基於雲計算的汽車智能噴漆方法與流程
2023-05-12 02:35:16 2
本發明涉及噴漆工藝技術領域，具體涉及一種基於雲計算的汽車智能噴漆方法。
背景技術：
隨著汽車行業的不斷發展、勞動力成本的不斷提高以及環保意識的不斷增強，傳統行業亟需自動化、信息化、智能化等一系列技術手段進行武裝，從人口紅利過渡為技術紅利，提升我國傳統行業的產品競爭力。近年來，我國汽車保有量大幅上升，對資源的需求急劇增加，同時造成的空氣汙染也日益嚴重。受益於節能環保政策的推出，未來節能環保、新能源汽車以及相關零部件行業將是新的投資增長點，也是未來汽車工業的發展方向。
目前，國內外對於汽車的噴漆工序主要都是靠人工來完成的，然而這種人工噴漆的方式存在諸多不足：1)油漆浪費嚴重，損耗大，成本高；2)由於人工噴漆的方式不一，在噴漆過程中很難保證上漆量的均勻程度從而導致噴漆質量一致性較差；3)由於沒有對漆霧進行處理，作業環境惡劣，噴漆室內粉塵極大，嚴重影響操作人員的健康，容易使操作人員患上塵肺病；4)對環境造成嚴重汙染；5)效率低，不適合大批量的機械化作業；6)需要較多的操作人員，增加了作業成本和管理成本。
雲計算是繼八十年代大型計算機到客戶端-伺服器的大轉變之後的又一種巨變，它是基於網際網路相關服務的增加、使用和交付模式，通過網際網路來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程伺服器中，企業數據中心的運行將與網際網路更相似，這使得企業能夠將資源切換到需要的應用上，根據需求訪問計算機和存儲系統，只要連接網際網路即可來獲取各類服務，可以大規模的降低成本。因此，「雲」具有前所未有的性能價格比，用戶可以充分享受「雲」的低成本優勢。
到目前為止，將雲計算與汽車噴漆工藝相互結合的技術還未見報導。
技術實現要素：
為了克服現有人工噴漆存在的油漆損耗大、質量一致性差、影響操作人員健康、汙染嚴重、效率低、成本高的問題，本發明提供一種基於雲計算的汽車智能噴漆方法。
本發明為解決技術問題所採用的技術方案如下：
本發明的基於雲計算的汽車智能噴漆方法，包括以下步驟：
步驟一、基礎設施搭建
搭建雲計算平臺、多個城市服務平臺、多個噴烤房；
所述雲計算平臺包括大型伺服器，與大型伺服器相連的交換器，與交換器相連的數據存儲器，與交換器相連的路由器，嵌入數據存儲器中的數據管理系統、汽車零件三維模型資料庫和汽車零件噴塗程序資料庫；所述大型伺服器通過路由器和雙線接入式千兆網絡與各個城市服務平臺進行數據通訊，所述數據管理系統用於管理汽車零件三維模型和汽車零件噴塗程序的下載和上傳，所述汽車零件三維模型資料庫用於存儲汽車廠商提供的各種型號的汽車零件三維模型和各個城市服務平臺通過掃描上傳的汽車零件三維模型，所述汽車零件噴塗程序資料庫用於存儲根據汽車零件三維模型生成的汽車零件噴塗程序和各個城市服務平臺上傳的實際的汽車零件噴塗程序，所述數據存儲器中還存儲由城市服務平臺上傳的優化後的噴槍位姿軌跡數據；
所述城市服務平臺包括伺服器，與伺服器相連的3D掃描設備，與3D掃描設備相連的3D掃描設備控制系統，嵌入伺服器中的3D掃描設備控制系統、噴塗件點雲資料庫、汽車零件噴塗程序資料庫、質量檢測資料庫和汽車零件噴塗路徑規劃系統；所述伺服器通過雙線接入式千兆網絡與大型伺服器進行數據通訊，所述伺服器用於數據存儲以及與各個噴烤房的數據傳輸，所述3D掃描設備控制系統用於控制3D掃描設備對汽車零件進行掃描和建模，所述噴塗件點雲資料庫用於存儲汽車零件的點雲數據，所述汽車零件噴塗程序資料庫用於存儲根據汽車零件噴塗路徑編程設計的汽車零件噴塗程序，所述質量檢測資料庫用於存儲由噴烤房上傳的質檢結果，所述汽車零件噴塗路徑規劃系統用於規劃汽車零件噴塗路徑；
所述噴烤房用於實現汽車智能噴漆；
步驟二、搭建汽車零件三維模型資料庫
通過3D掃描設備控制系統控制3D掃描設備對汽車零件進行掃描，並建立汽車零件三維模型，通過伺服器將汽車零件三維模型上傳至雲計算平臺中，並通過數據管理系統將汽車零件三維模型存儲在數據存儲器中的汽車零件三維模型資料庫中，汽車零件三維模型資料庫本身也存儲各汽車廠商提供的各種型號的汽車零件三維模型；
步驟三、汽車零件噴塗路徑設計
利用噴塗件點雲資料庫中的點雲數據通過汽車零件噴塗路徑規劃系統自動生成汽車零件噴塗路徑，同時根據生成的汽車零件噴塗路徑編程設計汽車零件噴塗程序，並將汽車零件噴塗程序存儲在汽車零件噴塗程序資料庫中。汽車零件噴塗程序資料庫中還存儲從雲計算平臺中的汽車零件噴塗程序資料庫中下載的汽車零件噴塗程序；
