鐵路貨車車廂標(biāo)記自動(dòng)化噴涂方案及系統(tǒng)研究

趙秀栩,王志超,唐紅濤,陳 成,陳文興,趙安林

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.中車長(zhǎng)江運(yùn)輸設(shè)備集團(tuán)有限公司科技開(kāi)發(fā)分公司 工藝研究所,湖北 武漢 430200)

目前國(guó)內(nèi)外鐵路貨車車車廂表面字符標(biāo)識(shí)噴涂作業(yè)主要依靠人工手持噴槍和模板對(duì)其進(jìn)行噴涂,對(duì)于超過(guò)1.6 m的字符標(biāo)記均由兩人以上作業(yè)或者采用升降機(jī)作業(yè)。鐵路貨車車型眾多,每種車輛模板各不相同,導(dǎo)致車輛模板用量大、消耗量大;人工噴涂作業(yè)質(zhì)量因人而異,有的噴涂字體排列不整齊不規(guī)范導(dǎo)致需要返工;作業(yè)過(guò)程中包含登高作業(yè),存在較大的安全隱患;噴涂過(guò)程中操作人員近距離接觸噴涂目標(biāo),油漆對(duì)人體呼吸道傷害較大,油漆工崗位上職業(yè)病患者較多。如何改善人工油漆噴涂作業(yè)環(huán)境,降低人工作業(yè)比例,提高鐵路貨車車體噴涂工藝水平和噴涂質(zhì)量是中國(guó)中車各子公司廣泛研究的課題[1]。史聰偉等[2]針對(duì)提取骨架特征對(duì)邊界噪聲敏感且易產(chǎn)生毛刺等問(wèn)題,提出基于中軸變換的特征提取改進(jìn)算法,筆者結(jié)合該算法提出中心線填充算法,進(jìn)一步解決字符噴涂?jī)?nèi)容填充問(wèn)題。張鵬等[3]針對(duì)曲面表面的噴涂問(wèn)題,結(jié)合曲面擬合理論與噴槍建模方法,建立噴槍軌跡優(yōu)化模型,提出一種滿足大曲率組合曲面上噴槍軌跡首尾銜接的算法程序,但并未解決噴槍參數(shù)對(duì)字符軌跡影響的問(wèn)題。Yang等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,研究了噴槍口徑和噴涂壓力對(duì)噴槍霧化的整體影響,并測(cè)試了最佳整體霧化性能下的參數(shù)。Singh等[5]針對(duì)無(wú)定型固體分散體噴涂干燥問(wèn)題,提出了新的噴涂干燥方法。

綜上所述,針對(duì)鐵路貨車標(biāo)記噴涂問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行過(guò)一定程度的探索,但并未能提出完整的解決方案。因此筆者提出采用協(xié)作機(jī)器人夾持改造后的油漆噴槍運(yùn)用中心線填充方法進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)來(lái)完成機(jī)器人工作范圍內(nèi)的字符標(biāo)記噴涂方案,并結(jié)合自動(dòng)導(dǎo)引車(automated guided vehicle,AGV)完成整車字符標(biāo)記噴涂。結(jié)合Qt優(yōu)越的跨平臺(tái)性,筆者自行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套基于Qt的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)輸入

鐵路貨車車型眾多,車體大小不一,筆者以敞車C80EH為例,介紹噴涂該類型車廂所要達(dá)到的設(shè)計(jì)輸入標(biāo)準(zhǔn)。該車型典型字符標(biāo)記內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示,永久性標(biāo)志的外觀應(yīng)圓滑平整、字跡應(yīng)清晰完整;字號(hào)、字符間距、字符厚度及字符位置誤差等應(yīng)滿足產(chǎn)品圖樣的要求,且均滿足TB/T1.1、TB/T1.2和TB/2345等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。另外根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)節(jié)拍,目標(biāo)生產(chǎn)節(jié)拍應(yīng)滿足:噴涂效率要有所提高,噴涂時(shí)間要比原噴涂方式減少20%以上。還要保證操作人員減少1人,且不使用字符標(biāo)記模板,最后是單車油漆消耗量要比現(xiàn)有消耗量減少20%以上。

