智能化喷涂机器人的研究现状及进展

【摘 要】 喷涂机器人作为一个复杂的集成系统，需要计算机科学、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科支撑，是一个国家工业自动化水平的重要标志。回顾机器人的发展历史，解决应用中出现的难题，争取早日实现航空制造领域喷涂机器人的产业化。

【关键词】 喷涂机器人 结构设计 控制 优化

【Abstract】 Spraying robot as a complicated and integrated system requires the support of advanced multidisciplinary knowledge including computer science， cybernetics， mechanisms， information and sensing technology， artificial intelligent and bionics. Hence， spraying robot is thought of as an important symbol of automation level of a nation’s industry. Reviewing the history of spraying robot and discussing the problems in applications is imperative to its early industrialization in aircraft manufacturing field in China.

【Key words】 Spraying robot structural design control optimization

喷涂机器人是一种主要用于表面涂覆工作的特殊机器人，是机器人技术和表面喷涂工艺相结合的产物[1]。喷涂机器人能满足环保、效率和柔性生产的需要，因而在现代化的喷涂线上有望全部替代人工操作[2]。涂层的厚度、均匀度、光泽度和丰满度等是评价涂装表面质量的重要指标。而在航空领域，特别是飞机表面的涂装，则对厚度和均匀度提出了更为严格的要求[3]。喷涂机器人容易满足安全环保、高效和高质量的喷涂要求，是未来自动化涂装发展的必然趋势[4]。对喷涂机器人的技术发展进行回顾，探究应用中出现的问题，有助于早日实现航空制造领域喷涂机器人的产业化。

1 喷涂机器人的发展简史与现状

喷涂机器人作为特殊的工业机器人，除了能极大降低工人的劳动强度和改善工作环境外，还具有如下的特点：（1）轨迹灵活，位置控制精确，涂膜厚度均匀；（2）柔性大，适用范围广；（3）易于操作和维护，可离线编程，大大缩短了现场调试时间；（4）设备的利用效率高。

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。目前，国外尤以喷枪的建模分析和轨迹优化的研究居多。1986年，Klein首次探讨了喷涂机器人的离线编程技术，建立了喷涂离线编程系统，并能进行交互式设计和喷枪仿真与机器人的运动轨迹分析[5]。1999年，Balkan等人用实验方法建立了涂料的分布方程，在此基础上探讨了喷枪模型在平面上的轨迹优化方法，并完成了实验研究[6]。Hansbo等人针对旋转物体热喷涂机器人喷涂时的涂料累积模型进行了机器人运动轨迹优化分析，并进行了实验验证[7]。Vejko等人以降低涂料浪费和电机负载为目标，在保证喷涂质量的前提下对相关的参数进行了优化[8]。2001年，Arikan等人开发了一种喷涂机器人离线编程系统，实现了在线控制涂层厚度[9]。2005年，Sheng等人提出了复杂自由曲面上喷涂机器人喷枪路径规划方法，通过建立优化目标函数来优化喷涂机器人喷枪路径模式及行走方向[10]。Chen等人首次提出复杂曲面喷枪轨迹组合优化时的涂层干涉问题，并通过仿真数据讨论了解决方案[11]。Duncan等人在空间频域的方法上给出了喷涂时路径间距的优化方法[12]。2009年，Chen等人将基于曲面CAD模型的喷涂机器人轨迹规划方法与Atkar的方法进行比较，讨论了两种方法的优缺点[13]。2010年，Gyorfi等人考虑到喷枪路径规划时的约束问题，用遗传算法和图搜索方法实现了方案优化[14]。

国内的喷涂机器人近年来也有了长足的发展。1991年，北京机械工业自动化研究所完成了我国第一条自动喷涂生产线，还开发了PJ系列电液伺服喷涂和EP系列的电动喷涂机器人。国内的哈尔滨工业大学、上海交通大学、天津大学，南京理工大学等高校都开发出了喷涂机器人，但尚未形成批量生产的能力[15]。

