器人采用PLC控制方式，整個(gè)系統(tǒng)可靠性高渊唁，組態(tài)可靈活調(diào)整垄获，編程方便，調(diào)試維護(hù)簡單仆玖，對不同車型的車身通過編程即可達(dá)到仿形編程目的彻虾。

1.2移動式噴涂機(jī)器人

這類機(jī)器人主要用于高空的噴涂作業(yè)，如大樓歪低、橋梁的高空噴涂等溅宅，配備纜繩、真空或磁吸附裝置盔曼，充當(dāng)機(jī)器人的下肢俏汇，使機(jī)器人能夠在高空噴涂作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行移動。相關(guān)資料介紹一種纜索機(jī)器人羡微，用于斜拉橋的高空噴涂谷饿，利用PLC作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定妈倔，可靠性高博投，可滿足斜拉橋高空噴涂的需要。還有一種用于高層建筑噴涂作業(yè)的移動機(jī)器人盯蝴，以真空吸附的方式進(jìn)行高層建筑物的噴涂作業(yè)毅哗，機(jī)器人由支援系統(tǒng)、機(jī)器人本體捧挺、控制系統(tǒng)組成虑绵。其中支援系統(tǒng)包括移動小車、卷纜部件闽烙、懸掛裝置翅睛；控制系統(tǒng)采PLC控制。機(jī)械手采用往復(fù)運(yùn)動的方式黑竞，同時(shí)在噴涂機(jī)械手上還安裝了兩套CCD攝像系統(tǒng)捕发，可從支援小車的監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)視噴涂作業(yè)情況和墻面噴涂的質(zhì)量。該機(jī)器人的推廣應(yīng)用提高了高層建筑噴涂作業(yè)的質(zhì)量拘能、工作效率和安全可靠性刷寨，降低工人的工作量。

1.3經(jīng)濟(jì)型簡易噴涂機(jī)器人

這類機(jī)器人本質(zhì)上是一種三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人侣沐，采用龍門架式的框架結(jié)構(gòu)铭懂，配備有專門的夾具，進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)笆低，須先手工將被噴涂工件夾緊到工作臺上肉诚，再操縱機(jī)器人進(jìn)行噴涂决毕。主要用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)鍵盤等小型電子產(chǎn)品外殼的噴涂作業(yè)嘀拂，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單浆菇、操作簡便易行，且成本較低袱蔓。但系統(tǒng)功能單一竣伍，一般只能用于小型件的噴涂作業(yè)。

1.4固定式多自由度噴涂機(jī)器

這種機(jī)器人常固定于噴涂生產(chǎn)線的兩側(cè)偏序，作業(yè)時(shí)被工件通過輸送帶送入生產(chǎn)線页畦，再由機(jī)器人對工件進(jìn)行噴涂作業(yè)，這種機(jī)器人常為回轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人研儒，常見的是5豫缨、6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人。機(jī)器人的控制系統(tǒng)常采用在工控機(jī)上插入輸入輸出I/O卡和運(yùn)動控制卡的模式端朵，再通過計(jì)算機(jī)高級語言編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)噴涂作業(yè)過程的自動化好芭，可適用于各種不同場合的噴涂作業(yè)需要。

2冲呢、噴涂機(jī)器人運(yùn)行方式

2.1示教型噴涂機(jī)器人

這種方式必須首先確定機(jī)器人在噴涂件表面的運(yùn)動軌跡舍败，先操縱機(jī)器人沿運(yùn)動軌跡空走一遍，即對機(jī)器人進(jìn)行示教敬拓。在示教過程中邻薯，機(jī)器人記錄下各個(gè)示教點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)，在真正噴涂過程中乘凸，機(jī)器人根據(jù)先前記錄下來的示教點(diǎn)對工件進(jìn)行自動噴涂作業(yè)厕诡，示教點(diǎn)之間的曲線部分采用插補(bǔ)算法確定各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以逼近原曲線軌跡营勤，最后通過機(jī)器人正逆解運(yùn)算求出每一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度倘封。

2.2離線編程式噴涂機(jī)器人

這種方式首先獲取被噴涂對象的立體幾何形狀，然后采用各種算法確定出工件表面的噴涂點(diǎn)坐標(biāo)集蛛，機(jī)器人根據(jù)已確定的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行自動噴涂作業(yè)夹卒。噴涂點(diǎn)之間的曲線部分通過插補(bǔ)運(yùn)算確定插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以逼近原曲面挟酗，最后通過機(jī)器人正逆解運(yùn)算將插補(bǔ)坐標(biāo)從三維空間轉(zhuǎn)換成各個(gè)關(guān)節(jié)角度空間。

