靜電噴涂機(jī)器人變量噴涂軌跡優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、靜電噴涂機(jī)器人是一種非常重要的涂裝生產(chǎn)裝備，是一種利用高壓靜電電場(chǎng)力提高涂料微粒沉積效率的設(shè)備，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于汽車車身涂裝生產(chǎn)線。(靜電噴霧機(jī)器人在農(nóng)田的靜電噴藥殺蟲和除草等方面也有越來越多的應(yīng)用研究)。靜電噴涂機(jī)器人噴槍軌跡對(duì)噴涂對(duì)象的表面噴涂質(zhì)量影響很大，因此，靜電噴涂機(jī)器人噴槍軌跡優(yōu)化算法、控制策略和離線編程系統(tǒng)的研究是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們近幾年關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)在噴涂機(jī)器人噴涂軌跡優(yōu)化方面的研究起步較晚，并且研究的深度和廣度也不及國(guó)外

2、，噴涂機(jī)器人及其離線編程系統(tǒng)的技術(shù)水平較低，在實(shí)際應(yīng)用中的效果不太理想。針對(duì)以上問題，本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“靜電噴涂機(jī)器人變量噴涂軌跡優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究(60875052)”和江蘇省工業(yè)高技術(shù)研究項(xiàng)目“噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化與離線編程技術(shù)研究(BG2006023)”的資助下，對(duì)噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化與離線編程系統(tǒng)中的噴槍位姿信息的獲取、軌跡優(yōu)化和工件空間軌跡到機(jī)器人空間軌跡的轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
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3、.針對(duì)外形復(fù)雜的曲面工件難以獲得準(zhǔn)確的噴槍軌跡，影響涂層質(zhì)量的問題，提出一種基于點(diǎn)云切片技術(shù)的噴涂機(jī)器人噴槍位姿參數(shù)的自動(dòng)獲取方法。首先，對(duì)待噴涂工件進(jìn)行3D掃描直接獲得工件表面點(diǎn)云模型，然后，轉(zhuǎn)換為三角化網(wǎng)格格式(STL)模型，利用STL模型切片技術(shù)由程序自動(dòng)生成噴涂機(jī)器人的噴槍運(yùn)行軌跡。通過該方法可以方便地獲取噴槍軌跡的位置和姿態(tài)參數(shù)，該參數(shù)可用于機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中的噴涂路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴槍的運(yùn)動(dòng)軌跡、方向以及噴槍與待噴涂工件

4、表面之間距離的精確控制。在此基礎(chǔ)上對(duì)已有軌跡進(jìn)行優(yōu)化可以獲得更好的噴涂效果。
　　 2.針對(duì)在自由曲面上的勻速和等行程間距噴涂時(shí)，會(huì)因曲面上曲率的變化造成涂層厚度差較大的問題，提出一種基于速度和間距的軌跡優(yōu)化算法以提高曲面的涂膜厚度一致性。根據(jù)平面上的噴涂實(shí)驗(yàn)和微分幾何的面積放大定理推導(dǎo)出曲面上的漆膜生長(zhǎng)模型；采用Gauss-Bonnet定理選擇曲面上的測(cè)地線作為種子路徑曲線；采用沿路徑方向的速率優(yōu)化算法補(bǔ)償表面曲率變化對(duì)沿軌跡

5、方向的涂層一致性的影響；根據(jù)已知種子曲線的位置，通過優(yōu)化間距獲得其他路徑的位置，使臨近路徑的涂料沉積產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹丿B，補(bǔ)償表面曲率變化對(duì)垂直于路徑方向的涂層厚度一致性的影響；建立速度優(yōu)化和間距優(yōu)化的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，對(duì)整片工件上的軌跡進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到整體最優(yōu)軌跡。以汽車車身表面為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行清漆噴涂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。
　　 3.針對(duì)采用固定參數(shù)的噴涂軌跡在有些情況下會(huì)造成涂料的嚴(yán)重浪費(fèi)和非規(guī)則平面工件邊界處涂膜厚度不一致的

6、問題，提出一種基于靜電電壓和間距調(diào)節(jié)的變量噴涂軌跡優(yōu)化方法。首先，研究靜電電壓、旋杯轉(zhuǎn)速、間距和平移速率等工況參數(shù)對(duì)高壓靜電旋杯式噴涂機(jī)器人的噴涂模型和噴涂轉(zhuǎn)移率的影響，根據(jù)噴涂時(shí)靜電電壓與噴涂模型之間關(guān)系建立了基于高壓靜電旋杯的變量噴涂模型。然后，根據(jù)變量噴涂模型的特點(diǎn)研究了規(guī)則平面和非規(guī)則平面的變量噴涂軌跡優(yōu)化方法。在不規(guī)則多邊形平面上進(jìn)行噴涂時(shí)，通過改變靜電電壓、移動(dòng)速度、軌跡間的間距等參數(shù)控制涂料的分布規(guī)律，從而改變涂料沉積圖形

7、的大小以獲得最優(yōu)的噴涂效果和效率。最后，通過復(fù)雜非規(guī)則平面多邊形的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變量噴涂軌跡優(yōu)化方法的可行性。
　　 4.針對(duì)目前軌跡優(yōu)化是基于工件空間的噴涂軌跡優(yōu)化，沒有涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡這一問題，根據(jù)噴涂機(jī)器人離線編程的需要和噴涂空間軌跡的特點(diǎn)，提出一種基于Dijkstra算法的噴涂機(jī)器人笛卡爾空間軌跡到關(guān)節(jié)軌跡的轉(zhuǎn)換方法。通過分析工件坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系的關(guān)系，采用輔助特征點(diǎn)三點(diǎn)標(biāo)定法將工件坐標(biāo)系內(nèi)的噴涂空間軌跡轉(zhuǎn)換到

8、機(jī)器人坐標(biāo)系。建立在機(jī)器人逆解中求取最短關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)行程的優(yōu)選模型，利用賦權(quán)有向圖表示所有機(jī)器人逆解間的行程關(guān)系，利用Dijkstra算法求最優(yōu)的逆解組合。噴涂試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，結(jié)果表明所提出的軌跡轉(zhuǎn)換方法能有效克服軌跡轉(zhuǎn)換失真。
　　 圍繞變量噴涂軌跡優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行以上四部分的理論分析和試驗(yàn)研究工作，基本構(gòu)建了噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的基本框架，為我國(guó)的靜電噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展奠定了部分理論基礎(chǔ)。