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开题报告
杭州电子科技大学学术型硕士研究生
毕业论文开题报告和论文工作计划表
所在学院:
自动化
学号:
121060022
姓名:
丁昱
学科专业:
控制理论与控制工程
研究方向:
先进机器人与智能系统
开题题目:
基于图形识别的喷涂机器人开发
导师姓名:
王俊宏
入学时间:
2012年9月
填表日期:
2013年11月16日
一、论文来源的课题名称及类型:
(属于国家、省、市、学校、自选中的哪一种?
)
课题名称:
基于图形识别的喷涂机器人开发
类型:
自选
二、研究目的和意义:
喷涂机器人在国外已经广泛被应用于汽车,家电和家居等产品的涂装生产线,但是目前国内的涂装作业,尤其是中小企业多以大规模人工操作为主。
在涂装作业过程中,涂料会散发出大量有毒有害气体,工作人员吸入后会对身体健康有巨大的损伤。
同时对于涂装这一高强度高危害的技术型工作,涂装的质量取决于工人的经验,这对喷涂精度要求高的工件来说是不合理的。
在目前国内经济转型,产业升级特殊时期,企业面临着一系列的压力。
如招工难,用工成本、原材料价格等不断上涨,利润空间日渐狭窄,这些因素都使得喷涂机器人在工业应用中拥有广阔的市场与实践意义。
随着国内机器人开发能力的增强,价格的降低,越来越多的喷漆机器人出现在手机外壳、笔记本电脑外壳等中小型器件的自动化喷漆生产线上。
但是在大中型器件,如彩色电视机机壳、大型号电子琴机壳等工件的喷涂生产中,还未得到广泛的应用。
此类大中型器件生产商却对喷涂机器人日益体现出迫切需求,然而却面临着投资成本高、成功风险大等问题。
国产喷涂机器人的供应还明显不足,尤其是专注于喷涂机器人的企业少之又少,更多的企业只能提供喷涂机器人的一个或几个部件。
本项目即通过使用国产部件来研发出具有性能稳定,精确度高,价格适中的国产化喷涂机器人。
通过本项目制造出符合企业要求的机器人,同样也能为国内喷涂机器人的发展提供一定的理论基础与事实依据,甚至可以为理论的深入研究提供方向。
本项目的研究意义旨在开发一款适合中小企业的低成本通用型多自由度喷涂机器的软件控制系统。
该喷涂机器人控制系统的优势主要表现为:
提高工作环境的安全性;提高产品质量和稳定性;提高员工工作效率;增加产量;增强制造适应性;减少原料损耗;解决劳动力流动和招聘困难问题;降低企业运营成本。
从而引领经济型喷涂机器人在所属行业中的发展。
三、国内外研究现状和发展趋势:
喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人,1969年由挪威Trallfa公司发明。
在国外,机器人喷涂已经成为一项比较成熟的技术,有着三十多年的研究和发展历史,对机器人和印刷业的发展产生过深远的影响。
较早运用该技术的著名公司有美国的Minhit公司、Fudge公司以及德国的Hate公司等,随着喷涂机器人技术的不断创新,喷涂精度空前提高,喷涂机器人的应用也更加广泛。
著名的国外喷涂机器人厂家有瑞士的ABB和日本的安川MOTOMAN公司,德国的KUKA公司、日本的FANUC公司以及美国的ADEPT公司等。
但到目前为止,瑞士ABB公司最为著名,作为世界领先的喷涂自动化供应商,ABB公司在喷涂机器人领域以及相关的喷涂技术领域都具有丰富的经验与技术,ABB生产的喷涂机器人在世界范围内应用最为广泛。
我国的工业机器人从20世纪80年代开始起步,在国家的支持下,20多年来,我国在工业机器人事业上取得了令人瞩目的成绩,理论研究和产品开发有了长足的发展,并形成了一批有技术实力的机器人研究、开发和应用队伍。
近几年,我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近亿元。
国家“八六三”高技术计划已确立9个以智能机器人主题的产业化基地。
产业化基地的建设带来了产业化的希望,为发展我国机器人产业奠定了基础。
