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文|九鹏举

编辑|九鹏举

纵观国内外涂装行业，已经出现了大量工艺先进、自动化程度高的流水生产线，例如德国致宝公司采用的自动静电涂装线。

然而大多数的涂装生产线都是建立在构件标准化程度高的基础之上，采用构件移动机器人定点喷涂的导航方式。

本文针对桥梁钢结构体量大、涂装施工环境恶劣的特点进行导航元器件的选择、路径的规划、编程方式的确定、导航流程的现场优化以及智能化导航下的实际施工等探索，确定适用于桥梁钢结构的导航方式。

导航方式顾名思义就是通过什么样的一种方式，告诉机械设备或者电子化产品应该如何运动或者以什么样的方式运动。

如比较简单的直线行走、轨道导航或者机械臂的左右摆动等；现阶段产生的先进的导航方式，比如激光导航在焊接机器人上的使用，磁导航在AGV小车上的应用等。

先进导航方式的实现依赖于光电传感器、磁场传感器、运动控制器以及先进的编程系统等。

本文着重探索设计了在钢桥涂装施工过程中对自动化机器人的导航方式，并且获得了实际的应用。

研究过程

在钢桥自动化涂装过程中可以使用的导航方式有轨道导航，即在涂装车间安装既定的轨道设施，包括底面轨道以及侧壁轨道等，机器人在轨道上按照一定的速度走行，同时依赖机械臂的摆动完成钢桥的涂装作业。

除了轨道式导航之外还有磁导航，磁导航的建立需要在涂装厂房内布置磁力轨道或者磁钉等产生用于导航的交变磁场，通过涂装机器人自身携带的磁场感应器进行系统给出的磁力信号的感知，从而完成整个路径的导航。

磁导航是通过感知磁场信号进行导航的一种方式，而激光导航则是通过车体上搭载的光学元器件感知光学信号进行导航的一种方式。

这种方式可以对导航的步骤进行一定的简化，比如按照既定的引导路线自主驾驶，在驾驶过程当中光学传感器发现障碍物进行规避，这是一种激光的导航的方式。

同样的道理，使用激光导航雷达对现场的环境进行扫描，对障碍物位置进行标定，将规划好的路径导入到机器人的行走系统当中，这也是利用激光进行机器人导航的一种方式。

这里所说的导航是一种广义的导航方式，所谓机械臂的导航就是告诉机械臂如何动作，在机器人小车运行的过程中，机械臂应当如何完成钢结构的喷涂施工。

采用一款机械臂动作控制软件，机械臂拥有6个自由度，对应机械臂的6个关节轴，每一个轴为软件的一个控制单元（进度控制轴），每一个控制单元都是时间的函数，运行过程中随着时间的推移完成所有的涂装动作。

OpenRobotics是开放式机器人示教平台，是专门针对机器人控制教学研究的平台，方案包含六轴机械人本体、相关电控电路、电控箱，整个系统透过EtherCAT通讯方式建构，在软件方面提供基本单轴的jog操作方式。

对于研究单位和教学单位，此教学平台方案提供一个完整的机器人控制的实现平台，让使用者可以专注于机器人运动学控制演算相关研究。

涂装机器人使用了NRC系列工业机器人控制系统，采用EtherCAT总线技术，全面兼容IEC61131-3标准，支持各类EtherCAT模块，可任意拓展模块。

基于X86IPC+RTOS设计，采用自主研发控制算法，支持六关节自由度机器人、SCARA机器人、五轴机器人、连杆码垛机器人、四轴多关节机器人、DELTA机器人、直角坐标机器人、多轴专用等多种机器人的控制。

CoolDriverRC6紧凑型一体化网络伺服驱动器，满足工业机器人的需求，产品针对标准六轴机械臂采用六轴一体化设计，机身小巧紧凑，内置多种振动抑制算法及前馈功能，能够大幅度提升设备的灵活性以及定位精度和动态性。

