CN107899907A - 一种平面多边形变量喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面多边形变量喷涂方法。该方法通过对非规则多边形进行几何分析，将其分割成一个三角形和n个梯形或n个梯形的组合，规划定量喷涂区和变量喷涂区，生成最优的喷涂轨迹。对于大部分梯形区域采用定量喷涂的方法。根据三角形的宽度求出实现变量喷涂所需的梯形条幅数，采用变量喷涂的方法来消化三角形部分。在变量喷涂过程中实时地算出喷涂图形的直径，通过喷涂图形的直径和希望的节拍数反推出旋杯的静电电压、旋转转速、与工件的距离和移动速度等变量喷涂参数。本发明可缩短前期喷涂的轨迹规划时间，简化对复杂多边形的轨迹规划问题，减少涂料的浪费，提高经济效益，同时也可降低涂料到喷房的排放量，减轻车间的污染度。

Description

一种平面多边形变量喷涂方法

技术领域

本发明涉及一种喷涂机器人喷涂多边形的方法，是一种针对非规则多边形调用变量喷涂的离线编程方法。

背景技术

静电喷涂是根据传统的喷涂和静电效应向结合的一项新技术，将静电喷涂技术运用在喷涂机器人上，具有最佳的经济效益，广泛运用于国内外汽车涂装生产线上，不仅提高了产品的质量与产量，而且保障了人身安全、改善劳动条件、减轻劳动强度、降低生产成本和减轻环境污染。在机器人喷涂之前，往往需要技术人员示教大量的目标点，调整机器人的姿态，编写复杂的运动轨迹。喷涂过程中还需调整喷涂流量、旋杯转速等参数，一般喷涂参数设置较为粗略，较为浪费涂料。

发明内容

本发明的目的在于喷涂机器人以合适的位姿示教多边形的顶点，并对其进行分割，就可以生成喷涂轨迹，以缩短前期喷涂的轨迹规划时间，简化了对复杂多边形的轨迹规划问题。且在喷涂过程中采用变量喷涂方法，计算喷涂直径，选择具有合适的旋杯转速、成型空气和静电高压等工艺参数的喷涂刷子，节省涂料，优化喷涂效果。

本发明采用的技术方案是：利用ShopFloorEditor软件，对离线编程软件RobotStdio所自动生成的喷涂轨迹设置一组合适的刷子表，其具体步骤为：

步骤1，示教喷涂机器人的工具TCP，使得工具以合适的姿态示教多边形的每个顶点；

步骤2，利用ShopFloorEditor制定一组刷子表参数表格，针对不同的喷涂区域调用不同的刷子；

步骤3，对多边形进行几何分析，切割成三角形与梯形的组合，生成多边形喷涂轨迹。

步骤4，通过若干个梯形变量喷涂条幅消化剩余三角形；

步骤5，调用平面梯形工件变量喷涂包，对上述生成的轨迹进行变量喷涂。

进一步，所述步骤1的TCP以合适的姿态示教顶点包括：

首先确定平面多边形的函数表达式，其次确定喷抢在笛卡尔坐标系中的位置和方向的三维矢量函数，最后获取喷枪的位姿。

进一步，所述步骤2的设置刷子表参数表格包括：

步骤2.1，通过设置涂料喷涂量(Fluid)、旋杯转速(Atom)来调节雾化颗粒大小、涂料的挥发量以及漆膜厚度；

步骤2.2，通过设置成型空气(Shape)、工具TCP与工件的距离(以下简称间距)来调节油雾化幅度、喷涂的颜色效果；

步骤2.3，通过设置静电高压(HV)调节上漆率和喷涂直径；

步骤2.4，通过旋杯转速、静电高压和间距调节漆雾图形直径。

进一步，所述步骤3主要包括：

通过RobotStdio的离线仿真技术，对于梯形，以合适的姿态示教其顶点，并根据所需的定量喷涂条幅数目，就可以对其自动生成轨迹。

进一步，所述步骤4包括：

以与梯形区域相邻的三角形边为底边，计算该三角形的高，，并根据最大和最小喷涂图形直径计算出所需的变量喷涂条幅数目，用这若干个条幅数消化三角形区域。

进一步，所述步骤5包括：

设具有较好喷涂效果的最大喷涂图形直径为D_M，最小喷涂图形直径为D_m，在喷涂过程中根据D_M、D_m、旋杯速率和行走时间计算出此时所需要的喷涂图形直径D_x。再根据D_x选择具有合适的静电电压、旋杯转速、间距和移动速度等变量喷涂参数的喷涂刷子。