步驟四、噴槍位姿軌跡獲取和優化
(1)基於點雲切片技術的噴槍位姿軌跡獲取
由於點雲數據生成三維模型過程繁瑣，所以引入點雲切片技術，利用噴烤房噴塗機械手系統中的上位機直接對汽車零件的點雲數據進行處理，直接生成等距的噴槍位姿軌跡；
(2)噴槍位姿軌跡優化
對得到的噴槍位姿軌跡進行速度優化和間距優化；將優化後的噴槍位姿軌跡通過噴烤房噴塗機械手系統中的控制系統上傳到城市服務平臺的伺服器中，再由伺服器上傳至上級的雲計算平臺的數據存儲器中；根據優化後的噴槍的位姿、路徑、速度信息生成實際的汽車零件噴塗程序存儲在汽車零件噴塗程序資料庫中，將生成的實際的汽車零件噴塗程序上傳並存儲至雲計算平臺中的汽車零件噴塗程序資料庫中；
步驟五、噴塗時，處於系統末端的噴烤房，根據需要可在雲計算平臺中下載需要的汽車零件噴塗程序、在汽車零件噴塗路徑規劃系統中下載汽車零件噴塗路徑，並在五軸聯動的龍門桁架式噴塗機械手的控制系統中設置相關噴塗參數，根據實際情況修改所下載的汽車零件噴塗程序，對噴塗參數進行優化，使重合率達到50％～60％，同時根據下載的汽車零件噴塗路徑以及優化的噴槍位姿軌跡，通過龍門桁架式噴塗機械手進行噴塗，噴塗後進行噴烤，得到厚度均勻的漆膜；
步驟六、噴烤完成之後，需要對噴塗質量進行檢驗。
進一步的，步驟二的具體過程為：(1)通過3D掃描設備控制系統控制3D掃描設備對汽車零件進行掃描，通過旋轉汽車零件或者3D掃描設備的掃描頭，變換掃描視角，運用多視角點雲的自動拼接技術，可完成對汽車零件全方位360度掃描；(2)掃描完成後，在汽車零件表面取一些點，計算這些點與3D掃描設備之間的距離，當測量的點足夠多時，自動生成點雲數據，點雲數據存儲在噴塗件點雲資料庫中，利用汽車零件的點雲數據就能夠得到汽車零件表面的輪廓，將這些相鄰的點之間建立聯繫，就能夠得到汽車零件的三維模型，通過數據管理系統將汽車零件三維模型存儲在數據存儲器中的汽車零件三維模型資料庫中；(3)對點雲數據進行預處理：去除異常數據點以減小誤差；通過合適的數據插補的方法補齊遺失點；選擇最優的數據平滑降低或消除測量噪聲；對點雲數據進行壓縮。
進一步的，步驟四的具體過程為：通過設定切片方向和切片層數，對預處理後的點雲數據進行切片處理，得到切片多義線後對其平均採樣，確定噴槍在汽車零件表面的噴塗路徑，然後估算所有採樣點的法向量，最後利用偏置算法獲取噴槍位姿軌跡。
進一步的，所述噴烤房包括：採用電動捲簾門分割成的噴漆間和烤漆間、噴塗機械手系統、質量檢測系統；
所述噴漆間包括：安裝在噴漆間側壁及頂部上的防爆照明燈、分別設置在噴漆間頂部的進風口和底部的出風口、安裝在噴漆間外部牆體上且與進風口連通的送風機、安裝在噴漆間外部牆體上且與出風口連通的排風機、固定在噴漆間地面上的環保箱、安裝在噴漆間頂部進風口處的過濾網、水池、安裝在水池中的水泵、安裝在噴漆間一端側面且通過導流管與水池相通的溢流槽，通過水泵將水池中的水抽至噴漆間內的溢流槽中，使水在溢流槽中溢流形成水膜簾；
所述烤漆間包括：安裝在烤漆間側壁及頂部上的防爆照明燈、安裝在烤漆間側壁上部的攝像頭、安裝在烤漆間兩側壁和頂部上的遠紅外發射板、安裝在烤漆間頂部的變頻風扇；
所述噴塗機械手系統包括：五軸聯動的龍門桁架式噴塗機械手、控制系統、漆料盒、雙工位轉臺；所述龍門桁架式噴塗機械手包括：分別固定在噴烤房兩側壁上的兩個X軸滑動平臺、兩端分別固定在兩個X軸滑動平臺上的Y軸滑動平臺、一端固定在Y軸滑動平臺中間部位的Z軸升降機構、固定在Z軸升降機構另一端的第一旋轉軸、固定在Z軸升降機構另一端且位於第一旋轉軸之下的第二旋轉軸、固定在第二旋轉軸上的噴槍，所述第一旋轉軸的軸線與Z軸升降機構的軸線平行，所述第二旋轉軸的軸線與Z軸升降機構的軸線垂直；所述控制系統用於從伺服器的汽車零件噴塗程序資料庫中下載汽車零件噴塗程序，從伺服器的噴塗件點雲資料庫中下載點雲數據、並根據點雲數據對噴槍位姿軌跡進行優化，從上級伺服器中下載各種型號汽車零件三維模型、並根據實際噴塗情況反饋至質量檢測系統；所述漆料盒放置在噴漆間地面上並通過通過料管連接到噴槍上；所述雙工位轉臺一端安裝在噴漆間，另一端安裝在烤漆間，通過雙工位轉臺將噴完漆的汽車零件由噴漆間傳輸到烤漆間；
所述質量檢測系統包括CCD圖像採集單元和與之相連的質量檢測控制系統，通過質量檢測控制系統配置採樣面，並控制CCD圖像採集單元拍攝採樣面的高清圖像，通過質量檢測控制系統對採樣面的高清圖像進行處理，評估塗層質量，並將質檢結果上傳至伺服器的質量檢測資料庫中，根據質檢結果調整優化汽車零件噴塗程序生成過程中的相關參數，優化汽車零件噴塗程序。