在机器人技术基础(机器人运动学、动力学与构型综合研究,机器人运动控制算法及机器人编程语言的研究,机器人内、外部传感器的研究与开发,多传感器控制系统的研究,离线编程技术等)、单元技术以及元器件(交、直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压(气动)元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承等)等方面都取得了一系列的成果。
此外,已有大批以开发生产的特色机器人或应用工程项目而活跃在当今我国工业机器人市场上。
机器人技术是具有前瞻性,战略性的高技术领域。
国际电气电子工程师协会(IEEE)的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向,其中之一就是发展机器人技术。
从近几年国外知名企业推出和正在研制的产品来看,新一代工业机器人正在向智能化、柔性化、网络化、人性化、编程图形化发展。
(1)结构的模块化、可重构化。
(2)控制系统的开放化、网络化。
(3)驱动系统的数字化、分散化。
(4)多传感器融合的实用化。
(5)机器人作业的人性化、集成化。
(6)人机交互的图形化、三维全息化。
在未来几年里,机器人自动喷涂技术将在以下几个方面得到更进一步的完善和提高。
1.为客户提供更加完整的解决方案,即从机器人到输调漆系统(包括双组分系统和换色系统)、喷涂雾化装置(旋杯、喷枪)等。
这样的方案将以高效的旋杯系统为核心、以高动力学特性和高加速度能力机器人为基础、以配套的输调漆系统为支持,提高油漆的传递效率,降低喷涂过程中的过喷漆雾及换色过程中油漆材料和溶剂材料的消耗,从而降低生产成本。
2.未来的机器人将具有更优异的运动学性能和喷涂效果、能完成各类曲面等的喷涂任务。
3.为满足小型零部件件如消费类电子产品越来越高的喷涂要求,机器人及旋杯系统等将在小型化方面得到进一步发展。
从而为非汽车工业客户提供相应的解决方案。
四、主要研究内容和要求达到的深度:
本项目研究的内容主要是以STM32单片机系统作为核心,通过前段图形识别控制系统得到所需喷涂工件的形状,从而规划出喷涂质量较高的轨迹路线。
根据所得的轨迹,由RS485通信从单片机系统收发至PLC控制系统中,再运用PID等控制算法来编制控制程序,对已搭建的喷涂机器人平台进行控制操作。
从而研发出低成本的大幅面多轴联动跟踪式喷涂机器人,争取达到使整个机器人的稳定性和精确度都能与国外机器人设备一样好的喷涂效果。
设计得到相应单片机控制电路,编写较为合适的算法来得到喷涂工件的形状,根据形状规划出喷涂质量较好的运行轨迹,从而驱动硬件平台完成跟踪式流水线作业,这三点是研究的主要方向和重点。
1驱动平台的搭建
根据工件喷涂的作业要求,选用具有五轴驱动功能的结构。
其中构成笛卡尔直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴的选用直线运动单元;R轴和P轴采用关节型旋转运动单元,五轴运动互不干涉。
这样的结构布局,既能满足机器人跟踪悬挂生产线作业的需求,同时又具备遍历各种工件的表面的喷涂能力,为多轴联合驱动的控制系统设计提供了必要条件。
1.1平台器件选型
控制器选型:
依托现有平台的布局和期望实现的功能,初步选用国产中小型PLC作为控制器,具有精确定位功能,能与执行器件配合实现定位喷涂工作。
执行器选型:
为实现精确控制和定位,喷涂机器人初选用五轴伺服电机,根据各轴向机构负载和动态响应特性设计,选用不同功率的电机。
其中,X轴向垂直布局,因此选用了带刹车的电机,防止坠落危险。
此外,考虑适当选用国外知名品牌传感器,配合执行器定位,提高控制精度,并实现极限位置保护。
1.2电气设计:
电气设计部分主要考虑系统的模块化性能以及可替代性等因素,故对在系统的搭建中进行详细模块化分割。
具体如下图1,
图1电气设计系统图
供电电路部分主要提供220V交流电和24V直流电,其中24V直流电由220V交流电经交流转直流模块输出后得到。