本发明的技术效果为：本发明具有很强的实用性，对于非规则多边形，将其分成一个三角形和n个梯形或者n个梯形组合,规划定量喷涂区域和变量喷涂区域，生成轨迹路线。再在喷涂轨迹路线中调用梯形变量喷涂，完成对非规则多边形变量喷涂。本发明只需让喷涂机器人以合适的姿态示教非规则多边形的每个顶点，节约了工程调试时间，简化了程序复杂性，节省涂料量，优化喷涂效果。

附图说明

图1为点在三角形平面中的法矢量示意图；

图2为投影点法矢量估算示意图。a是采样点的网络图，b是法矢量的估算图；

图3为漆膜厚度的关系曲线。a是与旋杯转速的关系曲线，b是成型空气压力的关系曲线；

图4为静电电压与转移率的关系曲线；

图5为平面上涂料分布图；a是平面上涂料分布图，b是内直径与静电电压关系图，c是外直径与静电电压关系图；

图6为静态分布模型的平移示意图；

图7为刷子表参数示意图；

图8为多边形变量喷涂示意图；

图9为变量梯形喷涂示意图；

具体实施方式

步骤1：示教喷涂机器人的工具TCP，使得工具以合适的姿态示教多边形的每个顶点。其喷枪位姿的获取方法如下：

1)喷枪轨迹数学模型

假设工件固定，设多边形表面可用函数z＝h(x,y)来表示，其中，映射h:D→R，定义域所以多边形表面的函数可以定义为：

S＝{(x,y,z)|z＝h(x,y),(x,y)∈D} (1-1)

用笛卡尔坐标系XYZ表示位姿。设分别三维矢量函数P(t)和O(t)来表示喷枪在固定笛卡尔坐标系中的位置和方向。这两个矢量与时间t的关系可表示为：

P(t)＝[p_x(t),p_y(t),p_z(t)] (1-2)

O(t)＝[o_x(t),o_y(t),o_z(t)] (1-3)

其中，式(1-2)中矢量p_x(t),p_y(t),p_z(t)表示时刻t时，喷枪的位置。式(1-3)中矢量o_x(t),o_y(t),o_z(t)表示时刻t时，喷枪分别绕X、Y、Z坐标轴的旋转角度。为了方便，定义一个矢量函数α(t)来总体代表喷枪的位姿，表示为：

α(t)＝[P(t),O(t)]^T (1-4)

2)多边形表面投影点法矢量的估算：确定喷抢在笛卡尔坐标系中的位置和方向的三维矢量函数。

喷涂机器人工作过程中，喷枪的轴线始终垂直于工件表面，以保证涂层厚度一致性，所以要计算路径点的法矢量。首先把路径点进行三角划分，某点的法矢量可由与该点相邻的三角形的法矢量的加权平均来替代。对于某点在三角形里的方向矢量很容易计算，如图1所示，在三角形面片opq中，点o的法矢量可以通过相邻的两条边计算，具体可以表示为：

若某点在单个三角形面片里的法矢量确定了，那么依次求出该点在与其相邻点连接的所有三角形中的法矢量，然后取加权平均即为该点的法矢量。在此按照图2-a所示构建采样点的网格，对于任一采样点来说，以其为顶点的三角形面片有1、2、3或6个，由下式可估算出每个采样点的单位法矢量

其中，i为三角面片的编号；σ_i为权重， 为该单个三角面片的单位法矢量。以图2-b为例，

3)喷枪位姿的获取

喷涂过程中，不仅要求喷枪的轴线始终垂直于工件表面，而且喷枪与工件表面应保持适当的恒定距离，以保证涂层厚度一致性，因此，最终的喷枪路径在切片轮廓线在法线方向的等距面上。

设参数曲面为S(u,v)＝[x(u,v),y(u,v),z(u,v)]，简记为S＝S(u,v)，定义域为[u₀,u_n]×[v₀,v_m]。若u，v方向的偏导数则曲面上某点的法矢量参数曲面的等距面S₀(u,v)＝S(u,v)±h·n(u,v)，其中h为等距面的偏移量，正、负号取决于偏移方向是指向曲面外侧还是内侧。

根据喷涂机器人的工作要求，喷枪到喷涂工件表面的垂直距离设为参数OffsetDistance，记为H，喷枪的运行位姿参数可采用上面的算法获取。对点Q_i沿法矢量方向偏置距离H，就得到点Q_i的偏置点O_i，数学表达式如下：