在机器人运动控制过程中所使用到的R2，R2是纳博特新一代的小巧型IO（SmartIO），产品的尺寸大小与手机相当，节省接线空间。

配备了16In/16Out数字化信号接口，满足基本所需，且可以拓展其他EtherCAT模块，其实质就相当于一个进行数据输入与输出的集成系统编码器，可以对示教平台输入的信号通过自带的编码器进行再一次的编译，转化为脉冲信号。

同时可以对输入的脉冲信号进行放大或者缩小，从而适应不同部位的伺服驱动器对于脉冲信号的要求，R2的优势是体积小、自带导轨卡槽、可拓展、质量可靠。

在现场机器人调试过程中为每一台机器人设备都加装了一部激光导航雷达，激光导航雷达与运动控制器联动，将扫描到的障碍物信号传输到运动控制器，运动控制器针对收到的信号作出相应运动轨迹的调整。

激光雷达导航搭配线缆收束系统，通过激光雷达导航技术对厂房环境进行完整扫描并构建地图，履带式AGV小车就可完成高精度的涂装路径。.

通过实际涂装应用研究，顺利完成了激光雷达关于真实障碍物与一般遮挡物的区分功能，保证安全作业的同时避免路径的停顿和错误。

智能化机器人机械臂的组成一般由控制系统、执行系统、驱动系统等组成。

执行和驱动系统主要是为了完成机械臂的正常动作而设计，通过气动或电机来驱动机械部件的运转，从而达到智能活动的功能，本设备采用的是电动驱动。

固定模式的编程模块化程序涵盖了涂装生产的多种标准工艺，利用运动控制器来做简单、规则和重复的动作。

示教编程可以通过自动化涂装车间的操作人员手动完成，通过手动操作示教器，将信号输入，这里所谓的信号可以是简单的前进/后退的命令、行进的速度或者机械臂摆动的幅度等。

示教器将接收到的信号传输给数据编码器对示教平台输入的信号通过自带的编码器进行再一次的编译，转化为驱动器可以识别的脉冲信号。

紧接着信号到达运动控制器，运动控制器可以再一次对输入的信号进行判断，运动控制器不改变信号的形式，将数据编码器传输过来的多种脉冲信号进行区别分送给后续各个伺服驱动器，从而确定该采取何种运动状态（方向、速度等）。

处于机器人身体各个部分的伺服驱动器接收到信号以后，对相应的AGV小车的齿轮进行驱动，从而完成整个机器人的智能运动。

为了使机器人的运动状态更加平稳合理，在机器人的车头前方加装了激光导航雷达，并与运动控制器相连接，当激光雷达扫描到障碍物后，会将信号直接反馈给运动控制器，从而进行运动状态的改变或者停止当前的动作。

与此同时，加装在AGV小车上的机械臂也可以通过示教器进行动作编程，通过示教器控制机械臂的关节轴进行运动，模拟空跑涂装过程，机械臂可以记住运行路径，在实际喷涂过程当中按照既定路线运行，至此，整个示教编程就算完成了。

根据大节段钢箱梁支墩位置的布置情况，将其更换为反光柱，模拟钢箱梁支礅所在位置便于机器人扫描识别，在完成布置以后使用机器人自带的激光扫描雷达进行原地转圈扫描。

扫描之后将信号传输到编程系统，扫描图像上传完成之后即可识别出障碍物所在位置，根据障碍物位置确定机器人运行轨迹。

在编程系统确定了机器人（AGV小车）的运动轨迹之后，使用编程软件进行机械臂运行方式的编程，我们使用高自由度多轴机械臂，编程软件界面设置多个控制条，每一条控制机械臂的一处关节，关节控制轴为时间的函数，随着时间进行移动。