進一步的，還包括安裝在噴烤房外部牆體上的操作按鈕和故障顯示燈，所述防爆照明燈、送風機、排風機、水泵、攝像頭、遠紅外發射板、變頻風扇均與操作按鈕相連，通過操作按鈕控制防爆照明燈、送風機、排風機、水泵、攝像頭、遠紅外發射板、變頻風扇的開啟和關閉；所述防爆照明燈、送風機、排風機、水泵、攝像頭、遠紅外發射板、變頻風扇均與故障顯示燈相連，上述組件出現故障時均通過故障顯示燈進行顯示。
進一步的，所述控制系統包括：ARM處理器、與ARM處理器相連的DSP處理器、與DSP處理器相連的上位機，與上位機相連的下位機、與上位機相連的操作面板；所述上位機通過網絡設備連接網際網路並與伺服器進行數據通訊，所述下位機分別與兩個X軸滑動平臺、Z軸升降機構、Y軸滑動平臺、第一旋轉軸、第二旋轉軸相連；通過上位機從伺服器的汽車零件噴塗程序資料庫中下載汽車零件噴塗程序，通過上位機從伺服器的噴塗件點雲資料庫中下載點雲數據，並根據點雲數據對噴槍位姿軌跡進行優化，所述上位機向下位機發送控制命令，下位機再根據此控制命令解算成相應時序信號直接控制龍門桁架式噴塗機械手進行噴塗作業，通過下位機實時讀取龍門桁架式噴塗機械手狀態數據，並轉化成數位訊號反饋給上位機，通過上位機和網絡設備從伺服器中下載各種型號汽車零件三維模型，並根據實際噴塗情況及時反饋至質量檢測系統。
進一步的，所述漆料盒採用多個壓力容器組成，其中一個壓力容器裝有料管油漆清洗劑，其餘的壓力容器中分別裝有一種顏色漆料，各個壓力容器均通過料管連接到噴槍上，每個壓力容器均通過開關閥和氣泵控制漆料的流通。
進一步的，所述X軸滑動平臺、Z軸升降機構、Y軸滑動平臺均為直線運動軸，所述第一旋轉軸、第二旋轉軸均為旋轉運動軸。
進一步的，所述X軸滑動平臺、Y軸滑動平臺、Z軸升降機構的行程分別為3.5米、3米和1.45米；所述第一旋轉軸和第二旋轉軸的行程均為-90度到+90度，所述噴槍距離地面的最小距離為0.28米。
進一步的，所述水池中放置有漆霧凝聚劑。
本發明的有益效果是：本發明的總體目標是為避免人工噴漆造成的對噴漆工人的健康傷害，減小噴漆烤漆過程對周邊環境的危害，從根本上避免由於操作人員的技能手法差異導致的漆面質量的不一致性，本發明研究設計一個基於雲計算的自動噴漆烤漆一體化分布式「機器換人」解決方案，利用雲計算平臺的技術優勢，與汽車自動化補漆噴塗深度融合，創新汽車補漆服務新模式。
本發明的基於雲計算的汽車智能噴漆系統具有以下優勢：
1)智能噴漆機械手油漆損耗小，降低企業生產成本；
2)噴塗質量穩定，機械手噴塗方式能夠保證上漆量的均勻程度和質量的穩定性；
3)通過對漆霧進行處理，保護汽車操作人員的健康，降低對環境造成的汙染；
4)生產效率高，適合大批量生產；
5)大量減少人力，降低了企業生產成本和管理成本。
6)本發明針對汽車零部件形狀複雜、噴塗質量和精度要求高以及噴塗環境惡劣等問題，以智能控制、動態優化設計、模塊化設計等技術為基礎，研發設計了汽車零部件智能噴烤房。根據汽車零部件表面噴塗工藝與作業環境要求，規劃了智能噴烤房結構布局，自主研發設計了噴烤房環境控制系統、龍門桁架式五軸噴塗機器人及其附屬設備，最終實現汽車零部件表面噴漆與修復過程的無人化、智能化，為該行業提供技術保障。
附圖說明
圖1為本發明的基於雲計算的汽車智能噴漆系統的整體結構示意圖。
圖2為本發明的基於雲計算的汽車智能噴漆系統的結構框圖。
圖3為本發明的基於雲計算的汽車智能噴漆方法的工作流程圖。
圖4為噴烤房的結構示意圖。
圖中：1、雲計算平臺，1-1、大型伺服器，1-2、數據存儲器，1-3、雙線接入式千兆網絡，1-4、路由器，1-5、交換器，1-6、數據管理系統，1-7、汽車零件三維模型資料庫，1-8、汽車零件噴塗程序資料庫，2、城市服務平臺，2-1、伺服器，2-2、3D掃描設備，2-3、3D掃描設備控制系統，2-4、噴塗件點雲資料庫，2-5、汽車零件噴塗程序資料庫，2-6、質量檢測資料庫，2-7、汽車零件噴塗路徑規劃系統，3、噴烤房，X軸滑動平臺3-1、Z軸升降機構3-2、Y軸滑動平臺3-3、環保箱3-4、第一旋轉軸3-5、噴槍3-6、第二旋轉軸3-7、雙工位轉臺3-8、操作面板3-11、操作按鈕3-12、故障顯示燈3-13、攝像頭3-14、防爆照明燈3-15、遠紅外加熱板3-16、送風機3-17、水膜簾3-18、排風機3-19。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