点O_i包含坐标值和单位法矢量两种信息，即得到了喷枪在点O_i的运行位置(坐标值)和方向(与N_i方向相反)。用同样的方法遍历采样点集Q中所有的点就可以得到偏置点集O，整个点集O包含的信息就代表了喷枪在喷涂过程中的位姿参数。采用一定的插补方式将各点连接起来形成连续的路径，对路径进行优化后得喷涂轨迹，转换为特定型号喷涂机器人的运行程序，从而可以实现对工件表面的自动喷涂作业。

步骤2：利用ShopFloorEditor制定一组刷子表参数表格，针对不同的喷涂区域调用不同的刷子。通过设置涂料喷涂量Fluid、旋杯转速Atom来调节雾化颗粒大小、涂料的挥发量以及漆膜厚度；通过设置成型空气Shape、旋杯与工件的距离来调节涂料雾化幅度、喷涂的颜色效果；通过设置静电高压HV调节上漆率和喷涂直径；通过旋杯转速、静电高压和间距调节漆雾图形直径。其具体工艺参数说明及其设置如下：

1)涂料喷涂量

涂料喷涂量是指单位时间内传输到旋杯口的油漆量，又称出漆量。一般在100-600mL/min内设置。在其他参数不变的情况下，喷涂量越小，雾化颗粒越小，但挥发程度加快，导致桔皮，漆膜厚度偏低等问题；喷涂量越大，雾化效果不理想，且会使旋杯过载，导致流挂、气泡等问题。

2)旋杯转速

旋杯转速是油漆雾化的一个重要参数，一般设置在20000-60000r/min。在其他参数保持不变的情况下，旋杯转速越高，雾化颗粒的直径就越小，漆膜厚度就越大，雾化效果越好，漆膜就越平滑。如图3-a所示。

3)成型空气

成型空气的作用是将漆雾推向工件表面，以防漆雾反弹而影响污染物，一般在100-400NL/min范围内设置。成型空气的大小与漆膜厚度有着直接的关系，如图3-b所示，成型空气压力过低时，漆膜厚度较小，对喷幅影响小，但会污染旋杯。

4)静电高压

静电高压一般在60kv-90kv内设置，静电高压的变化直接影响着涂料的上漆率。静电电压越高，上漆率越高，拟合得到喷涂上漆率：

g(u)＝-888100u^-2.563+99.5 (2-1)

同时静电电压还和喷涂图形有着密切的关系，当参数保持一定的情况下，喷枪垂直于工件表面定点喷涂一段时间所形成的涂料空间分布为中空的环形，可以近似看成一个内直径为D₂和外直径为D₁的圆环，如图5-a所示。拟合得到外半径R₁(u)和内半径R₂(u)与静电电压u,旋杯口径比例系数k的关系式为：

涂料喷涂量、旋杯转速、成型空气、静电高压是喷涂机器人在喷涂中重要参数，本发明针对喷涂过程中遇到的不同区域，利用ShopFloorEditor生成一组刷子表，如图7所示，制订了一组针对三角形的变量喷涂刷子表bd1，表中有5个刷子：刷子1关闭了涂料流量，专门用于喷涂机器人行走在多边形的边缘部位，节省了漆料。刷子2，3，4，5等用于机器人行走到轨迹的不同程度时所调用。

步骤3，对多边形进行几何分析，将其切割成三角形与梯形的组合，通过若干个梯形变量喷涂条幅消化剩余三角形，生成多边形喷涂轨迹。具体方法如下：

如图8所示，非规则多边形ABCD，通过几何分析将其分成一个梯形ABKD和一个三角形△DKC。对于梯形部分可采用合适喷涂参数，取喷涂效果较好的一组刷子表参数，进行等距的定量喷涂。

对三角形部分，不宜采用定量喷涂方法，宜采用多个变量喷涂条幅来消化三角形区域。设三角形底边KC长为L_KC,并以这条边为基准，喷涂过程中的最大和最小喷涂直径为D_M和D_m，则所需的变量喷涂条幅数可为取整数个，即用这N(取整后)个变量喷涂条幅数来消化三角形部分。如图所示假设为4，则非规则多变形ABCD就分为了定量喷涂区：梯形ABTS和4个变量喷涂条幅。

