塗裝是製造業中一項非常重要的工序，它能有效地防止工件受外界環境侵蝕，提高工件壽命，而且能美化工件外觀。目前在國內，塗裝工序主要還是靠人工完成，塗裝的質量受工人的技術熟練程度、心情等因素的影響很大。同時，塗裝過程中揮發出來的有毒氣體對工人的身體健康影響很大。
實現塗裝過程自動化，具有巨大的社會與經濟效益。噴塗機械人就是一種典型的塗裝自動化裝備。使用機械人進行噴塗作業，工件塗層均勻，重複精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環境中解放出來。
國際上將機械人應用到噴塗領域已有二十多年的歷史，最早將機械人技術應用於噴塗的有美國的minihit公司、fudge公司、德國的hatel公司等。
隨著機械人技術的不斷完善，噴塗精度得到顯著提高，噴塗機械人在主要的發達國家得到廣泛的應用。我國的華南理工大學、華中科技大學等科研機構先後對噴塗機械人技術進行深入的研究，取得了不少進展。航天航空部的703所、625所使用熱噴塗機械人進行作業，用來噴塗一些重要而特殊航空部件。
目前在我國，還沒有完全意義上的獨立生產噴塗機械人的廠家，機械人市場大多為歐美、日本、南韓等國的生產廠家所壟斷。近年來，我國的一些企業積極與高校開展噴塗機械人的專案合作，進一步推動我國噴塗機械人技術的成熟，普及與應用。
1、噴塗機械人的種類
1.1 仿形噴塗機械人
仿形噴塗機械人根據被噴塗工件的外形特點，簡化機械人本體的結構與控制方式，造價低廉，維修簡便，噴塗質量基本上能滿足工業的需求。據國外公司統計的數字顯示，採用仿形噴塗機械人進行作業，噴房內部尺寸可減少2/3 ，排風量減少3/5 ，漆霧處理的衝水流量減少1/3，塗料節省大概30%—50%。仿形噴塗機械人廣泛應用於汽車、鐵路機車車輛等機械製造業的噴塗作業，用於完成被工件頂部與側面的噴塗。
相關資料介紹了一種用於汽車車身噴塗的仿形噴塗機械人，該機械人模仿汽車車身的形狀，同時在頂部與側面各安裝噴槍，噴槍固定在機架上，噴槍與車身的距離、角度可以調解，以滿足不同型號的車身的噴塗需要。機械人採用plc控制方式，整個系統可靠性高，組態可靈活調整，程式設計方便，除錯維護簡單，對不同車型的車身通過程式設計即可達到仿形程式設計目的。
1.2 移動式噴塗機械人
這類機械人主要用於高空的噴塗作業，如大樓、橋梁的高空噴塗等，配備纜繩、真空或磁吸附裝置，充當機械人的下肢，使機械人能夠在高空噴塗作業的同時進行移動。相關資料介紹一種纜索機械人，用於斜拉橋的高空噴塗，利用plc作為機械人的控制系統，機械人系統執行穩定，可靠性高，可滿足斜拉橋高空噴塗的需要。還有一種用於高層建築噴塗作業的移動機械人，以真空吸附的方式進行高層建築物的噴塗作業，機械人由支援系統、機械人本體、控制系統組成。
其中支援系統包括移動小車、卷纜部件、懸掛裝置；控制系統採plc控制。機械手採用往復運動的方式，同時在噴塗機械手上還安裝了兩套ccd攝像系統，可從支援小車的監視器實時監視噴塗作業情況和牆面噴塗的質量。該機械人的推廣應用提高了高層建築噴塗作業的質量、工作效率和安全可靠性，降低工人的工作量。
1.3 經濟型簡易噴塗機械人
這類機械人本質上是一種三自由度直角座標機械人，採用龍門架式的框架結構，配備有專門的夾具，進行噴塗作業時，須先手工將被噴塗工件夾緊到工作台上，再操縱機械人進行噴塗。主要用於手機、計算機鍵盤等小型電子產品外殼的噴塗作業，該機械人結構簡單、操作簡便易行，且成本較低。但系統功能單一，一般只能用於小型件的噴塗作業。