220V交流电主要作为五轴驱动器、线体变频器、PLC以及各个电机的电源,24V直流电则主要为图形识别电路、传感器、编码器、译码模块以及继电器等提供电源。
具体如下图2,
图2供电电路组成图
在供电电路的主支路以及重要用电器电源线路之间加入熔断器。
空气开关等是该项目电路设计中保护模块的主要采用方式。
同时在主线路中加入急停开关,在电路中加入报警电路等也是保护电路中的一部分,在整体设计中有一定的体现。
在控制电路中,主要使用24V直流电作为电源。
输入主要由图形识别电路,传感器信号线路,手动开关线路,驱动器反馈线路,电机反馈线路,译码模块反馈线路等构成。
在输出方面则主要为驱动器、五轴电机、变频器等提供控制信号。
具体如下图3,
图3控制电路组成图
同时为了使24V直流电供电部分和220V交流电供电部分降低干扰,本项目对布线箱做了合理有效的规划。
2单片机控制系统
根据工业现场的要求,对于所喷涂的工件形状具有未知性。
所以需要在工件进入喷涂车间之前进行工件形状的检测,从而才能对喷涂机器人平台的运行轨迹做出相应的规划,得到较好的喷涂效果。
故在机器人驱动平台之前,需要一套针对喷涂机器人图形采样的光栅控制系统。
系统由光电传感器构成的光栅控制电路进行样本采集,对采集的信号进行相对应的识别处理,完成对喷涂机器人轨迹的规划,进而输出控制信号来控制相应喷涂机器人的运行。
该控制系统硬件部分主要包括:
电源模块、控制模块、通讯模块、测试模块以及传感器模块。
控制系统的技术方案大致为:
电源模块由总供电电路中交流转直流单元得到稳压直流12V电压,经过转换将电压降到5V或3.3V,作为控制电路、传感器电路等各个模块的工作电源。
图形采样功能由光电传感器构成的光栅电路完成。
光栅电路在主CPU控制下工作,并将采集到的图形信息通过编码方式传入控制模块的主CPU。
控制模块对所得数据进行解析,还原途径光栅的工件形状,规划对应该形状的最优喷涂路径,并将所得的控制信号通信给喷涂机器人驱动平台主控制器PLC中,使驱动机器人按照规划轨迹运行。
具体参见下图4,
图4光栅控制系统的结构示意图
3.光栅控制系统算法
喷涂机器人算法控制以大面积喷涂的轨迹规划,优化表面喷涂质量为主要目标。
探索出一种直角坐标空间连续路径的轨迹规划方法,配合双旋转关节自由度,确定喷枪轨迹。
为提升控制效率和质量,考虑STM32的强大运算能力与C语言的算法语言优势,故将轨迹规划的算法放于单片机控制系统中进行处理,将得到的控制信号给予主PLC,后由PLC对机构进行如PID算法等的运动控制,实现两轴以上的联动插补控制,从而实现大平面喷涂和快速切换作业面算法。
控制系统软件将实现规划的喷涂轨迹,并通过总线协议通信控制器利用合理的算法控制执行喷涂作业。
3.1基于逆向工程的工件形状识别算法
在机器人对工件进行喷涂之前,应先由光栅测试系统得到工件相关数据。
在控制模块主CPU的命令下,由红外对射传感器组成的光栅系统按顺序逐个的开启,同时把当前开启的传感器测试结果上传入主CPU中,并在开启当前传感器时关闭上一对红外对射传感器。
所以,主CPU的工件识别内容主要为将各个红外对射管传回的信号进行整合处理,得到本次喷涂工件的长度,宽度以及倾斜角度,供机器人轨迹规划中作为依据。
(1)逆向工程
喷涂工件数据信息的获取是喷涂机器人离线编程系统中的首要环节,在此采用相对成熟技术:
CAD建模。
通过逆向工程将三维的物理实体几何信息数字化,得到相应的信息提供后期轨迹规划需要。
具体流程如图4
图4逆向工程流程图
(2)坐标系的建立
在喷涂过程中,由红外对射管组成的光栅测试装置为垂直放置。
故选择以光栅最低点红外对射管作为原点,当工件到达光栅的时刻开始建立直角坐标系。
以光栅为Y轴,最底端传感器到最顶端传感器方向为正方向;与光栅垂直方向为X轴,工件运行方向反方向为X轴正方向。
(3)点云模型数据处理
通过光栅测量对工件数字化得到大连数据,作为点云。
对于采集回的离散测量点信号,进行异常点清除,数据精简等预处理,从而拟合出所需喷涂工件的形状模型。
具体流程如下图5,
图5工件识别采用点云模型流程
(4)倾斜角度、长度、宽度等值的获取