本發明的一種基於雲計算的汽車智能噴漆系統利用自身強大的存儲能力和數據處理能力，管理各型噴塗件的三維模型數據、規劃噴塗路徑、監控噴塗工作狀態、依據反饋數據改進加工路徑和噴塗方法以提高效率。通過雲計算平臺1的搭建，將目前處於星散的各自獨立經營的汽車修理廠的噴烤房3組建成網絡化車間，實現噴烤房3之間的信息共享、優化資源配置。每座城市配置有1-2座基於機器視覺的模型智能識別技術的城市服務平臺2作為信息中心，因其具有高效、節能等特點，故可輻射、覆蓋整座城市，建設成為「社區店」模式，其餘噴烤房3即可作為雲計算平臺1末梢，進行作業前，從雲計算平臺1下載車型數據和加工數據並根據實際情況進行參數微調即可。
如圖1所示，本發明的一種基於雲計算的汽車智能噴漆系統，主要包括：雲計算平臺1、多個城市服務平臺2、多個噴烤房3。
汽車智能噴漆的基礎是雲計算平臺1，該雲計算平臺1的主要功能是實現與下級的各個城市服務平臺2的數據共享。雲計算平臺1主要是由硬體部分和軟體部分共同作用實現的。如圖2所示，雲計算平臺1主要包括高性能的大型伺服器1-1、大容量的數據存儲器1-2、穩定可靠的雙線接入式千兆網絡1-3、路由器1-4和交換器1-5以及數據管理系統1-6、汽車零件三維模型資料庫1-7、汽車零件噴塗程序資料庫1-8。高性能的大型伺服器1-1與交換器1-5通過線纜相連，交換器1-5與數據存儲器1-2通過線纜相連，交換器1-5通過線纜與路由器1-4相連，高性能的大型伺服器1-1通過路由器1-4和雙線接入式千兆網絡1-3與下級的各個城市服務平臺2進行數據通訊，完成數據的共享和對接。數據管理系統1-6、汽車零件三維模型資料庫1-7、汽車零件噴塗程序資料庫1-8均嵌入數據存儲器1-2中，數據管理系統1-6主要負責管理汽車零件三維模型和汽車零件噴塗程序的下載和上傳，汽車零件三維模型資料庫1-7主要用於存儲汽車廠商提供的各種型號的汽車零件三維模型和各個城市服務平臺2通過掃描上傳的汽車零件三維模型；汽車零件噴塗程序資料庫1-8主要用於存儲根據汽車零件三維模型生成的汽車零件噴塗程序和各個城市服務平臺2上傳的實際的汽車零件噴塗程序。數據存儲器1-2中還存儲由下級城市服務平臺2上傳的優化後的噴槍位姿軌跡數據。
汽車智能噴漆系統需要在各個城市設置城市服務平臺2。城市服務平臺2主要是由硬體部分和軟體部分共同作用實現的。如圖2所示，城市服務平臺2主要包括高性能的伺服器2-1、3D掃描設備2-2、3D掃描設備控制系統2-3、噴塗件點雲資料庫2-4、汽車零件噴塗程序資料庫2-5、質量檢測資料庫2-6、汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7、雙線接入式千兆網絡1-3。伺服器2-1與3D掃描設備2-2通過線纜相連。3D掃描設備控制系統2-3、噴塗件點雲資料庫2-4、汽車零件噴塗程序資料庫2-5、質量檢測資料庫2-6和汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7嵌入伺服器2-1中。3D掃描設備2-2是一種基於機器視覺的模型智能識別設備，通過配置3D掃描設備2-2對汽車零件進行掃描，並建立汽車零件三維模型。高性能的伺服器2-1通過雙線接入式千兆網絡1-3與高性能的大型伺服器1-1進行數據通訊，完成數據的共享和對接，同時，高性能的伺服器2-1用於數據存儲以及與下級的各噴烤房3的數據傳輸。3D掃描設備控制系統2-3用於控制3D掃描設備2-2對汽車零件進行掃描和建模，噴塗件點雲資料庫2-4主要用於存儲汽車零件的點雲數據，汽車零件噴塗程序資料庫2-5主要用於存儲根據汽車零件噴塗路徑編程設計的汽車零件噴塗程序，質量檢測資料庫2-6用於存儲由噴烤房3中的質量檢測系統上傳的質檢結果，汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7用於規劃汽車零件噴塗路徑。