国内的喷涂机器人研究成果主要集中在两个方面：（1）喷涂机器人的构型、运动学和动力学分析。（2）喷涂机器人的轨迹规划和运动仿真等问题。彭商贤等人对喷涂机器人的手臂静动特性进行了研究[16]。王战中等人对非球形手腕6R串联喷涂机器人采用矩阵方程和方向余弦进行了逆运动学分析[17]。杜亮等人对喷涂机器人的各关节和喷枪之间的关系进行了计算，并对机器人的结构进行了分析[18]。赵德安等人根据复杂曲面分片交界处喷枪空间路径相对于交界线的三种位置关系，探讨了涂层厚度计算方法和喷枪轨迹优化问题[19]。范柯灵等人采用摄动法分析了机器人的位姿误差[20]。曾勇等人提出了最小二乘圆弧逼近思想，在保证喷涂精度的同时有效减少了复杂曲面的分片数[21]。陈伟华等人利用抛物线逼近法也对喷枪轨迹优化问题进行了研究[22]。蔡蒂等人使用蒙特卡洛法对机器人的工作空间进行了分析和仿真[23]。国内的其他学者还对涂层的厚度、均匀性等进行了研究[24]。

2 未来喷涂机器人发展的趋势和市场需求分析

随着航天技术的发展，喷涂的数字化已经成为现代喷涂技术的发展趋势。喷涂的数字化就是综合利用三维CAD技术、可视化技术、离线编程技术等先进的数字化技术来提高喷涂的自动化程度、喷涂质量、喷涂效率、改善喷涂的工作条件[25]。基于制造业面临的挑战，喷涂机器人未来的研究重点主要包括：

（1）机构创新理论。不断由串联机构向并联和复合式机构等新机构构型延伸，增强机器人的运动灵活性、模块化和重构特性，适应制造业的小批量多品种；

（2）先进控制理论。喷涂机器人越来越多地被用于复杂曲面喷涂，要实现高效、高质量喷涂，需要先进的控制理论做支撑。此外，国际上的机器人已经进入以智能化为标志的第3代，更需要先进的控制理论。

（3）新型传感器技术。目前喷涂机器人已经使用了多种传感器，但是要实现多传感器的信息融合还比较困难。

（4）网络化。未来工厂的发展趋势是无人化，要实现对喷涂机器人的监控、远程诊断和机器人之间的工作协调，就需要实现喷涂机器人的网络化。

随着我国制造业的持续发展和结构转型，以及喷涂机器人功能的日益增强和价格的不断下降，未来将会有更多的喷涂机器人应用到制造业中。

未来喷涂机器人的一个应用热点是航空航天领域[26]，目前公开发表的文献中，仅美国将喷涂机器人在飞机上进行了应用[27]。数据表明，机器人不但喷涂效率高，而且喷涂质量稳定可靠，尤其能满足隐形飞机对喷涂的高指标要求。美国Berry等研制的SAFARI系统采用示教方式对F-15进行冲洗和喷涂，仅用10个小时就可以完成所有的工作[28]。B-2轰炸机采用手工喷涂需要10万小时，F-22采用手工喷涂预计需要1万小时，而用机器人喷涂只需要1000小时[29]。F-35飞机使用RCFS和RAFS两套自动化喷涂系统，可以在单日内完成全方位喷涂。并且保证喷涂流量的误差控制在±3%的范围内，95%以上的涂层测量点厚度满足公差要求[28]。美国卡耐基梅隆大学国家机器人工程中心（NREC）、CTC公司和空军研究实验室采用移动式工业机器人构成军机表面涂层激光剥离系统（如图1）。该方式既降低了工作量和处理时间，又避免了废料和空气污染[30]。现阶段，我国飞机的喷涂还依靠传统的手工方式进行。为满足精度控制，往往需要进行额外的打磨和补喷。导致飞机喷涂的劳动强度大、作业效率低，并且对工人的身体造成较大的伤害。