圖1 C80EH典型字符標(biāo)記內(nèi)容

2 噴涂系統(tǒng)的機(jī)械組成

噴涂系統(tǒng)主要由AGV小車、改進(jìn)后的油漆噴槍、油漆供應(yīng)系統(tǒng)、協(xié)作機(jī)器人及機(jī)器人控制柜、上位機(jī)和電源電池等部件組成,噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。AGV小車由激光反射板導(dǎo)航在平行于車廂方向沿著車廂側(cè)面方向移動(dòng)和定位;改造后的油漆噴槍是噴涂字符標(biāo)記的關(guān)鍵部件,由自行設(shè)計(jì)的機(jī)器人末端夾具夾持進(jìn)行字符標(biāo)記噴涂;油漆供應(yīng)系統(tǒng)由油漆供應(yīng)器、壓力罐、氣壓供應(yīng)器、電磁閥以及油漆沖洗盒等組成;機(jī)器人要同時(shí)滿足車廂頂部和底部的字符標(biāo)記噴涂,AGV小車加上機(jī)器人高度不能滿足此需求,需要通過(guò)增加底座高度來(lái)完成;上位機(jī)和電池電源等部件擺放在小車頭部,便于工人操作和充電。

圖2 噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 改進(jìn)油漆噴槍及供應(yīng)系統(tǒng)

由于目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有成熟的直接用于噴涂字符標(biāo)記的油漆噴槍,因此本方案重點(diǎn)在于研究基于發(fā)散性油漆噴槍和噴墨打印機(jī)的噴涂設(shè)備?，F(xiàn)有的油漆噴槍有很多種類,按壓縮空氣的供給方式可分為內(nèi)混式和外混式兩種[6];按涂料的供給方式可分為重力式、虹吸式和壓送式[7]。油漆噴槍主要是依靠涂料輸送設(shè)備加壓來(lái)進(jìn)行的,涂料通過(guò)壓力泵或隔膜泵壓送出來(lái),因此可以通過(guò)施加不同的壓力調(diào)節(jié)涂料流量,運(yùn)用壓縮空氣將涂料擊成霧狀,涂料均勻附著在被噴物體表面,形狀不可控且易產(chǎn)生毛邊,現(xiàn)有車廂字符噴涂正是依賴油漆噴槍與模板完成。噴墨打印機(jī)的油墨在油墨泵的帶動(dòng)下在內(nèi)部管道形成墨流回路,在墨路導(dǎo)向閥門的控制下經(jīng)過(guò)供墨管道對(duì)噴頭施加壓力,使得油墨能夠從噴嘴噴射出來(lái)最終形成墨線[8],其基本滿足噴涂需求,然而油墨壽命一般為2～3年,無(wú)法滿足鐵路貨車在惡劣環(huán)境下8～10年的壽命要求。結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出仿油墨噴頭的油漆噴槍,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,其工作原理是有一定壓力的壓縮空氣從噴嘴的環(huán)形孔噴出時(shí)在噴嘴前形成負(fù)壓,油漆涂料在氣壓的作用下通過(guò)中心孔道被抽出,涂料與壓縮空氣匯合后分散成細(xì)小的涂料顆粒,最后經(jīng)過(guò)前端噴嘴重新匯聚成束狀粒子附著在被噴物體表面,形成整齊的線條,其噴涂效果如圖4所示,噴涂寬度調(diào)節(jié)范圍為3～25 mm,基本可以滿足字符標(biāo)記噴涂。

圖3 噴槍結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖4 噴涂效果圖

油漆供應(yīng)系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后油漆噴槍內(nèi)難免會(huì)產(chǎn)生堵塞,或者一段時(shí)間不工作噴槍內(nèi)也會(huì)由于油漆凝固而堵塞噴頭,因此給該噴槍配備一個(gè)油漆沖洗裝置是必不可少的。該油漆沖洗盒帶有清洗液、空氣出口、沖洗軟管和頭部空氣連接器,系統(tǒng)由24 V直流電磁閥控制。

2.2 激光導(dǎo)航AGV小車

AGV小車作為承載整個(gè)系統(tǒng)重量的部分,且負(fù)責(zé)整個(gè)噴涂設(shè)備沿車廂側(cè)面方向移動(dòng)和定位。AGV小車有多種導(dǎo)航方式,常見(jiàn)的主要是電磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航等。激光反射板導(dǎo)航是指在AGV小車行駛的路徑周圍安裝激光反射板,AGV小車發(fā)射并接收所反射的激光束,根據(jù)檢測(cè)到的反射板的精確位置,計(jì)算AGV當(dāng)前的位置和航向從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航[9]。由于這種導(dǎo)航方式穩(wěn)定可靠,比較容易改變或擴(kuò)充路徑,定位精度也較高,又無(wú)需在地面安裝其他定位設(shè)施,因此非常適合在貨車車廂標(biāo)記噴涂中使用。每節(jié)待噴車廂由定位裝置固定在同一位置,車廂待噴區(qū)域側(cè)面對(duì)應(yīng)位置會(huì)有相應(yīng)的激光反射板,每個(gè)區(qū)域會(huì)有對(duì)應(yīng)標(biāo)定的數(shù)字。小車在行駛過(guò)程中通過(guò)激光雷達(dá)連續(xù)不斷的發(fā)送激光脈沖,激光雷達(dá)通過(guò)識(shí)別掃描范圍內(nèi)的物體表面反射率來(lái)識(shí)別激光反射板的位置信息,再通過(guò)最少3個(gè)反射板的位置計(jì)算出激光雷達(dá)所在的AGV的位置和姿態(tài)信息。該方法位置定位偏差為±10 mm,如圖5所示。當(dāng)AGV到達(dá)指定區(qū)域后停止,小車定位產(chǎn)生的偏差使得字符位置偏差在±10 mm,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。完成單節(jié)車廂噴涂作業(yè)后隨即回到初始位置等待下一次噴涂。