1.4 固定式多自由度噴塗機器
這種機械人常固定於噴塗生產線的兩側，作業時被工件通過輸送帶送入生產線，再由機械人對工件進行噴塗作業，這種機械人常為迴轉式關節型機械人，常見的是5、6自由度關節機械人。機械人的控制系統常採用在工控機上插入輸入輸出i/o卡和運動控制卡的模式，再通過計算機高階語言程式設計實現整個噴塗作業過程的自動化，可適用於各種不同場合的噴塗作業需要
2、噴塗機械人執行方式
2.1 示教型噴塗機械人
這種方式必須首先確定機械人在噴塗件表面的運動軌跡，先操縱機械人沿運動軌跡空走一遍，即對機械人進行示教。在示教過程中，機械人記錄下各個示教點的軌跡座標，在真正噴塗過程中，機械人根據先前記錄下來的示教點對工件進行自動噴塗作業，示教點之間的曲線部分採用插補演算法確定各個插補點座標，以逼近原曲線軌跡，最後通過機械人正逆解運算求出每一關節轉過的角度。
2.2 離線程式設計式噴塗機械人
這種方式首先獲取被噴塗物件的立體幾何形狀，然後採用各種演算法確定出工件表面的噴塗點座標，機械人根據已確定的點座標進行自動噴塗作業。噴塗點之間的曲線部分通過插補運算確定插補點座標，以逼近原曲面，最後通過機械人正逆解運算將插補座標從三維空間轉換成各個關節角度空間。
3、噴塗機械人的控制方式
工業中應用的機械人控制系統一般採用二級控制方式，其中工控機充當主控制器，用於整個控制流程的協調與排程，第二級控制器用於噴塗機械人的運動控制。一種工控機加dsp的控制模式，工控機充當一級控制器，負責系統管理，機械人語言編譯與人機介面等功能；dsp充當二級控制器，主要負責機械人的運動控制，包括了機械人運動正逆解運算、插補運算、關節的位置控制等功能。工控機與dsp不直接進行通訊，通過公用記憶體交換資料，工控機與dsp均可從該記憶體中讀取資料，以達到通訊的目的。
當前比較通用的是工控機加上運動控制卡的模式，即將運動控制卡插入工控機的pci插槽中，工控機與運動控制卡之間通過pci匯流排進行通訊。工控機負責系統的檔案管理、系統引數設定、機械人語言的解釋、示教檢查、系統程式的協調排程、故障診斷、機械人運動學正逆解與插補運算等功能。運動控制卡只擔負機械人的運動控制功能，增強了機械人運動的實時性。
人機介面功能由插在工控機上專用的i/o卡來完成，i/o卡將裝置執行狀況、行程限位開關等資訊以開關量的形式實時反饋給工控機，工控機根據讀取到的資訊做出相應的反應。示教盒與主機通過rs232匯流排進行通訊。控制系統硬體結構通常包括了工控機、運動控制卡、i/o卡、示教盒、伺服電機等部件，硬體控制系統結構如圖1所示。
圖1 噴塗機械人的控制系統結構圖
4、噴塗機械人技術難點
4.1 噴塗工件cad造型的獲取
噴塗機械人離線程式設計的第一步是必須獲取噴塗工件的cad資料，將工件的設計階段與加工製造階段整合起來，從工件設計階段直接獲取其cad資料，再根據所獲取的cad資料進行路徑規劃。使用三維雷射掃瞄器進行掃瞄，獲取工件實物表面的資料，形成點雲，再通過三維重構，獲取工件的cad實物資料。使用機械式探針沿工件表面滑動，以獲得工件表面資料，再對工件表面資料進行日樣條擬合，最終重構出工件的三維模型。
隨著計算機視覺技術的成熟，可以利用模式識別技術先識別出待噴塗的工件，再利用影象處理技術提取工件表面的特徵點，形成資料點雲，最後通過影象的三維重構獲取工件的cad資料。
4.2 噴塗路徑規劃