制造业中的航空航天设备，普遍具有结构复杂、工作环境恶劣、可靠性要求高、成本低及重量轻等特点。而航空航天设备的制造，通常研制周期长，加之更新换代快，更适合小批量多品种生产[8]。我国要完成由航空航天大国到强国的转变，就必须迈过飞行器自动喷涂这道坎。因此，未来在航空航天领域对智能喷涂机器人的需求比较迫切。

3 我国喷涂机器人发展面临的问题和解决策略

和国外类似，我国的喷涂机器人取得了长足的发展，但是也存在许多问题。企业花费巨资进口的喷涂机器人，但其核心技术严格保密，尚未达到最佳的喷涂效果。基于国内外劳动者生产水平的差异，直接照搬国外的生产线普遍存“水土不服”的问题。一部分代价不菲的进口喷涂机器人往往处于闲置状态，甚至出现不能正常运行的情况[31]。还有少数企业采用机器加人工的半自动喷涂模式。这往往会造成喷涂质量不高的现象，也会不可避免地对工人身体造成伤害。因而开发适合国内生产需求的高精度喷涂机器人尤为重要。

国内的研究机构，尽管发表了高水平的论文和研究成果，也制造出了样机，但受困于基础制造业水平的制约，产品性能无法得到市场认可而难以实现产业化。其中最主要的原因是缺乏机器人核心元部件的制造能力。

综上所述，未来制造业将更多的依赖高端装备，制造业之间的竞争更多的体现在装备之间的竞争。因而，开发具有自主知识产权、完全适合国内企业需求的喷涂机器人具有重要的战略意义。解决国产喷涂机器人产业化的困境，需要从以下3个方面着手：（1）解决国内机器人产业化中的瓶颈。近十几年机器人的发展过分强调了系统集成，忽略了关键部件制造技术的突破，使得制造成本过高；（2）确保国内机器人产业化的有序竞争。大量企业的机器人项目蜂拥而至，造成了市场的恶性竞争，也浪费了研发经费和研发时间；（3）制定国内机器人产业化的中长期发展战略。国家应该出台相应政策，鼓励企业和高校建立产学研用联盟，结合国情探索机器人应用的新领域和新模式。

4 结语

高质、高效和智能化是喷涂作业的发展趋势，也是数字化制造技术的发展要求。智能化主要是指由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术汇集而成的针对这一个方面的应用。我国的喷涂机器人技术和水平虽然有了很大的发展，但是与国外的差距较大，尚未实现产业化。未来喷涂机器人需要在借鉴国外技术的基础上，不断提高机器人的应用水平和制造业的升级转型。可以采取的措施主要有：

（1）在机器人设计方面，需要依赖企业和高校的联合攻关实现具有我国自主知识产权的机器人机构的结构创新。

（2）在机器人制造方面，要以关节机构、减速机以及伺服电机等关键元件制造和实用化为突破口，掌握核心的机器人技术；

（3）国家和地方政府需要出台相关政策，鼓励和支持企业、高校和科研院所结成机器人产业联盟。规范现有的机器人研发秩序，支持龙头企业发展壮大，提高资金的利用效率。

参考文献

[1]李发忠.静电喷涂机器人变量喷涂轨迹优化关键技术研究[D].江苏大学，2012.

[2]杨扬.基于特种工件的大工作空间喷涂机器人设计与分析[D].北京交通大学，2012.

[3]王朝晖，陈恳，吴聊，等.面向飞机表面喷涂的多层次控制程序结构[J].航空学报，2013，34（4）：928-935.

[4]石银文.快速发展的机器人自动喷涂技术[J].机器人技术与应用.2007（5）：11-13.

[5]Alexandr Klein.CAD-based off-line programming of painting robots[J].Robotica，1987，5（4）：267-271.

[6]Tuna Balkan，M.A.Sahir Arikan.Modeling of paint flow rate flux for circular paint sprays by using experimental paint thickness distribution[J].Mechanics Research Communications， 1999，26（5）：609-617.