圖5 噴涂位置定位圖

3 噴涂系統(tǒng)流程

在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,字體格式主要分為點(diǎn)陣字體和矢量字體。矢量字庫(kù)是通過(guò)數(shù)學(xué)方程來(lái)對(duì)每個(gè)字形進(jìn)行描述,一個(gè)字形上分割出若干關(guān)鍵點(diǎn)[10],然后用平滑曲線將各關(guān)鍵點(diǎn)按一定順序連接起來(lái)形成唯一的矢量字符,矢量字體的優(yōu)勢(shì)在于其隨意放大和縮小也不會(huì)產(chǎn)生形變。現(xiàn)有矢量字庫(kù)中的字母或數(shù)字是由字符輪廓上的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接而成,如何進(jìn)行字符中間內(nèi)容填充是字符噴涂的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1 矢量字符的中心線填充

筆者提出一種基于中軸變換(medial axis transformation,MAT)的中心線填充方法,在現(xiàn)有矢量字符庫(kù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)字符對(duì)象不同,中軸變換方法可分為兩個(gè)部分:一種是等距自相交的中軸線生成方法,可用于等寬的數(shù)字、字母和圖形的內(nèi)容填充;另一種是多邊形的中軸變換,可以用于漢字輪廓這種像多邊形一樣的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),同理可以將多邊形中軸變換方法運(yùn)用到漢字輪廓的骨架化中,為后續(xù)漢字字符填充提供依據(jù)。

針對(duì)數(shù)字類的等距自相交字符,按照方法生成等距自相交中軸線,再將中軸線作為基準(zhǔn),將字符輪廓往內(nèi)部偏移一定距離,該距離應(yīng)滿足噴涂直徑略大于中軸線與輪廓間距,然后生成新的關(guān)鍵點(diǎn)和平滑曲線組成的軌跡,最后將新生成的軌跡關(guān)鍵點(diǎn)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,軌跡生成方法如圖6所示。各個(gè)字號(hào)大小字符對(duì)應(yīng)噴涂線條寬度不同,因而偏移距離不同,最終生成的字符軌跡關(guān)鍵點(diǎn)也不相同。在完成每個(gè)字符各字號(hào)的軌跡生成后,將軌跡點(diǎn)坐標(biāo)以“字號(hào)_字符內(nèi)容”為表名存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)自主編寫(xiě)的軌跡點(diǎn)讀取算法將生成的字符軌跡關(guān)鍵點(diǎn)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人能夠讀取的坐標(biāo)點(diǎn)。確定好噴頭末端到機(jī)器手末端相對(duì)位置,通過(guò)自主編寫(xiě)的修正算法將機(jī)器手末端運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)化為噴頭末端運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6 中心線軌跡生成過(guò)程

針對(duì)漢字字符可運(yùn)用多邊形的中軸變換將字符輪廓骨架化,即將漢字看作多邊形劃分成有限個(gè)三角形,通過(guò)求取劃分后三角形的內(nèi)心從而得到骨架線。由于漢字本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如果使用傳統(tǒng)三角剖分規(guī)則來(lái)劃分會(huì)很復(fù)雜,因此筆者將轉(zhuǎn)求漢字線段的最小內(nèi)切圓,找到其內(nèi)心,從而得到骨架線。后續(xù)中心線軌跡生成方法與上文相同。

3.2 噴涂流程及軟件設(shè)計(jì)