噴烤房3為高質量的噴塗作業提供良好的環境保證。採用電動捲簾門將噴烤房3分割為噴漆間3-9和烤漆間3-10。噴漆間3-9主要承擔汽車零件的噴漆作業。為了保證表面噴漆作業環境要求，噴漆間3-9應具備照明、通風、空氣淨化、漆霧處理和故障報警功能。如圖4所示，噴漆間3-9內部主要設置有：防爆照明燈3-15、進風口、出風口、水膜簾3-18、過濾網、溢流槽，噴漆間3-9外部主要設置有送風機3-17、排風機3-19、環保箱3-4、水泵、水池、導流管。噴漆間3-9的照明設備按照GB14444-2006《噴漆室安全技術規定》要求安裝，照明設備全部採用防爆照明燈3-15，防爆照明燈3-15安裝在噴漆間3-9側壁及頂部上。進風口設置在噴漆間3-9頂部，出風口設置在噴漆間3-9底部，送風機3-17與進風口連通，排風機3-19與出風口連通，送風機3-17和排風機3-19均安裝在噴漆間3-9外部牆體上。噴漆間3-9壓力為負壓，室外空氣通過送風機3-17經噴烤房3頂部進風口進入噴漆間3-9內部，在汽車零件周圍形成風幕，使噴漆後的殘留漆霧不向四周彌散而隨氣流下降，在排風機3-19的作用下，氣流有序地通過噴漆間3-9底部出風口經環保箱3-4淨化後排向室外，環保箱3-4固定在噴漆間3-9地面上。噴漆間3-9頂部進風口處需要安裝過濾網(過濾棉、活性炭等)，用於淨化空氣。採用水膜簾3-18處理殘留漆霧，即噴漆時，採用水泵將水池中的水抽至噴漆間3-9內的溢流槽中，使水在溢流槽中溢流形成水膜簾3-18，溢流槽安裝在噴漆間3-9一端側面，水泵安裝在水池中，溢流槽通過導流管與水池相通；當殘留漆霧碰到水膜簾3-18時，就會被水吸附，汙水通過導流管回流至水池內，水池中放置有漆霧凝聚劑，汙水通過漆霧凝聚劑的凝結和過濾網的過濾淨化後重新被水泵吸入噴烤房3內，漆霧中的有機溶劑被稀釋達到排放標準後經排風機3-19排放到室外。
如圖4所示，烤漆間3-10主要承擔噴漆表面的烘烤作業，為了達到表面烤漆作業環境要求，烤漆間3-10應具備照明、加熱、熱交換和故障報警等功能。烤漆間3-10主要包括：攝像頭3-14、防爆照明燈3-15、遠紅外發射板3-16、變頻風扇。烤漆間3-10的照明燈組全部採用防爆照明燈3-15，電壓為220V，防爆照明燈3-15安裝在烤漆間3-10側壁及頂部上。攝像頭3-14安裝在烤漆間3-10側壁上部，通過攝像頭3-14可以監視噴烤房3內部情況，在出現問題時可以及時處理。烤漆間3-10採用遠紅外發射板3-16加熱，電壓為220V，溫度可達60～80度，溫升時間不超過40分鐘，遠紅外發射板3-16安裝在烤漆間3-10兩側壁和頂部上，採用分組控制。熱交換通過變頻風扇實現，烤漆間3-10頂部安裝有變頻風扇兩個，該變頻風扇可實現自動變頻控制，同時要滿足防爆要求。
汽車智能噴漆的執行部件是噴塗機械手系統。該噴塗機械手系統主要包括：五軸聯動的龍門桁架式噴塗機械手、控制系統、漆料盒、雙工位轉臺3-8。
根據汽車零件噴塗工藝要求，進行龍門桁架式噴塗機械手本體初步設計。定製開發五軸聯動的龍門桁架式噴塗機械手，對龍門桁架式噴塗機械手本體及其關鍵零部件進行動力學和靜力學分析，以結構輕量化、提高系統剛度、降低模態基頻和優化動態性能為目標，設計各軸行程和漆料盒，實現機械手的結構優化。根據龍門桁架式噴塗機械手本體的設計方案及動力學、靜力學分析結果，對龍門桁架式噴塗機械手本體進行詳細的結構設計。五軸聯動的龍門桁架式噴塗機械手主要包括兩個X軸滑動平臺3-1、Z軸升降機構3-2、Y軸滑動平臺3-3、第一旋轉軸3-5、第二旋轉軸3-7、噴槍3-6。兩個X軸滑動平臺3-1分別固定在噴烤房3兩側壁上，Y軸滑動平臺3-3的兩端分別固定在兩個X軸滑動平臺3-1上，Z軸升降機構3-2一端固定在Y軸滑動平臺3-3中間部位，第一旋轉軸3-5固定在Z軸升降機構3-2另一端，第二旋轉軸3-7也固定在Z軸升降機構3-2另一端並且位於第一旋轉軸3-5之下，第一旋轉軸3-5的軸線與Z軸升降機構3-2的軸線平行，第二旋轉軸3-7的軸線與Z軸升降機構3-2的軸線垂直。X軸滑動平臺3-1、Z軸升降機構3-2、Y軸滑動平臺3-3均為直線運動軸，第一旋轉軸3-5、第二旋轉軸3-7均為旋轉運動軸。X軸滑動平臺3-1、Y軸滑動平臺3-3、Z軸升降機構3-2的行程分別為3.5米、3米和1.45米。第一旋轉軸3-5和第二旋轉軸3-7的行程均為-90度到+90度。噴槍3-6固定在第二旋轉軸3-7上，噴槍3-6距離地面的最小距離為0.28米。
控制系統是龍門桁架式噴塗機械手的核心，它的主要任務就是控制龍門桁架式噴塗機械手在噴漆間3-9中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等，具有編程簡單、軟體菜單操作、友好的人機互動界面、在線操作提示和使用方便等特點。該控制系統主要包括：DSP處理器、ARM處理器、上位機、下位機、操作面板3-11、網絡設備。DSP處理器與ARM處理器相連，DSP處理器與上位機相連，上位機與下位機相連，上位機與操作面板3-11相連，上位機通過網絡設備連接網際網路，並與上級的城市服務平臺2中的伺服器2-1進行數據通訊。下位機分別與兩個X軸滑動平臺3-1、Z軸升降機構3-2、Y軸滑動平臺3-3、第一旋轉軸3-5、第二旋轉軸3-7相連。該控制系統的軟體平臺採用模塊化的上、下位機訪問結構，運動控制為下位機，執行運動控制指令，人機互動、解碼等功能為上位機，通過操作面板3-11進行操作，通過上位機執行操作、編程、示教等功能。
