靜電噴涂機器人變量噴涂軌跡優(yōu)化關鍵技術研究.pdf

1、靜電噴涂機器人是一種非常重要的涂裝生產裝備，是一種利用高壓靜電電場力提高涂料微粒沉積效率的設備，在國內外廣泛應用于汽車車身涂裝生產線。(靜電噴霧機器人在農田的靜電噴藥殺蟲和除草等方面也有越來越多的應用研究)。靜電噴涂機器人噴槍軌跡對噴涂對象的表面噴涂質量影響很大，因此，靜電噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化算法、控制策略和離線編程系統(tǒng)的研究是國內外學者們近幾年關注的熱點。我國在噴涂機器人噴涂軌跡優(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外

2、，噴涂機器人及其離線編程系統(tǒng)的技術水平較低，在實際應用中的效果不太理想。針對以上問題，本文在國家自然科學基金項目“靜電噴涂機器人變量噴涂軌跡優(yōu)化關鍵技術研究(60875052)”和江蘇省工業(yè)高技術研究項目“噴涂機器人軌跡優(yōu)化與離線編程技術研究(BG2006023)”的資助下，對噴涂機器人軌跡優(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器人空間軌跡的轉換等關鍵技術問題進行了研究。主要研究內容如下：
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3、.針對外形復雜的曲面工件難以獲得準確的噴槍軌跡，影響涂層質量的問題，提出一種基于點云切片技術的噴涂機器人噴槍位姿參數的自動獲取方法。首先，對待噴涂工件進行3D掃描直接獲得工件表面點云模型，然后，轉換為三角化網格格式(STL)模型，利用STL模型切片技術由程序自動生成噴涂機器人的噴槍運行軌跡。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，該參數可用于機器人離線編程系統(tǒng)中的噴涂路徑規(guī)劃，從而實現對噴槍的運動軌跡、方向以及噴槍與待噴涂工件

4、表面之間距離的精確控制。在此基礎上對已有軌跡進行優(yōu)化可以獲得更好的噴涂效果。
　　 2.針對在自由曲面上的勻速和等行程間距噴涂時，會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。根據平面上的噴涂實驗和微分幾何的面積放大定理推導出曲面上的漆膜生長模型；采用Gauss-Bonnet定理選擇曲面上的測地線作為種子路徑曲線；采用沿路徑方向的速率優(yōu)化算法補償表面曲率變化對沿軌跡

5、方向的涂層一致性的影響；根據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生適當的重疊，補償表面曲率變化對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)化的多目標優(yōu)化函數，對整片工件上的軌跡進行綜合優(yōu)化，得到整體最優(yōu)軌跡。以汽車車身表面為實驗對象，進行清漆噴涂實驗驗證了算法的有效性。
　　 3.針對采用固定參數的噴涂軌跡在有些情況下會造成涂料的嚴重浪費和非規(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、旋杯轉速、間距和平移速率等工況參數對高壓靜電旋杯式噴涂機器人的噴涂模型和噴涂轉移率的影響，根據噴涂時靜電電壓與噴涂模型之間關系建立了基于高壓靜電旋杯的變量噴涂模型。然后，根據變量噴涂模型的特點研究了規(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)則多邊形平面上進行噴涂時，通過改變靜電電壓、移動速度、軌跡間的間距等參數控制涂料的分布規(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，通過復雜非規(guī)則平面多邊形的仿真和實驗驗證了變量噴涂軌跡優(yōu)化方法的可行性。
　　 4.針對目前軌跡優(yōu)化是基于工件空間的噴涂軌跡優(yōu)化，沒有涉及機器人運動軌跡這一問題，根據噴涂機器人離線編程的需要和噴涂空間軌跡的特點，提出一種基于Dijkstra算法的噴涂機器人笛卡爾空間軌跡到關節(jié)軌跡的轉換方法。通過分析工件坐標系和機器人基坐標系的關系，采用輔助特征點三點標定法將工件坐標系內的噴涂空間軌跡轉換到

8、機器人坐標系。建立在機器人逆解中求取最短關節(jié)運動行程的優(yōu)選模型，利用賦權有向圖表示所有機器人逆解間的行程關系，利用Dijkstra算法求最優(yōu)的逆解組合。噴涂試驗驗證了該方法的可行性和有效性，結果表明所提出的軌跡轉換方法能有效克服軌跡轉換失真。
　　 圍繞變量噴涂軌跡優(yōu)化技術進行以上四部分的理論分析和試驗研究工作，基本構建了噴涂機器人離線編程系統(tǒng)的基本框架，為我國的靜電噴涂機器人軌跡優(yōu)化技術的發(fā)展奠定了部分理論基礎。