[发明专利]一种基于工业机器人的平面图案的曲面喷涂方法及系统

权利要求书

1.一种基于工业机器人的平面图案的曲面喷涂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a：基于边界检测算法和线状要素抽稀算法提取平面图案的边缘轨迹点；

步骤b：基于螺旋区域填充算法和涂层沉积速率模型规划区域喷涂轨迹；

步骤c：基于STL三角网格完成曲面模型的读取与喷涂轨迹点投影；

步骤d：将轨迹点按喷涂高度向曲面法向偏移得到最终的曲面喷涂轨迹并生成相应的机器人运动程序；

步骤e：将工件放置在机器人运动空间内，建立相应的工件坐标系，安装机器人末端执行器，建立工具坐标系，在机器人仿真软件中验证轨迹的可行性后，上传生成的机器人控制程序，并完成最终的喷涂任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的平面图案的曲面喷涂方法，其特征在于，步骤a中，基于边界检测法和线状要素抽稀算法提取平面图案的边缘轨迹点，包括以下步骤：

步骤a1：输入待喷涂的平面图案图像文件，通过微分算子边界检测算法计算并得到喷涂图案的边缘像素点的坐标特征，对图像运用导数算子，通过设置导数阈值，提取边界的点集；将所有的边缘像素点的坐标特征按照边界顺序进行储存；

步骤a2：采用道格拉斯普克算法去除边缘像素点中的冗余数据点，通过设置适当的抽稀阈值d_threshold，在保留几何形状的基础上精简数据量；将待处理曲线的首末点虚连一条直线，求所有中间点与直线的距离的最大值d_max，若d_maxd_threshold，则将这条曲线上的中间点全部舍去；若d_max≥d_threshold，则以最大值d_max对应的中间点为界，把曲线分为两个部分，对两个部分曲线重复上述过程，直至所有点都被处理完；从而提取得到平面图案的边缘轨迹点。

3.根据权利要求2所述的一种基于工业机器人的平面图案的曲面喷涂方法，其特征在于，步骤b中，基于螺旋区域填充算法和涂层沉积速率模型规划区域喷涂轨迹，包括以下步骤：

步骤b1：以椭圆中心为坐标原点建立平面直角坐标系，椭圆喷涂区域边界处的曲线方程为：

式中，a为椭圆的长轴，b为椭圆的短轴，X为椭圆喷涂的喷幅宽度方向，Y为椭圆喷涂的喷幅厚度方向；

步骤b2：基于椭圆双β分布模型建立涂层沉积速率模型，机器人在喷涂过程中在水平方向和竖直方向涂层沉积速率分别服从参数β1和β2的分布模型，而平行的断面服从相同的β参数；

β分布为：

式中，H为任意一点涂层厚度，H_max为最大涂层厚度，W为喷幅宽度方向上与喷幅中心之间的距离，

Y＝m的X向截面服从β1分布，此时得到Y＝m向断面上喷涂厚度分布满足：

式中，

H_Y＝m表示Y＝m的X向断面上的涂层厚度分布，H_max,Y＝m表示Y＝m时，X向断面上涂层厚度最大值，β1表示垂直于Y轴的X向断面上的涂层β分布指数；

X＝n的X向截面服从β2分布，此时得到X＝n向断面上喷涂厚度分布满足：

式中，

H_X＝n表示X＝n的Y向断面上的涂层厚度分布，H_max,X＝n表示X＝n时，X向断面上涂层厚度最大值，β2表示垂直于X轴的Y向断面上的涂层β分布指数；

整个椭圆形涂层任意一点的涂层沉积速率为：

式中，

步骤b3：喷枪喷出的喷束呈锥形射向工件表面，得到的涂层中间厚两边薄，适当选择相邻喷涂轨迹间的距离，使重叠后的涂层质量更佳，单涂层重叠周期间的涂层厚度描述为：

其中，d为喷涂重叠距离；利用喷涂平面任意一点p(x,y)的实际喷涂厚度S_p与理想喷涂平均厚度S_A间的方差作为目标函数，进行涂层厚度效果的鉴别，具体的目标函数为：

采用粒子群算法进行迭代优化求解得到最佳喷涂速度v和喷涂重叠距离d；

步骤b4：基于螺旋区域填充算法中先通过计算区域R中任意一点到边界的最小欧式距离，得到区域内的点到边界的最大距离，即区域中心点到边界的最小距离θ_R，再根据步骤b3中计算得到的距离d，由θ_R＝kd，得到该区域内的内缩螺旋层数h；

步骤b5；将步骤a2中得到的多边形区域轮廓的每一个点P_i进行等距离收缩，收缩次数即为步骤b4中计算得到的内缩螺旋层数k；多边形轮廓上任意一个点P_i所在多边形的两条相邻边分别为L₁和L₂，分别做L₁和L₂的平行线，平行线间的距离为步骤b2中得到的距离w，且两条平行线都位于多边形的内部，则两条平行线的交点Q_i即为多边形上P_i点的内缩对应点。