該控制系統採用嵌入式結構，以高性能ARM處理器和DSP處理器為核心，充分利用其自身資源和強大的實時處理能力，易於實現龍門桁架式噴塗機械手實時、多任務控制的要求。通過控制系統中的上位機從城市服務平臺2的伺服器2-1中的汽車零件噴塗程序資料庫2-5中下載相關汽車零件噴塗程序，操作人員可根據實際情況，對下載後的汽車零件噴塗程序進行修改。通過控制系統中的上位機從城市服務平臺2的伺服器2-1中的噴塗件點雲資料庫2-4中下載點雲數據，並根據點雲數據對噴槍位姿軌跡進行優化。上位機向下位機發送控制命令，下位機再根據此控制命令解算成相應時序信號直接控制龍門桁架式噴塗機械手進行噴塗作業，通過下位機實時讀取龍門桁架式噴塗機械手狀態數據，並轉化成數位訊號反饋給上位機。噴烤房3通過上位機和網絡設備從上級伺服器2-1中下載各種型號汽車零件三維模型，並根據實際噴塗情況及時反饋至質量檢測系統，提出改進建議，構成閉環化噴塗修改解決方案。
為了保證噴塗質量，必須搭建一套質量檢測系統。該質量檢測系統設置在噴烤房3中。該質量檢測系統是以計算機視覺系統為主體的實時圖像採集和識別系統。該質量檢測系統主要包括CCD圖像採集單元和質量檢測控制系統。操作人員在質量檢測控制系統可配置採樣面，並控制CCD圖像採集單元拍攝採樣面的高清圖像，質量檢測控制系統對採樣面的高清圖像進行處理，評估塗層質量，並將質檢結果上傳至城市服務平臺2伺服器2-1中的質量檢測資料庫2-6中，並根據質檢結果調整優化汽車零件噴塗程序生成過程中的相關參數，優化汽車零件噴塗程序，提高噴塗質量。其具體過程如下：在汽車塗裝結束後，對汽車塗膜缺陷進行在線自動檢測，獲取缺陷的位置坐標和模式類別，並統計出各類缺陷的數量；該系統的核心在於圖像處理和模式識別，圖像處理的主要任務是去噪、圖像增強和圖像分割，在圖像採集過程中往往會受到噪聲的幹擾，如光電轉化過程中的噪聲、脈衝幹擾、信道傳輸誤差、A/D轉換過程中的誤差及工業現場電磁幹擾等，因此必須對採集到的圖像進行去噪處理已獲取最大程度反映現實的圖像；之後為了能夠突出圖像中感興趣的部分，必須對圖像進行增強處理，最後為了提取出感興趣部分的特徵值，還需要對圖像進行分割操作，分割的準則是每個區域內部的特徵或屬性是相同或相似的。這些特徵可以是像素灰度值、邊緣輪廓曲線、紋理特徵、形狀和顏色等，也可以是空間頻譜或直方圖等。模式識別的主要任務是對輸入進來的圖像進行分類，確定出圖像中所顯示的缺陷類型，模式識別主要使用的是BP神經網絡模式識別算法，經過大量的缺陷圖像數據的訓練，該算法可精確的判定圖像中所顯示的缺陷類型。
漆料盒放置在噴漆間3-9地面上。漆料盒採用多個壓力容器組成，其中一個壓力容器裝有料管油漆清洗劑，其餘的壓力容器中分別裝有一種顏色漆料，各個壓力容器均通過料管連接到噴槍3-6上，每個壓力容器均通過開關閥和氣泵控制漆料的流通。
雙工位轉臺3-8一端安裝在噴漆間3-9，另一端安裝在烤漆間3-10，通過雙工位轉臺3-8將噴完漆的汽車零件由噴漆間3-9傳輸到烤漆間3-10。操作按鈕3-12和故障顯示燈3-13均安裝在噴烤房3外部牆體上，噴烤房3中的防爆照明燈3-15、送風機3-17、排風機3-19、水泵、攝像頭3-14、遠紅外發射板3-16、變頻風扇均與操作按鈕3-12相連，通過操作按鈕3-12控制防爆照明燈3-15、送風機3-17、排風機3-19、水泵、攝像頭3-14、遠紅外發射板3-16、變頻風扇的開啟和關閉；噴烤房3中的防爆照明燈3-15、送風機3-17、排風機3-19、水泵、攝像頭3-14、遠紅外發射板3-16、變頻風扇均與故障顯示燈3-13相連，上述組件出現故障時均通過故障顯示燈3-13進行顯示，方便操作人員及時解決故障問題。
如圖3所示，本發明的一種基於雲計算的汽車智能噴漆方法，是採用上述的基於雲計算的汽車智能噴漆系統實現的，主要包括以下步驟：
步驟一、基礎設施搭建
搭建雲計算平臺1、多個城市服務平臺2、多個噴烤房3。
