噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、噴涂機(jī)器人是一種重要的先進(jìn)涂裝生產(chǎn)裝備，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于汽車等產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)線。噴涂機(jī)器人的噴涂效果與物體表面形狀、噴涂過程參數(shù)等諸多因素有關(guān)。為了達(dá)到新的噴涂作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)高效低成本的生產(chǎn)目標(biāo)，對(duì)新噴涂建模的分析以及高性能噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化算法、控制策略的研究已成為國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。本課題以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和江蘇省高技術(shù)研究項(xiàng)目為背景，對(duì)噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化技術(shù)中的一些難點(diǎn)問題和關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。研究主要內(nèi)容包括：
　

2、　 ⑴針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中噴涂工件復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，提出了兩種適用于不同場合且實(shí)用性較強(qiáng)的噴涂工件曲面造型方法:一種是基于平面片連接圖FPAG的曲面造型方法，該方法先對(duì)曲面進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分，再將劃分后的三角面連接成平面片，最后使用基于平面片連接圖FPAG的合并算法將各個(gè)平面片連接成為較大的片;另一種是基于點(diǎn)云切片技術(shù)的曲面造型方法，該方法主要分為總體算法描述、切片層數(shù)的確定、切片數(shù)據(jù)的分離、切片數(shù)據(jù)計(jì)算、多義線重構(gòu)等五個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這

3、兩種方法分別可以應(yīng)用于一般性曲面以及曲率變化大的工件曲面的造型，并且計(jì)算速度快，完全滿足噴涂機(jī)器人工作的需要，從而為后續(xù)的噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化工作奠定了基礎(chǔ)。
　　 ⑵提出了從規(guī)劃噴涂路徑角度優(yōu)化噴涂軌跡、提高噴涂質(zhì)量的思想。根據(jù)噴涂機(jī)器人實(shí)際工作的需要，提出兩種噴涂機(jī)器人空間路徑規(guī)劃方法:一種是基于分片技術(shù)的噴涂機(jī)器人空間路徑規(guī)劃，該方法主要是應(yīng)用于復(fù)雜曲面上的路徑規(guī)劃，將復(fù)雜曲面分片問題表示為一個(gè)帶約束條件的單目標(biāo)優(yōu)化問題，并

4、給出相應(yīng)的分片算法，再建立每一片噴涂路徑的評(píng)價(jià)函數(shù)，并以此為依據(jù)來規(guī)劃噴涂路徑，從而為獲得更佳的優(yōu)化軌跡并得到更好的噴涂效果提供了基礎(chǔ);另一種是基于點(diǎn)云切片技術(shù)的噴涂機(jī)器人空間路徑規(guī)劃，該方法通過設(shè)定切片方向和切片層數(shù)，對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行切片處理，得到切片多義線后對(duì)其平均采樣，然后估算所有采樣點(diǎn)的法向量，最后利用偏置算法獲取噴涂機(jī)器人空間路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種方法都比較實(shí)用，且計(jì)算速度較快，能夠在保證噴涂機(jī)器人噴涂效率的同時(shí)，達(dá)到更佳的

5、噴涂效果。
　　 ⑶針對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中許多噴涂工件形狀復(fù)雜，噴涂時(shí)會(huì)遇到多個(gè)噴涂面且各個(gè)噴涂面的法向量夾角都比較大的問題，提出了面向三維實(shí)體的噴涂機(jī)器人空間軌跡優(yōu)化方法。利用實(shí)驗(yàn)方法建立一種簡單的涂層累積速率數(shù)學(xué)模型并采用基于平面片連接圖FPAG的曲面造型方法對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行分片;規(guī)劃出每一片上的噴涂路徑后，以離散點(diǎn)的涂層厚度與理想涂層厚度的方差為目標(biāo)函數(shù)，在每一片上進(jìn)行噴涂軌跡的優(yōu)化，并按照兩片交界處空間路徑方向的不同分PA-P

6、A、PA-PE、PE-PE三種情況研究了兩片交界處的噴涂軌跡優(yōu)化情況，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩片交界處的噴涂空間路徑為PA-PA時(shí)涂層厚度均勻性最佳;采用哈密爾頓圖形法表示各個(gè)分片上的噴涂軌跡優(yōu)化組合問題，分別采用GA算法、ACO算法、PSO算法對(duì)其進(jìn)行求解，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各個(gè)算法的可行性。最后，在自行設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人離線編程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了噴涂實(shí)驗(yàn)，并對(duì)幾種算法結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的面向三維實(shí)體的噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化方法完

7、全能滿足涂層厚度均勻性的要求;而使用PSO算法雖然需要消耗少量的系統(tǒng)運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間，但與其他算法相比更加節(jié)約噴涂時(shí)間，顯著提高了噴涂效率。
　　 ⑷針對(duì)范圍在十幾米內(nèi)，各局部法向量方向差異不大的自由曲面或復(fù)雜曲面上的噴涂問題，提出了曲面上的噴涂機(jī)器人空間軌跡優(yōu)化方法。首先研究了自由曲面上的噴涂軌跡優(yōu)化方法:采用實(shí)驗(yàn)方法建立了表達(dá)式較簡單的涂層累積速率模型后，通過分析噴涂過程中各個(gè)可控參數(shù)對(duì)噴涂效果的影響，建立自由曲面上涂層厚度數(shù)學(xué)

8、模型;在此基礎(chǔ)上生成噴涂機(jī)器人空間路徑，得出軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)是帶約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化問題，并選取時(shí)間最小和涂層厚度方差最小作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用帶權(quán)無窮范數(shù)理想點(diǎn)法進(jìn)行求解;仿真實(shí)驗(yàn)和噴涂實(shí)驗(yàn)表明，該算法完全符合預(yù)設(shè)的噴涂質(zhì)量和噴涂效率的要求。其次，研究了曲面上的靜電噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化問題，在利用實(shí)驗(yàn)方法得到靜態(tài)噴涂涂料空間分布的徑向厚度剖面函數(shù)后，推導(dǎo)出一種新型、實(shí)用的ESRB涂層累積模型;以某品牌汽車車身為噴涂對(duì)象進(jìn)行靜電噴涂實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)