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喷涂机器人编程:每个圆弧面片上的喷枪轨迹优化

喷涂机器人喷枪数学模型的建立和喷枪轨迹优化是喷涂机器人离线编程中的关键技术 ,国内外许多学者围绕此问题进行了研究。在喷枪数学模型的建立方面 ,研究者们主要集中于平面上喷枪数学模型的研究 ,对于规则曲面及自由曲面上喷枪数学模型的建立研究较少。喷涂机器人在喷枪轨迹优化方面,面向平面和规则曲面的喷涂轨迹优化得到了一定程度的研究 ,并进行了试验验证。直纹曲面作为制造工业中出现较多的自由曲面类型 ,如汽车的车门和飞机的机身 ,越来越受到研究者的关注。

喷枪的一条空间轨迹可定义为喷枪经过的一系列点的集合。设计时考虑一种可行的喷枪轨迹确定方法 , 即先指定期望的喷枪空间轨迹和喷涂方向 , 问题就转化为如何找到喷枪沿指定轨迹的最优时间序列 , 使得喷枪沿此轨迹进行喷涂作业时所定义的优化目标达到最优。这样 , 轨迹优化问题就把每一时刻的最优变量个数从一般喷枪轨迹优化问题中的 6 个(喷枪的位姿) 减少为 1 个 , 降低了问题的复杂性。为了保证喷涂区域内涂层厚度的均匀性 , 需要优化喷枪走速 v 和轨迹间距δ。对于直纹面 , 通常情况下 , 我们期望的喷涂轨迹是沿着扫描方向( U 向) 规划的 , 为了便于分析 , 在平面上分析涂层的叠加情况。

针对大型复杂曲面 , 对复杂曲面的分片及喷枪路径模式、路径规划方向进行了分析 ,并建立了复杂曲面分片后每一片内的喷枪轨迹优化函数 ,讨论了面片交界处的涂层厚度均匀性问题 ,得出了当两面片的喷枪轨迹相对于交界线平行(parallel - parallel , PA - PA) 时 ,涂层厚度均匀性最佳的结论 ,但他们的讨论是基于平面分片原则进行的 ,该理论只适用于曲率较小曲面 ,遇到曲率较大的曲面时 ,会出现分片数较多及涂层均匀性欠佳的问题。只针对喷涂机器人关节空间的最优轨迹规划问题进行了研究 ,采用遗传算法对问题进行求解 ,但没有考虑自由曲面上的喷枪轨迹优化问题。针对凹凸结构曲面 ,采用微分几何的面积放大定理推导出自由曲面上的漆膜累积速率二次函数 ,并采用轨迹优化的方法对表面有凹凸结构的曲面的涂层厚度差进行补偿 ,仿真实验表明该方法能有效提高涂层的均匀性,但还未达到较高的工艺水平。


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