實木家具智能油漆工作臺的研究

欒玉靜

（德州職業技術學院 山東省德州市 253034）

1 概述

1.1 背景概述

隨著生活質量要求的不斷提升，實木家具受到越來越多的人們的喜愛。近年來還衍生出了新的行業——家具美容業。除此之外，家具愛好者的數量也在逐年增多。

隨著實木家具的發展，油漆工“一匠難求”的現象屢見不鮮。另外，家具的上漆配色也是一大難題，怎樣減小配色色差也是衡量一個油漆工技術水平的標準之一。

再有，目前人工家具上漆工作效率低，不利于工廠大批量生產。基于以上市場痛點我們研發實木家具智能油漆工作臺。

1.2 主要研究內容

（1）研究圖像識別算法，解決油漆工調色難，色差不穩定的問題。

（2）研究藍牙通訊技術，解決系統的穩定性與安全性不高的問題。

（3）研究調色系統與氣動系統的連接與控制，實現自動噴漆方案的形成。

2 研究介紹

2.1 工作過程

工作過程如圖1 所示。首先準備好需要噴漆的物品，啟動設備，設備上智能識別系統識別色度、家具外形結構。經過分析色彩組成、三維逆向建模。使用自主設計的算法計算出最佳的噴漆方案（包括色度，用漆量等），如圖2。在通過配色系統自動配色后噴漆。最后，識別已噴漆物品色度是否符合要求，判斷是否需要二次噴漆，直到色彩符合要求為止。

2.2 系統設計

2.2.1 機械部分

框架：采用的是多功能型鋁合金型材拼接而成。保證了設備的美觀，結構緊湊結實耐用

料罐：設計在設備內部，使得前后配重相同，距離噴口近可節省管材。上口為收口式設計，不易將家具漆灑出，還可以保證良好的通氣和灌裝家具漆漆。

噴涂裝置：采用氣壓式噴涂結構。

2.2.2 電氣部分

主控系統：選用Raspberry Pi 4 來控制。可以根據實木家具的噴漆要求對智能識別模塊、自動混色系統及氣動系統進行控制。

氣動系統：選用220v-1B-35L，該型號氣泵具有便捷，穩定，安全等特點，流量大和體積小的特點很適合本設備。

圖1：工作過程

圖2：智能配色方案

圖3：主要結構組成

自動混色系統：選用JJ-1 型攪拌機輔以氣動系統控制調色，該型號攪拌機具有啟動穩定，效率高，壽命長等優點

智能識別模塊：采用GY33 顏色傳感器和藍牙裝置，且有三種控制模式可精準識別顏色數據。

供電模塊：主要給各系統供電模塊，供各系統正常工作，如圖3。

表1：色度差對比

圖4：程序流程圖

2.3 軟件設計

根據施工過程優化控制流程，達到最優效率。

2.3.1 Raspberry Pi 4 與藍牙通訊程序設計

通過Raspberry Pi 4 UART 串口通訊技術將數據發送至藍牙模塊，藍牙模塊通過BLETooch4.1 通訊協議將數據發送到顏色識別系統控制顏色識別。

2.3.2 Raspberry Pi 4 控制液壓系統程序設計

根據識別的自動完成，將參數整定為Raspberry Pi 4 信號輸出，通過信號控制電磁閥通斷，從而控制各種顏色油漆的用量。

2.3.3 Raspberry Pi 4 與顏色識別系統通訊程序設計

利用Raspberry Pi 4 與顏色識別模塊通訊獲得家具顏色的RGB數據，通訊過程采用加密協議，保障了鏈路層的安全性，軟件流程圖如圖4。

2.4 可解決的市場痛點

（1）智能識別色度，智能配色可解決家具上漆調色難，好的油漆工一匠難求的問題。實現了有經驗油漆工的技藝固話。

（2）生成智能噴漆方案，可解決解決工廠刷漆效率低、油漆有損身體健康的問題。

2.5 創新點

2.5.1 創新點1：自主設計的識別分析算法，生成智能噴漆方案

（1）圖像識別算法的設計與各系統的協調。圖像識別使用的基于TCS34725 芯片開發的GY33 模塊，可以讀取圖像顏色數據傳至MCU 處理，經過藍牙模塊透傳到Raspberry Pi 4 進行顏色數據分離處理。Raspberry Pi 4 通過自主設計改良的算法，精準計算出各顏色用漆量，控制調色系統精準調色。經測試及測量，配色色度與有經驗的油漆工無異，肉眼難以分辨，色度對比如表1。

（2）藍牙通訊加密協議的處理。藍牙通訊我們未使用目前通用的Bluetooth4.0 協議。Bluetooth 協議易被攻破，數據容易別篡改、竊取。我們使用了安全性更高的穩定性更好的CAI 協議，并根據設備需要進行了修改，實現多臺設備可各自分離管理，互不影響，一機一通道。保證了數據傳輸穩定性的同時加強了安全性。

（3）調色系統與氣動系統的連接與控制。我們嘗試了調色系統與氣動系統的多種連接方法，經測試，我們選用了結構最精簡、效率最穩定的“賽風式結構”。此結構借鑒了賽風壺的原理，能夠精確的控制用漆量，并且結構精簡，效率穩定，是理想的結構。

2.5.2 創新點2：基于大數據分析的智能噴涂生產工藝管理系統

對于實木家具生產企業，本設備可以智能識別首批家具外形后系統三維建模，生成工藝數據，后續批次家具可實現自動噴涂。

3 市場定位及進度

3.1 市場定位

實木家具智能油漆工作臺現已基本完成，我們具有理論與實踐的雙重驗證。本設備是一系列的設備，針對手工愛好者我們設計了便攜式，針對家具美容業我們有實用型，針對家具生產企業我們有生產型。總之，我們智慧賦能實木家具產業，讓該行業更多彩。

3.2 項目進度

目前本設備已完成產品的研發階段，手工樣品制作階段、產品的驗證階段，正在進行產品的生產推廣階段。

4 結束語

經過實際的市場調研，一名工人刷漆效率約5-8 件/天，勞動強度大，近距離接觸未固化家具漆會對身體會造成一定的傷害。本設備實際噴涂效果與人工噴涂效果無明顯差異，按8 小時工作制，機器的噴漆效率約20-30 件/天，是目前純人工刷漆效率的4-6 倍。另外，該設備一鍵啟動、多種操作模式，但成本低廉。現場試用過程中，施工者無論知識水平高低都可短時間上手操作，頗受施工方好評，且迫切要求該設備上市。由此可見，其經濟效益良好，應用價值高。