[7]Anita Hansbo，Per Nylen.Models for the simulation of spray deposition and robot motion optimization in thermal spraying of rotating objects[J].Surface and Coating Technology，1999， 122（2-3）：191-201.

[8]Veljko Potkonjak，Goran S.Dordevic，Dragan Kostic，et al.Dynamics of anthropomorphic painting robot：quality analysis and cost reduction[J].Robotics and Autonomous Systems，2000，32（1）：17-38.

[9] M.A.Sahir Arikan，Tuna Balkan.Process simulation and paint thickness measurement for robotic spray painting[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2001，50（1）：291-294.

[10] Weihua Sheng，Heping Chen，Ning Xi，et al.Tool path planning for compound surfaces in spray forming processes[J].IEEE Transactions Automation Science and Engineering，2005，2（3）：240-249.

[11]Heping Chen，Ning Xi，Weihua Sheng，et al.Optimizing material distribution for tool trajectory generation in surface manufacturing[C].Proceedigns of IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，California，July24-28，2005，pp.1389-1394.

[12]Stephen Duncan，Paul Jones，Peter Wellstead.A frequency-domain approach to determining the path separation for spray coating[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2005，2（3）：233-239.

[13] Heping Chen，Thomas Fuhlbrigge，Xiongzi Li.A review of CAD-based robot path planning for spray painting[J].Industrial Robot，2009，36（1）：45-50.

[14] Julius S.Gyorfi，Daniel R.Gamota，Swee Mean Mok，et al.Evolutionary path planning with subpath constraints[J].IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing，2010，33（2）：143-151.

[15]张春生.喷漆机器人应用及发展策略[J].机器人技术与应用，1994，（6）：22-26.

[16]彭商贤，唐蓉城，管桦，等.喷涂机器人手臂静动特性研究[J].机械设计，1990，（6）：46-50.

[17]王战中，张大卫，安艳松，等.非球形手腕6R串联型喷涂机器人逆运动学分桥[J].天津大学学报，2007，40（6）：665-670.

[18]杜亮，张铁.四自由度喷涂机器人的运动学分析[J].机电产品开发与创新，2007，20（1）：21-23.

[19]赵德安，陈伟，汤养.面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化[J].江苏大学学报（自然科学版），2007，28（5）：425-429.

[20]范柯灵，张铁，蔡蒂.六自由度喷涂机器人位姿误差分析[J].机电产品开发与创新，2008，21（1）：18-20.

[21]曾勇，龚俊，陆保印. 面向直纹曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化[J].中国机械工程，2010，21（17）：2083-2089.

[22]陈伟华，张铁，周伟，等.喷漆机器人轨迹规划的研究[J].机床与液压，2009，37（3）：16-17.

[23]蔡蒂，谢存禧，张铁，等.基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真[J].机械设计与制造，2009，（3）：161-162.

[24]陈雁，颜华，王力强，等.机器人匀速喷涂涂层均匀性分析[J].清华大学学报（自然科学版），2010，50（8）：1210-1213.

[25]Alfred A.Schmitt，Jan S.Bender，Hartmut Prautzsch.Impulse-based dynamic simulation of higher order and numerical results[R].Internal Report，2005，pp.1-20.

[26]赵宏剑，王刚，张波，等.飞机尾翼自动喷涂系统[J].制造业自动化，2013，35（1）：153-156.

[27]刘亚威.未来飞机制造的几个热点主题[N].中国航空报，2013-10-17（4）.

[28]缪东晶，吴聊，徐静，等.飞机表面自动喷涂机器人系统与喷涂作业规划[J].吉林大学学报（工学版），2013，43（6）：1-5.

[29]石闻.F-22战斗机的机器人表面喷涂[J].航空制造工程，1997，（8）：22-23.

[30]冯华山，秦现生，王润孝.航空航天制造领域工业机器人发展趋势[J].航空制造技术，2013，（19）：32-37.

[31] [EB/OL]http：//.cn/o/2002-09-06/1542137172.shtml.