铁塔防腐自动喷涂系统设计
广东立胜综合能源服务有限公司、广东原点智能技术有限公司、佛山科学技术学院自动化学院的研究人员黎永强、李江成、王能、张志飞，在2019年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，高压电线铁塔防腐工作是确保安全供电的重要基础维护工程。
为了解决目前人工铁塔防腐作业效率低下且存在安全隐患的问题，本文尝试用工业机器人技术研究解决当前落后的铁塔防腐工艺问题，实现用先进的机器人替代人工喷涂。本文所建立的系统包括供机器人自动识别铁塔类型的描述模型、喷涂轨迹控制和喷涂质量检测部分。仿真和实验均验证了设计的可行性。
高压电线铁塔的防腐工作是确保安全供电的重要维护工程。潮湿、高温、高盐气候极易对铁塔造成腐蚀，目前防腐蚀主要采用热镀锌方式，由人工刷漆完成，但防腐寿命仅为3年左右，维护频繁且工程量大。铁塔防腐作业又属于高空带电作业，施工人员登杆作业频繁，作业条件恶劣，劳动强度大，造成施工人员精神紧张，容易引发安全事故。
2016年，中国南方电网撰写的提升供电可靠性管理方案指出，大力推广带电作业优化以及优化带电作业模式是电力系统维护发展的需求。目前，我国线路铁塔防腐主要由人工完成，施工过程中涂漆质量（厚度、均匀度）取决于施工人员的技术好坏和素质高低。从以往实践看，维护质量因人而异，很难达到令人满意的效果。
机器人喷涂已有近40年的发展历史，美国的Minhit和Fudge公司以及德国Hate公司最早开始研究并生产喷漆机器人，这些喷涂机器人只能完成一些简单的往复直线运动，难以适用于复杂曲面及特殊条件下的喷涂。
近年来喷漆机器人的性能得到了很大的提高，著名的喷漆机器人生产企业如瑞典的ABB、日本的FANUC、MOTOMAN，均具有灵活、工作空间广、效率高、易维护等特点。
1994年，John K. Antonio研究了膜厚累积度最小变化下的喷涂轨迹优化问题。
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。
2005年，Sheng等人进一步提出了在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。
我国喷涂机器人起步较晚，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，开发了PJ系列电液体伺服喷涂和EP系列的电动喷涂机器人。近几年出现了校企合作产品南航PR. 1型喷漆机器人、启帆工业机器人上海分公司STS-PT985等性能优良的喷漆机器人。
梁安阳等人基于D-H坐标系法对移动喷漆机器人进行了正、逆运动学分析。
韩方元对并联机器人运动学正解新算法及工作空间本体进行了研究，提出了理想并联机构的概念和非理想并联机构节肢化分析方法、适用于并联机构位置正解的数值计算新方法——几何迭代法。
王智兴等人利用Matlab对工业机器人的运动学进行了分析与仿真。
本课题旨在基于目前先进的机器人技术，设计一种高压线路铁塔自动喷涂系统代替人工完成防腐作业，以提高带电作业的自动化水平。
1 系统组成
该系统主要由机器视觉模块、喷涂机器人模块、带电作业车模块这三大模块构成，其结构和示意图分别如图1和图2所示。带电作业车的任务是远距离奔赴作业现场，将机器人送至指定高度位置；机器视觉模块的功能是识别铁塔类型并提供垂直水平坐标帮助确定喷涂当前位置；喷涂机器人采用六自由度机械臂，控制器的目的是规划喷涂路径，并据此完成喷涂任务。