路徑規劃是噴塗機械人離線程式設計的另一項關鍵技術。路徑規劃的好壞，直接關係到噴塗作業的效率以及工件表面的塗層是否均勻，對噴塗工件的質量的影響巨大。在獲取到工件的cad資料後，基於有限元的思想，以三角形小單元來近似逼近工件曲面，提取各個三角形單元的中點作為噴塗點，連線各個噴塗點獲取噴塗路徑。
將獲取到的工件cad資料轉換成stl檔案，基於快速成形的切片技術將工件的三維模型進行分層，將各層的點資料進行向量擴充套件，得到一系列有方向的點係，最後按照一定的排列順序形成噴塗機械人的噴塗軌跡。採用虛擬實境技術，先構建噴塗過程的虛擬過程，在虛擬的環境下進行噴塗作業，定義最優的噴塗軌跡，同時將所定義的軌跡轉換成最終執行的機械人語言。根據噴槍在工件表面的塗層累積速率數學模型，構建工件曲面上任意一點的塗層厚度數學表示式，用於優化的方法，在曲面的函式空間內尋求一條最優路徑的函式表示式，由此得出噴塗的軌跡路徑。
4.3 噴塗機械人的位姿精度與標定
影響噴塗機械人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態與動態因素。靜態因素包括了製造、裝配時所帶來的機械人本體機械結構上的誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機械部件的尺寸變化，由此造成機械人位姿的誤差。動態因素主要是由外力所引起的機械部件本身的彈性變形所帶來的機械人運動誤差。
為解決以上因素所造成的機械人位姿誤差，必須在使用前對機械人進行標定，建立機械人的參照模型，目前用於機械人標定的技術有基於三座標測量儀的標定、基於雷射跟蹤儀的機械人標定以及基於 ccd的機械人標定。根據機械人實際執行時的位姿與參照模型間的誤差，建立機械人補償機制，以進一步提高機械人噴塗作業的精度。
4.4 噴塗機械人的控制
噴塗機械人的控制較為常用的仍是傳統的pid理論，在實際的應用中，噴塗機械人機械臂的長度往往很長，當整個機械臂伸展開時大約可達到2m的長度，且執行速度較高，各關節間的動力學效應非常顯著，不能忽略，從而造成機械人各關節的被控物件模型是時變的。而傳統pid理論的比例（p）、積分（i）、微分（d）引數的整定是建立在關節傳遞函式模型為定值基礎之上的，這對傳統的基於系統動力模型的控制理論帶來了挑戰。此外，實際工業現場往往存在有各種不確定的干擾，也會對pid控制器造成影響。
以上兩個因素決定了pid控制器必須具備一定的自適應性，其比例、積分、微分引數應能夠隨著外界環境的改變而自動的變化。智慧型控制理論的提出與發展為問題的解決帶來了新的思路。智慧型控制是人工智慧、生物學與自動控制原理結合的產物，是一種模仿生物某些執行機制的、非傳統的控制方法。
將神經網路、模糊理論、人工免疫、遺傳進化等智慧型控制演算法與pid理論相結合，用於pid引數的整定，成為未來機械人控制發展的趨勢。
5、結論
本文介紹了噴塗機械人技術的研究進展情況，敘述了常見的噴塗機械人種類、執行方式、控制方式及其控制系統的結構體系，深入分析噴塗機械人的主要技術難點。展望未來，噴塗機械人離線程式設計技術方面，。機械人的位姿精度與標定技術方面，基於ccd的標定法是趨勢。
機械人控制領域，新型智慧型控制演算法之間、智慧型演算法與傳統pid控制演算法間的融合與應用是未來機械人控制發展的趨勢。隨著感測檢測技術與人工智慧的發展，未來的噴塗機械人將具備實時檢測，實時自主規劃噴塗路徑的能力，噴塗機械人將進一步朝著智慧型化的方向發展。
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