步骤4：调用平面梯形工件变量喷涂包，对上述生成的轨迹进行变量喷涂。具体方法如下：

如图9所示，旋杯以箭头方向移动。假设AB、CD、GH分别为喷涂机器人实际喷涂过程中的最大喷涂图形直径D_M、最小喷涂图形直径D_m、机器人行走路径长度l，且均已知。机器人所行走了路径可以用旋杯速率乘以时间获得，即GI＝v*t。所以当TCP行走到位置I时，其所对应的喷涂直径可用如下公式求的：

根据所求的直径，当间距一定时，推导出静电高压与旋杯转速，使用上述所生成刷子表中的某个刷子进行喷涂。如图6所示的旋杯平移是生成的漆料分布图，采用上述方法生成的喷涂效果图是一个类似于梯形的形状。

本发明采用了变量梯形喷涂，可以明显节省涂料，优化喷涂效果，同时又不产生涂料浪费，保护了环境。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种平面多边形变量喷涂方法，其特征在于：通过实时计算喷涂直径来改变喷涂参数，具体步骤为：

步骤1，示教喷涂机器人的工具TCP，使得工具以合适的姿态示教多边形的每个顶点；

步骤2，利用ShopFloorEditor制定一组刷子表参数表格，针对不同的喷涂区域调用不同的刷子；

步骤3，对多边形进行几何分析，将其切割成三角形与梯形的组合，生成多边形喷涂轨迹；

步骤4，通过若干个梯形变量喷涂条幅消化剩余三角形；

步骤5，调用平面梯形条幅工件变量喷涂包，对上述生成的轨迹进行变量喷涂。

2.根据权利要求1所述的平面多边形变量喷涂方法，其特征在于：所述步骤1的TCP以合适的姿态示教顶点包括：首先确定喷枪轨迹数学模型，其次确定喷抢在笛卡尔坐标系中的位置和方向的三维矢量函数，最后获取喷枪的位姿。

3.根据权利要求2所述的平面多边形变量喷涂方法，其特征在于：喷枪轨迹数学模型为：

假设工件固定，设多边形表面可用函数z＝h(x,y)来表示，其中，映射h:D→R，定义域所以多边形表面的函数可以定义为：

S＝{(x,y,z)|z＝h(x,y),(x,y)∈D}

用笛卡尔坐标系XYZ表示位姿，设三维矢量函数P(t)和O(t)分别来表示喷枪在固定笛卡尔坐标系中的位置和方向，这两个矢量与时间t的关系可表示为：

P(t)＝[p_x(t),p_y(t),p_z(t)]

O(t)＝[o_x(t),o_y(t),o_z(t)]

其中，矢量p_x(t),p_y(t),p_z(t)表示时刻t时，喷枪的位置，矢量o_x(t),o_y(t),o_z(t)表示时刻t时，喷枪分别绕X、Y、Z坐标轴的旋转角度；定义一个矢量函数α(t)来总体代表喷枪的位姿，表示为：

α(t)＝[P(t),O(t)]^T。

4.根据权利要求1所述的平面多边形变量喷涂方法，其特征在于：所述步骤2的设置刷子表参数表格包括：

通过设置涂料喷涂量Fluid、旋杯转速Atom来调节雾化颗粒大小、涂料的挥发量以及

漆膜厚度；

通过设置成型空气Shape、旋杯与工件的距离来调节涂料雾化幅度、喷涂的颜色效果；

通过设置静电高压HV调节上漆率和喷涂直径；

通过旋杯转速、静电高压和间距调节漆雾图形直径。

5.根据权利要求1所述的平面多边形变量喷涂方法，其特征在于：所述步骤3-4主要包括：

将非规则多边形ABCD，通过几何分析将其分成一个梯形和一个三角形，对于梯形部分可采用合适喷涂参数，取喷涂效果较好的一组刷子表参数，进行等距的定量喷涂；

对三角形部分，采用多个变量喷涂条幅来消化三角形区域，设三角形底边KC长为L_KC,并以这条边为基准，喷涂过程中的最大和最小喷涂直径为D_M和D_m，则所需的变量喷涂条幅数可为取整数个，即用这N个变量喷涂条幅数来消化三角形部分。

6.根据权利要求1所述的平面多边形变量喷涂方法，其特征在于：所述步骤5主要包括：

设具有较好喷涂效果的最大喷涂图形直径为D_M，最小喷涂图形直径为D_m，在喷涂过程中根据D_M、D_m、旋杯移动速率和行走时间计算出此时所需要的喷涂图形直径D_x，再根据D_x选择具有合适的静电电压、旋杯转速、间距和移动速度等变量喷涂参数的喷涂刷子。