3同肆、噴涂機(jī)器人的控制方式

工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人控制系統(tǒng)一般采用二級控制方式虏斤，其中工控機(jī)充當(dāng)主控制器，用于整個(gè)控制流程的協(xié)調(diào)與調(diào)度末尤，第二級控制器用于噴涂機(jī)器人的運(yùn)動控制脊距。一種工控機(jī)加DSP的控制模式露惑，工控機(jī)充當(dāng)一級控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理种诫，機(jī)器人語言編譯與人機(jī)接口等功能钢老；DSP充當(dāng)二級控制器，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動控制烫饼，包括了機(jī)器人運(yùn)動正逆解運(yùn)算猎塞、插補(bǔ)運(yùn)算、關(guān)節(jié)的位置控制等功能杠纵。工控機(jī)與DSP不直接進(jìn)行通訊荠耽，通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，工控機(jī)與DSP均可從該內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)比藻，以達(dá)到通訊的目的铝量。

當(dāng)前比較通用的是工控機(jī)加上運(yùn)動控制卡的模式，即將運(yùn)動控制卡插入工控機(jī)的PCI插槽中银亲，工控機(jī)與運(yùn)動控制卡之間通過PCI總線進(jìn)行通訊慢叨。工控機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的文件管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置务蝠、機(jī)器人語言的解釋拍谐、示教檢查、系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)調(diào)度请梢、故障診斷赠尾、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆解與插補(bǔ)運(yùn)算等功能。運(yùn)動控制卡只擔(dān)負(fù)機(jī)器人的運(yùn)動控制功能笋棵，增強(qiáng)了機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時(shí)性次翩。人機(jī)接口功能由插在工控機(jī)上專用的I/O卡來完成，I/O卡將設(shè)備運(yùn)行狀況蛾岳、行程限位開關(guān)等信息以開關(guān)量的形式實(shí)時(shí)反饋給工控機(jī)鹿吴，工控機(jī)根據(jù)讀取到的信息做出相應(yīng)的反應(yīng)。示教盒與主機(jī)通過RS232總線進(jìn)行通訊簿睦「刹撸控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通常包括了工控機(jī)、運(yùn)動控制卡派暴、I/O卡彩淮、示教盒、伺服電機(jī)等部件咏逛。

4懊潜、噴涂機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）柔性大。工作范圍大大预隆。

（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率乔蜀。

（3）易于操作和維護(hù)啸盲。可離線編程咱士，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間立由。

（4）設(shè)備利用率高。噴涂機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%序厉。

5锐膜、噴涂機(jī)器人技術(shù)難點(diǎn)

5.1噴涂工件CAD造型的獲取

噴涂機(jī)器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的CAD數(shù)據(jù)，將工件的設(shè)計(jì)階段與加工制造階段集成起來脂矫，從工件設(shè)計(jì)階段直接獲取其CAD數(shù)據(jù)枣耀，再根據(jù)所獲取的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃。使用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描庭再，獲取工件實(shí)物表面的數(shù)據(jù)捞奕，形成點(diǎn)云，再通過三維重構(gòu)拄轻，獲取工件的CAD實(shí)物數(shù)據(jù)颅围。使用機(jī)械式探針沿工件表面滑動，以獲得工件表面數(shù)據(jù)恨搓，再對工件表面數(shù)據(jù)進(jìn)行日樣條擬合院促，最終重構(gòu)出工件的三維模型。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的成熟雳犹，可以利用模式識別技術(shù)先識別出待噴涂的工件满傍，再利用圖像處理技術(shù)提取工件表面的特征點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云娶讽，最后通過圖像的三維重構(gòu)獲取工件的CAD數(shù)據(jù)伞注。

5.2噴涂路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是噴涂機(jī)器人離線編程的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。路徑規(guī)劃的好壞涉等，直接關(guān)系到噴涂作業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻搜掸，對噴涂工件的質(zhì)量的影響巨大。在獲取到工件的CAD數(shù)據(jù)后程挑，基于有限元的思想酝螃，以三角形小單元來近似逼近工件曲面，提取各個(gè)三角形單元的中點(diǎn)作為噴涂點(diǎn)臊耳，連接各個(gè)噴涂點(diǎn)獲取噴涂路徑疾隙。將獲取到的工件CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件，基于快速成形的切片技術(shù)將工件的三維模型進(jìn)行分層颈侈，將各層的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量擴(kuò)展艰争，得到一系列有方向的點(diǎn)系，最后按照一定的排列順序形成噴涂機(jī)器人的噴涂軌跡桂对。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)甩卓，先構(gòu)建噴涂過程的虛擬過程，在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行噴涂作業(yè)蕉斜，定義最優(yōu)的噴涂軌跡逾柿，同時(shí)將所定義的軌跡轉(zhuǎn)換成最終執(zhí)行的機(jī)器人語言。根據(jù)噴槍在工件表面的涂層累積速率數(shù)學(xué)模型宅此，構(gòu)建工件曲面上任意一點(diǎn)的涂層厚度數(shù)學(xué)表達(dá)式机错，用于優(yōu)化的方法，在曲面的函數(shù)空間內(nèi)尋求一條最優(yōu)路徑的函數(shù)表達(dá)式父腕，由此得出噴涂的軌跡路徑弱匪。