本文方案的噴涂流程如圖7所示。當(dāng)AGV小車定位到對(duì)應(yīng)噴涂區(qū)域后,登錄系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊登錄即可進(jìn)行該區(qū)域字符噴涂區(qū)域選擇界面,然后選擇待噴涂字符區(qū)域,為機(jī)器人調(diào)整到對(duì)應(yīng)姿態(tài)做準(zhǔn)備;接下來(lái)按照字符軌跡命名“字號(hào)_字符內(nèi)容”的方式查找字符,根據(jù)機(jī)器人工作范圍大小可以同時(shí)噴涂同區(qū)域多個(gè)字符,大大簡(jiǎn)化工作流程;最后是噴涂控制界面,點(diǎn)擊連接機(jī)器人后上位機(jī)與機(jī)器人正式建立通信,點(diǎn)擊機(jī)器人復(fù)位恢復(fù)到機(jī)器人初始位姿,然后點(diǎn)擊開(kāi)始噴涂機(jī)器人便會(huì)按照數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的軌跡進(jìn)行字符噴涂。

圖7 噴涂系統(tǒng)流程圖

(1)登錄界面。該界面主要用于操作人員信息驗(yàn)證。操作人員驗(yàn)證通過(guò)擁有不同的操作權(quán)限,分別為操作人員權(quán)限和管理人員權(quán)限,操作人員權(quán)限只能進(jìn)行噴涂字符操作,而管理人員則有權(quán)限對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的軌跡進(jìn)行修改。

(2)噴涂區(qū)域選擇界面。該界面可實(shí)時(shí)查看所有車型的固定字符標(biāo)記區(qū)域和可變字符標(biāo)記區(qū)域,操作人員通過(guò)下拉菜單選擇相應(yīng)車型和對(duì)應(yīng)噴涂區(qū)域。

(3)字符選擇界面。該界面通過(guò)字符屬性對(duì)所有可變字符標(biāo)記區(qū)域的字符進(jìn)行選擇,而固定字符區(qū)域的字符在車型一經(jīng)選擇后便不會(huì)改變。

(4)噴涂控制界面。該界面通過(guò)按鈕完成噴涂作業(yè)的所有要求,界面上方輸出相應(yīng)操作信息欄,實(shí)時(shí)顯示命令是否執(zhí)行成功,噴涂過(guò)程中如果發(fā)生故障或錯(cuò)誤,也會(huì)第一時(shí)間在該信息欄中輸出相應(yīng)故障原因。

(5)噴涂過(guò)程仿真界面。該界面通過(guò)虛擬機(jī)中的機(jī)器人模擬運(yùn)動(dòng),實(shí)時(shí)觀察實(shí)際噴涂過(guò)程中的機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)軌跡,并且可以實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位姿變化。

3.3 噴涂效果仿真

由于可變字符區(qū)域字符內(nèi)容只有數(shù)字和字號(hào)在變化,將某節(jié)貨車車廂的所有固定字符標(biāo)記噴涂時(shí)間經(jīng)過(guò)仿真測(cè)算,如圖8所示,再將所有可變字符噴涂時(shí)間經(jīng)過(guò)仿真測(cè)算后計(jì)算平均值。將所有字符軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)間經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試3次,如圖9所示,取實(shí)際時(shí)間平均值。經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)際與仿真誤差不超過(guò)5%,符合本項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo),計(jì)算平均噴涂總時(shí)間,如表1所示。

表1 某節(jié)車廂字符標(biāo)記噴涂時(shí)間表

圖8 噴涂仿真圖

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

從表1可知,車廂字符標(biāo)記噴涂總時(shí)間為950.71 s,即15.85 min,算上小車移動(dòng)時(shí)間約為5 min,以及噴涂過(guò)程中不同字符之間移動(dòng)時(shí)間約為5 min,總計(jì)用時(shí)約為25.85 min。而未使用本系統(tǒng)的人工噴涂時(shí)間約為每節(jié)車廂40 min,由此可知本系統(tǒng)可以有效減少35.38%的噴涂時(shí)間,提高噴涂效率超過(guò)20%,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的鐵路貨車車廂標(biāo)記字符噴涂工藝中存在的問(wèn)題,提出以電動(dòng)牽引車為承載和定位工具,使用工業(yè)機(jī)器人夾持改進(jìn)后的特殊油漆噴槍完成對(duì)特殊型號(hào)鐵路貨車車廂標(biāo)記字符進(jìn)行噴涂作業(yè)的方案。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,使用該系統(tǒng)可有效減少油漆在模板上的使用,避免模板耗材浪費(fèi),噴涂線條清晰。經(jīng)過(guò)測(cè)算后的單節(jié)車廂噴涂時(shí)間比人工模板噴涂時(shí)間降低了35.38%,實(shí)驗(yàn)條件下可以滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求,證明了本方案的可行性,為鐵路貨車車廂標(biāo)記自動(dòng)化噴涂提供了全新的解決辦法。