编程软件的右边部分为机器人关机控制轴，一个自由度对应此处一个轴，这里可以调节关节轴的运行方向速度等，是一个比较复杂的联动过程。

实际的离线编程过程是在软件中拖动智能化涂装机器人的机械臂关节，进行模拟仿真实际的涂装施工过程，软件对应的控制轴会记住相应的运行速度和方向，从而在下一次运行过程中按照控制轴记录的数据进行运动。

随着涂装AGV小车的运动，机械臂每个关节轴的动作都是时间的函数，在涂装施工过程中，当起始位置定好后，小车及机械臂所有的关节都会随着时间运行。

在本编程软件中可以将机器人的运行状态作为时间的函数也纳入到控制条当中，将函数的自变量-时间设置统一，从而实现机械臂运动与机器人运动的有机联动，共同完成钢箱梁外表面的自动化涂装。

半球定位的导航方式是一种形象的说法，其实质也是利用了光学成像以及光信号传感器的原理，具体按照以下方式进行。

使用三维高清照相机对进入工作区域的杆件进行三维立体成像，识别出杆件的具体形状。

在对杆件的具体形状进行识别之后，采用半球（会发光的有磁性的半球体）对需要涂装施工的杆件位置进行空间标定，位置标定后涂装机械臂会根据标定进行自动寻位涂装。

涂装机器人的工作状态是机器人在一定空间做小范围的移动，被涂装施工的杆件在下部进行移动，从初始端进入涂装区域，等到离开涂装区域的时候涂装施工已经完成。

目前，此种导航方式机器人较多使用在焊接施工中，适用于体量较小的钢结构杆件。此种方式的涂装施工目前处在初期阶段，但是作为一种较为方便简洁的导航方式，会很快普及起来，应用于钢锚梁结构等较小杆件的自动化涂装。

为改善色漆层上的烘房颗粒，前期在闪干炉升温段和保温段壁板涂布有黏性粘尘剂。

粘尘剂涂布前做相应缩孔验证，缩孔试验方法是将粘尘剂涂在铁板上，和喷涂色漆的试验板一同放入烘箱内90℃烘烤15min，再将试板喷涂清漆，观察湿膜无缩孔；将喷涂清漆后的试板放入烘箱中，150℃烘烤30min后取出，确认干膜也无缩孔。

调查过程中还发现闪干强冷壁板出现水珠凝结，强冷循环风空调室体和风道内有水珠凝结。保洁人员在停产后清理强冷壁板和空调室体凝水，由于缺少专业工具未能对风道进行清理，清漆缩孔补漆率也有少量下降。

归纳总结验证结果，可以得出本次清漆缩孔的主要原因为：清漆助剂影响、清漆循环风污染和闪干强冷凝水。

针对这3个原因制定对策，供应商调整清漆配方，取消已确认的低极性助剂添加，并在后续添加其他助剂前，按照缩孔验证方法强化验证，搅拌4h、24h两次取样喷板都无缩孔才能使用。

由于换热器水管关阀拆开维修，临时安排保洁人员每日停线后清理循环风空调积水；并通过车间立项，在长假期时对换热器进行整体换新。

为防止后续再出现积水、长菌等问题，保洁公司定期开展循环风空调保洁，清理2m以下室体漆渣、积水，每月检查各工位空调脏污情况，出现异常及时汇报处置。

闪干强冷未设置除湿设备，无法从设备保障上杜绝凝水，只能安排保洁公司做闪干炉保洁时重点清理强冷壁板和空调的凝水，后续再通过设备改善进行消除。

缩孔是影响涂装质量的常见缺陷之一，直接原因是涂层在表面张力差的作用下收缩导致。

但影响涂层表面张力差的因素众多，且难以简单快速地判别，导致缩孔发生后的调查和改善极为艰难。

因此，缩孔重在预防，生产建线、材料导入和日常维护，针对每一个项目每一个细节落实缩孔监控要点，且一以贯之地执行落地，才能从根本上减少缩孔对涂装的影响。