5.3噴涂機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定

影響噴涂機(jī)器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與動態(tài)因素璧亮。靜態(tài)因素包括了制造萧诫、裝配時(shí)所帶來的機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)上的誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機(jī)械部件的尺寸變化枝嘶，由此造成機(jī)器人位姿的誤差帘饶。動態(tài)因素主要是由外力所引起的機(jī)械部件本身的彈性變形所帶來的機(jī)器人運(yùn)動誤差。為解決以上因素所造成的機(jī)器人位姿誤差膜暴，必須在使用前對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定疯煮，建立機(jī)器人的參照模型，目前用于機(jī)器人標(biāo)定的技術(shù)有基于三坐標(biāo)測量儀的標(biāo)定道暑、基于激光跟蹤儀的機(jī)器人標(biāo)定以及基于CCD的機(jī)器人標(biāo)定特掀。根據(jù)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行時(shí)的位姿與參照模型間的誤差，建立機(jī)器人補(bǔ)償機(jī)制人蕊，以進(jìn)一步提高機(jī)器人噴涂作業(yè)的精度葬聘。

5.4噴涂機(jī)器人的控制

噴涂機(jī)器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的PID理論，在實(shí)際的應(yīng)用中摇蝗，噴涂機(jī)器人機(jī)械臂的長度往往很長萧状，當(dāng)整個(gè)機(jī)械臂伸展開時(shí)大約可達(dá)到2m的長度，且運(yùn)行速度較高裆蛆，各關(guān)節(jié)間的動力學(xué)效應(yīng)非常顯著捣兄，不能忽略，從而造成機(jī)器人各關(guān)節(jié)的被控對象模型是時(shí)變的啼术。而傳統(tǒng)PID理論的比例（P）稍浆、積分（I）、微分（D）參數(shù)的整定是建立在關(guān)節(jié)傳遞函數(shù)模型為定值基礎(chǔ)之上的猜嘱，這對傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動力模型的控制理論帶來了挑戰(zhàn)衅枫。此外，實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場往往存在有各種不確定的干擾朗伶，也會對PID控制器造成影響弦撩。以上兩個(gè)因素決定了PID控制器必須具備一定的自適應(yīng)性步咪，其比例、積分益楼、微分參數(shù)應(yīng)能夠隨著外界環(huán)境的改變而自動的變化猾漫。智能控制理論的提出與發(fā)展為問題的解決帶來了新的思路。智能控制是人工智能感凤、生物學(xué)與自動控制原理結(jié)合的產(chǎn)物悯周，是一種模仿生物某些運(yùn)行機(jī)制的、非傳統(tǒng)的控制方法陪竿。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)禽翼、模糊理論、人工免疫播窒、遺傳進(jìn)化等智能控制算法與PID理論相結(jié)合硫忆，用于PID參數(shù)的整定，成為未來機(jī)器人控制發(fā)展的趨勢牡罚。

6俯炮、結(jié)論

本文介紹了噴涂機(jī)器人技術(shù)的研究進(jìn)展情況，敘述了常見的噴涂機(jī)器人種類缰伶、運(yùn)行方式敦浅、控制方式及其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，深入分析噴涂機(jī)器人的主要技術(shù)難點(diǎn)壮煎。

展望未來赛琢，噴涂機(jī)器人離線編程技術(shù)方面，基于視覺的工件CAD模型構(gòu)建方式與通過建立工件表面涂層累積量數(shù)學(xué)模型的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法是未來發(fā)展的方向触迄。機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定技術(shù)方面悴碳，基于CCD的標(biāo)定法是趨勢。機(jī)器人控制領(lǐng)域惦参，新型智能控制算法之間灾囊、智能算法與傳統(tǒng)PID控制算法間的融合與應(yīng)用是未來機(jī)器人控制發(fā)展的趨勢。隨著傳感檢測技術(shù)與人工智能的發(fā)展腥刹，未來的噴涂機(jī)器人將具備實(shí)時(shí)檢測马胧，實(shí)時(shí)自主規(guī)劃噴涂路徑的能力，噴涂機(jī)器人將進(jìn)一步朝著智能化的方向發(fā)展衔峰。

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