[发明专利]复杂曲面上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及喷涂机器人喷枪轨迹自动优化方法，是一种针对表面为复杂曲面的工件进行喷涂作业时的机器人离线编程方法。

背景技术

喷涂机器人的喷涂效果与物体表面形状、喷枪参数等诸多因素有关。对于诸如汽车、电器及家具等产品，其表面的喷涂效果对质量有相当大的影响。在自动喷涂操作中，喷涂机器人的机械手围绕待涂工件表面来回移动，适当的轨迹和其它过程参数的选择都能使生产成本得到节约，同时也可相应地减少排放到喷涂车间环境中的涂料总量，减轻环境污染。

喷涂机器人离线编程系统主要由机器人喷枪轨迹优化模块、机器人运动轨迹生成模块、机器人程序生成模块等构成，其中机器人运动轨迹生成模块和机器人程序生成模块基本属于一般工业机器人离线编程系统中的常规模块，而喷涂机器人喷枪轨迹优化模块的设计是其离线编程法中的关键技术。

近年来，随着喷涂机器人的广泛应用，喷涂机器人喷枪轨迹优化方法及其离线编程技术已经得到了长足发展，机器人喷涂也基本上能满足工业生产的需要。然而在喷涂汽车、飞机、船舶等大型产品时，会遇到许多大面积的复杂曲面，对此通常采取的方法是对曲面进行分片，但复杂曲面的分片与优化组合策略以及片与片交界处的轨迹优化问题至今还没有得到有效的解决，从而造成机器人运动难度加大、喷涂效率降低及片与片的交界处涂层厚度不匀等问题。因此，在实际生产中喷涂大型产品时，产品外观质量不能得到进一步提升，而且不能实现复杂、多片曲面上的全自动喷涂。例如在机器人喷涂汽车车身的主要部分后仍需人工进行补充喷涂，费时、费力、费料，且工人仍处于有害环境中。

发明内容

本发明为了解决上述问题，目的在于提供一种专门的针对复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，以提高复杂曲面上的机器人喷涂效果和喷涂效率，满足实际工业生产的需要。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括先对曲面进行分片，将每片近似看成平面，再运用平面上的喷枪轨迹优化方法进行每片上的轨迹设计，还依次包括如下步骤：

(1)运用试验方法设计一个涂层累积模型；

(2)在对曲面进行分片后，以曲面上离散点的涂层厚度与理想涂层厚度的方差为目标函数，优化两个喷涂行程的涂层重叠区域宽度d以及喷枪速度v，实现每一片上的喷枪轨迹的优化；

(3)根据喷枪轨迹和片与片之间交界处的位置关系，分平行-平行、平行-垂直、垂直-垂直三种情况进行讨论；当喷枪轨迹垂直于交界线时，采用对轨迹分段的方法计算交界处不同位置的离散点的实际涂层厚度，并以离散点的实际涂层厚度与理想涂层厚度的方差为目标函数，对轨迹与交界线的距离、喷枪各段轨迹上的移动速度等参数进行优化，从而使整个复杂曲面上都能达到理想的喷涂要求；

(4)将喷枪轨迹优化组合问题看成乡村邮递员问题(ORPP)，采用哈密尔顿图形法表示ORPP，用遗传算法进行求解；个体编码中除了包含哈密尔顿图顶点信息的实数编码外，还有表示每片上轨迹方向的二进制编码；在选取适应度函数时，将最小值优化问题转换为最大值优化问题；交叉操作采用顺序交叉和双点交叉相结合的方法，顺序交叉操作中为了能生成性能更加优良的后代，先在种群中随机选取五对个体，再选择其中适应度值最高的一对个体作为父代进行顺序交叉操作；变异操作采用倒位变异和基本变异相结合的方法，实现对问题空间的全局寻优。

本发明具有很强的实用性，能够提供对表面为复杂曲面的工件的机器人自动喷涂方法，可提高喷涂机器人工作效率，保证了喷涂质量且节约涂料。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的涂层空间分布模型；

图2是图1的涂层累积速率函数图；

图3是平面上的喷涂示意图；

图4是喷枪轨迹相对于边界线的位置关系示意图；

图5是喷枪轨迹为平行-平行时示意图；

图6是喷枪轨迹为平行-垂直时示意图；

图7是不同片上的喷枪轨迹组合示意图；

图8是原始图转变为哈密尔顿图。

具体实施方式

本发明方法是：先对复杂曲面进行分片，并将每片近似看成平面，运用平面上的喷枪轨迹优化方法进行每片上的轨迹设计；根据两片交界线与交界处轨迹的相对位置关系，分情况讨论交界处的喷枪轨迹优化，采用喷枪轨迹分段的方法对交界处轨迹进行优化；采用改进的遗传算法对每片上的喷枪轨迹进行优化组合，实现大面积复杂曲面上的喷枪轨迹优化。