图1 喷涂系统结构
图2 喷涂系统示意图
拟将喷涂系统安装在绝缘斗臂车的载人绝缘斗上，由斗臂送至指定高度后开启定位系统，根据喷涂位置及铁塔参数规划喷涂轨迹，开始喷涂；每喷涂完一单元，开启喷涂质量检测系统，若喷涂质量符合要求，则将斗臂移至下一喷涂单元作业；否则重喷质量不合格部位。
2 主要模块简介（略）
2.1 铁塔的矢量模型
将铁塔从上至下依次完成喷涂动作，喷涂的范围分为若干单元，如图3所示。将喷涂单元矢量化，其矢量图如图4所示。
图3 喷涂单元
图4 单元矢量图
2.2 作业车控制子系统
绝缘斗臂车是带电作业的基本装备，常用的有履带式斗臂车和轮式斗臂车两种。作业车控制子系统是建立在经过改造的斗臂车上。载机绝缘斗示意图如图5所示。绝缘斗设计图如图6所示。喷涂工艺示意图如图7所示。
作业车的主要任务是将斗臂送至指定高度，由角度传感器获取支杆角度，其控制示意图如图8所示。
图5 载机绝缘斗示意图
图6 绝缘斗设计图
图7 喷涂工艺示意图
图8 支杆角度控制示意图
2.3 机器臂运动控制系统
在机器臂升至指定高度后，起动工业相机对铁塔扫描采样，将采样图像与数据库的铁塔图像进行对比，获取铁塔类型及几何参数，从而确定喷头在空间上相对位置在各坐标系下的坐标，如图9所示。
1）机器视觉子系统
视觉子系统的功能：①适时提供喷头空间位置坐标；②对喷涂质量进行检测。
基于这两项任务的工业相机，应根据相机距离铁塔的工作距离及铁塔单侧视野要求来选型。根据实际项目要求，工作距离为900mm左右，最大的视场角（field of view, FOV）为1000mm，而传感器的靶面尺寸约为8.8mm，要求的焦距约为8mm。M0824-MPW2工业镜头可以满足要求。
图9 喷头位置示意图及其坐标的确定
2）喷涂运动控制系统
从上至下按单元顺序喷涂，为使能量最省，对每一单元喷涂轨迹应使喷头总的运动距离最短，从几何上讲，最佳路径就是“一笔画”问题。其算法如图12所示。
图12 哈密顿最优路径搜索示意图
单座铁塔某面的喷涂轨迹如图13所示。整个喷涂的工艺流程如图14所示。
3 喷涂质量检测系统（略）
以往的喷涂工艺标准要求分1至3层喷涂，随着铁塔喷涂材料质量的提高，高固树脂与颜料、填充料研磨后，加入助剂、有机溶剂按混合比例1:1:1调配，加压至4～6MPa，喷涂工艺只需要1层喷涂，即可满足喷涂质量的要求。由于铁塔喷涂的目的是防腐，所以对喷漆颜色没有具体要求。
本系统采用图像处理的方法来检测喷涂质量，其思想是，预先建立喷涂质量为好、中、差3级的图像，将在线采样图像与数据库中的图像进行比较，以此对比来判断当前喷涂质量，对不合格的喷涂单元，检测出喷涂不均匀的位置。
图13 单座铁塔某面的喷涂轨迹
图14 整个喷涂的工艺流程
图15 基于灰度值直方图的图像对比算法流程
高压铁塔自动喷涂系统主要包括载机斗臂车、斗臂升降装置、带双摄像头喷涂机器人等部分。本文介绍了铁塔模型矢量模型建立、喷涂质量等级图像数据库及各子系统应具备的功能及完成功能实现的控制算法。基于现有喷涂工艺所设计的喷涂控制，较之人工喷涂效率大大提高，克服了喷涂质量因人而异、工作人员免于处于有毒喷涂环境的缺点。
本文使用Matlab GUI界面编程软件设计了铁塔防腐的机器视觉检测系统软件，并利用机器人仿真软件RobotStudio建立了铁塔防腐自动化工作站，仿真完成了机器人应用于铁塔防腐的喷涂任务，实验验证了设计方法的可行性。
下一步需要完成的任务是：①进行喷头改造以满足环境保护的要求；②进行野外测试，以验证系统的稳定性和可靠性。