汽車智能噴漆的基礎是雲計算平臺1，該雲計算平臺1的主要功能是實現與下級的各個城市服務平臺2的數據共享。雲計算平臺1主要是由硬體部分和軟體部分共同作用實現的。雲計算平臺1主要包括高性能的大型伺服器1-1、大容量的數據存儲器1-2、穩定可靠的雙線接入式千兆網絡1-3、路由器1-4和交換器1-5以及數據管理系統1-6、汽車零件三維模型資料庫1-7、汽車零件噴塗程序資料庫1-8。高性能的大型伺服器1-1與交換器1-5通過線纜相連，交換器1-5與數據存儲器1-2通過線纜相連，交換器1-5通過線纜與路由器1-4相連，高性能的大型伺服器1-1通過路由器1-4和雙線接入式千兆網絡1-3與下級的各個城市服務平臺2進行數據通訊，完成數據的共享和對接。數據管理系統1-6、汽車零件三維模型資料庫1-7、汽車零件噴塗程序資料庫1-8均嵌入數據存儲器1-2中，數據管理系統1-6主要負責管理汽車零件三維模型和汽車零件噴塗程序的下載和上傳，汽車零件三維模型資料庫1-7主要用於存儲汽車廠商提供的各種型號的汽車零件三維模型和各個城市服務平臺2通過掃描上傳的汽車零件三維模型；汽車零件噴塗程序資料庫1-8主要用於存儲根據汽車零件三維模型生成的汽車零件噴塗程序和各個城市服務平臺2上傳的實際的汽車零件噴塗程序。數據存儲器1-2中還存儲由下級城市服務平臺2上傳的優化後的噴槍位姿軌跡數據。
汽車智能噴漆系統需要在各個城市設置城市服務平臺2。城市服務平臺2主要是由硬體部分和軟體部分共同作用實現的。城市服務平臺2主要包括高性能的伺服器2-1、3D掃描設備2-2、3D掃描設備控制系統2-3、噴塗件點雲資料庫2-4、汽車零件噴塗程序資料庫2-5、質量檢測資料庫2-6、汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7、雙線接入式千兆網絡1-3。伺服器2-1與3D掃描設備2-2通過線纜相連。3D掃描設備控制系統2-3、噴塗件點雲資料庫2-4、汽車零件噴塗程序資料庫2-5、質量檢測資料庫2-6和汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7嵌入伺服器2-1中。3D掃描設備2-2是一種基於機器視覺的模型智能識別設備，通過配置3D掃描設備2-2對汽車零件進行掃描，並建立汽車零件三維模型。高性能的伺服器2-1通過雙線接入式千兆網絡1-3與高性能的大型伺服器1-1進行數據通訊，完成數據的共享和對接，同時，高性能的伺服器2-1用於數據存儲以及與下級的各噴烤房3的數據傳輸。3D掃描設備控制系統2-3用於控制3D掃描設備2-2對汽車零件進行掃描和建模，噴塗件點雲資料庫2-4主要用於存儲汽車零件的點雲數據，汽車零件噴塗程序資料庫2-5主要用於存儲根據汽車零件噴塗路徑編程設計的汽車零件噴塗程序，質量檢測資料庫2-6用於存儲由質量檢測系統上傳的質檢結果，汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7用於規劃汽車零件噴塗路徑。
噴烤房3為高質量的噴塗作業提供良好的環境保證。採用電動捲簾門將噴烤房3分割為噴漆間3-9和烤漆間3-10。噴漆間3-9主要承擔汽車零件的噴漆作業。烤漆間3-10主要承擔噴漆表面的烘烤作業。
步驟二、搭建汽車零件三維模型資料庫
實現汽車智能噴漆的第一步就是獲取各種型號的汽車零件三維模型數據，針對汽車零件的掃描採用3D掃描設備2-2，3D掃描設備2-2可以在極短的時間內獲取汽車零件表面的高精度三維數據。通過3D掃描設備控制系統2-3控制3D掃描設備2-2對汽車零件進行掃描，並建立汽車零件三維模型，通過伺服器2-1將汽車零件三維模型上傳至雲計算平臺1中，並通過數據管理系統1-6將汽車零件三維模型存儲在數據存儲器1-2中的汽車零件三維模型資料庫1-7中。而汽車零件三維模型資料庫1-7本身也存儲各汽車廠商提供的各種型號的汽車零件三維模型。
其具體過程為：(1)通過3D掃描設備控制系統2-3控制3D掃描設備2-2對汽車零件進行掃描，通過旋轉汽車零件或者3D掃描設備2-2的掃描頭，變換掃描視角，運用多視角點雲的自動拼接技術，可完成對汽車零件全方位360度掃描；(2)掃描完成後，在汽車零件表面取一些點，計算這些點與3D掃描設備2-2之間的距離，當測量的點足夠多時，自動生成點雲數據，點雲數據存儲在噴塗件點雲資料庫2-4中，利用汽車零件的點雲數據就能夠得到汽車零件表面的輪廓，將這些相鄰的點之間建立聯繫，就能夠得到汽車零件的三維模型，通過數據管理系統1-6將汽車零件三維模型存儲在數據存儲器1-2中的汽車零件三維模型資料庫1-7中；(3)由於設備的誤差和人為因素，測量獲得的點雲數據會出現噪聲點，在使用點雲數據之前要對其進行預處理。預處理主要包括：去除異常數據點以減小誤差；通過合適的數據插補的方法補齊遺失點，方便後續處理；選擇最優的數據平滑降低或消除測量噪聲，提高數據精度；對點雲數據進行壓縮，減少計算處理時間，提高效率。