根据工件不同部分经过光栅所得数据的不同特点,并对应上传的数据得到整个矩形工件的四个顶点位置到达时与坐标系建立时刻的时间差。
利用所获得的时间差,与光栅分辨率(即两相邻红外对射管的距离)先结合,算出进入喷涂区域工件的长度,宽度以及倾斜角度。
(5)喷涂过程中机器人运行速度的确定
由于工件的倾斜原因,所以需要将机器人每一次的喷涂路径和工件倾斜方向相同,才能达到最短路径,节省涂料等资源的要求。
所以根据所得工件倾斜角度等数据,将实际运行速度进行直角坐标系上的分解。
所得的垂直分速度作为机器人Y轴运动的垂直分速度,所得的水平分速度在与工件自身线体的运动速度相加减,作为机器人X轴运动的水平分速度。
3.2基于涂层厚度均匀性的轨迹规划
在工件形状包括长度、宽度以及倾斜角度等数据得到之后,喷涂机器人对工件喷涂的行程次数便对整个工件的喷涂效果产生着至关重要的作用。
故需要确定一条使得工件表面喷涂厚度差异达到最小的喷枪最优轨迹。
(1)喷涂生长速率数学模型
单点喷涂生长速率即喷枪喷头附近区域的涂层厚度生长速率。
单点喷涂的生长速率决定了被喷工件表面涂层的厚度分布,因此确定单点喷涂的生长速率是确定轨迹的前提。
单点喷涂积累速率可以用数学模型的方式表现,也可以由经验数据来表示。
通常情况下,前者建立的函数较平滑,因而算法的收敛性较好,而后者的实际函数更符合实际情况。
高斯模型是一种经验公式推导出来的数学模型,其影响因子能够控制模型的最大喷涂量,喷涂覆盖面积,喷涂分布平滑度。
与实际喷涂中的情况比较相似,且在对于平面工件的喷涂应用中有较好的效果,故在此选作此项目中喷涂生长速率的数学模型。
(2)喷涂轨迹数学模型
在机器人喷涂中,喷束以锥形散布于空间,为了得到表面均匀的喷涂厚度,必须让喷束在工件表面进行叠加,从而达到补偿边缘厚度的目的,实现喷涂厚度的均匀分布。
重叠区域必须控制在一定的精度范围之内,否则边缘叠加过厚或过薄,都会导致叠加厚度与喷束中心厚度差别过大,出现喷涂表面厚薄不平的现象。
设喷涂高斯函数为f(x),d为两喷点间的距离。
d的大小决定了两喷点之间的重合度,由于喷涂模型是具有波谷和波峰的圆形分布,如何准确地确定d的大小,成为生成轨迹的关键。
在日常情况下,人们习惯于用试验的方法来得出最佳的步距,但这种方法不够精确,并且误差性较大。
为此则使用求函数的二阶导数的方法来求解最佳的步距d。
4人机界面触摸屏:
项目配有自行开发的人机界面系统。
该系统设计为触摸屏的监控软件,所需完成实时数据管理,历史数据存储,管理控制回路调节,系统状态趋势显示以及生产记录的打印和管理等功能。
在该软件设计过程中,将测试软件分成6个功能模块。
分别为:
系统操作,人员示教,历史查询,数据采集处理,信息安全检测,系统标定,系统通讯。
具体参见下图4。
图4喷漆机器人人机交互系统功能图
五、研究及论文工作的主要阶段、进度和完成时间:
(包括查阅资料和选题、文献综述、调查研究、开题答辩、毕业论文的写作、毕业论文答辩等阶段)
序号
研究及论文
工作的主要阶段
开始
时间
完成
时间
导师指导方式及
要求提交何种材料
1
查阅资料和选题
2013.8
2014.9
2
文献综述
2013.10
2013.11
3
开题答辩
2013.12
2013.12
4
调查研究
2014.1
2014.3
5
论文写作
2014.4
2014.8
6
论文初稿
2014.9
2014.11
7
论文定稿
2014.12
2015.1
六、导师审核意见:
(包括对研究内容及深度是否合适的评价,对研究方法与实验条件是否合适的评判等)
签名:
年月日
七、学位点负责人/开题小组组长审核意见:
(对开题报告给出具体意见、建议及评分等级)
开题报告评分等级:
优秀良好合格不合格
学位点负责人/开题小组组长签名:
年月日
八、学院研究生教育督导组/学院审核意见:
同意开题小组意见
不同意开题小组意见,建议:
签名:
年月日
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