步驟三、汽車零件噴塗路徑設計
利用噴塗件點雲資料庫2-4中的點雲數據通過城市服務平臺2中的汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7自動生成汽車零件噴塗路徑。同時根據生成的汽車零件噴塗路徑編程設計汽車零件噴塗程序，並將汽車零件噴塗程序存儲在汽車零件噴塗程序資料庫2-5中。汽車零件噴塗程序資料庫2-5中還存儲從雲計算平臺1中的汽車零件噴塗程序資料庫1-8中下載的汽車零件噴塗程序。
汽車零件噴塗路徑是整個汽車智能噴漆方法的核心，直接關係到噴塗的質量和效率。汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7有效克服了人工示教法的諸多缺陷，增強了噴塗方法的靈活性，縮短了新產品噴塗的離線編程時間，提高了新產品的上市速度。
步驟四、噴槍位姿軌跡獲取和優化
為了滿足平均噴漆塗層厚度要求，即要求噴漆塗層厚度變化最小且同時噴塗效率最高的情況下，就必須對噴槍位姿軌跡進行優化，對噴槍位姿軌跡進行優化主要是在噴烤房3噴塗機械手系統中的上位機中進行的。其主要包括以下兩個方面：
(1)基於點雲切片技術的噴槍位姿軌跡獲取
由於點雲數據生成三維模型過程繁瑣，所以引入點雲切片技術，利用噴烤房3噴塗機械手系統中的上位機直接對汽車零件的點雲數據進行處理，直接生成等距的噴槍位姿軌跡。
其具體過程為：通過設定切片方向和切片層數，對預處理後的點雲數據進行切片處理，得到切片多義線後對其平均採樣，確定噴槍3-6在汽車零件表面的噴塗路徑，然後估算所有採樣點的法向量，最後利用偏置算法獲取噴槍位姿軌跡。
(2)噴槍位姿軌跡優化
對得到的噴槍位姿軌跡進行優化處理，噴槍位姿軌跡的優化主要包括速度優化和間距優化。在噴塗的過程中，如果保持噴槍3-6移動速度不變，那麼噴塗面曲率的變化必然會引起噴漆塗層厚度的變化，無法滿足塗層厚度一致性要求。在汽車零件噴塗路徑一定的情況下，根據噴塗面的曲率變化來優化噴槍位姿軌跡，研究變速率噴塗來補償噴塗面曲率變化帶來的影響，提高延軌跡方向的塗層厚度的一致性。在自由曲面上進行噴塗時，自由曲面曲率在垂直於行程方向上發生變化，要保證噴漆塗層厚度在此方向上的一致性，必須研究變行程間距來補償曲率變化帶來的影響。同時，為了提高漆料利用率和噴塗效率，要使優化間距儘可能寬。
將最終得到的優化後的噴槍位姿軌跡通過噴烤房3噴塗機械手系統中的控制系統上傳到城市服務平臺2的伺服器2-1中，再由伺服器2-1上傳至上級的雲計算平臺1的數據存儲器1-2中。根據優化後的噴槍3-6的位姿、路徑、速度信息，生成實際的汽車零件噴塗程序存儲在汽車零件噴塗程序資料庫2-5中，將生成的實際的汽車零件噴塗程序上傳並存儲至雲計算平臺1中的汽車零件噴塗程序資料庫1-8中。
步驟五、噴塗時，處於系統末端的噴烤房3，根據需要可在雲計算平臺1中下載需要的汽車零件噴塗程序、在汽車零件噴塗路徑規劃系統2-7中下載汽車零件噴塗路徑，並在五軸聯動的龍門桁架式噴塗機械手的控制系統中設置相關噴塗參數，根據實際情況修改所下載的汽車零件噴塗程序，對噴塗參數進行優化，使重合率達到50％～60％，同時根據下載的汽車零件噴塗路徑以及優化的噴槍位姿軌跡，通過龍門桁架式噴塗機械手進行噴塗，噴塗後進行噴烤，得到厚度均勻的漆膜。
步驟六、噴烤完成之後，需要對噴塗質量進行檢驗。操作人員在質量檢測系統中選取採樣面，控制CCD圖像採集單元進行圖像採集，質量檢測控制系統對採集回來的高清圖像進行處理，評估塗層質量，並將質檢結果上傳至城市服務平臺2伺服器2-1中的質量檢測資料庫2-6中，並根據質檢結果調整優化汽車零件噴塗程序生成過程中的相關參數，優化汽車零件噴塗程序，提高噴塗質量。質檢合格後可選擇是否生成報表存檔。
本發明實現了從模型獲取到噴漆整個過程的自動化和智能化，提高了汽車補漆的效率和質量；同時改善了工作人員的工作環境；降低了工作人員的技術要求；減少了大量操作人員，為企業節省了大量成本。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。