CN108465583A

CN108465583A - 一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法及系统

Info

Publication number: CN108465583A
Application number: CN201810316359.8A
Authority: CN
Inventors: 陈盛花; 刘勇; 李佳良; 张见双
Original assignee: Guangzhou Start To Sail Industrial Robot Co
Current assignee: Zhongzheng Data Technology Co ltd
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: CN108465583B

Abstract

本发明公开了一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法及系统，其中，该方法包括以下步骤：S1、获取需要喷涂的曲面信息，根据曲面信息获取喷枪的涂层累积模型和多条梯度流线；S2、结合涂层累积模型和预设的优化目标获取喷枪优化参数；S3、结合梯度流线和喷枪优化参数获取喷枪的轨迹信息和每条梯度流线上的喷枪高度信息；S4、结合曲面信息、喷枪轨迹信息和喷枪高度信息获取喷枪的轨迹位姿参数，从而生成曲面喷涂轨迹。本发明根据不同的曲面自动的调节喷枪轨迹信息和高度信息，从而规划不同的喷涂轨迹，该方法能够适用于形状不规则的相对复杂的自由曲面，喷涂均匀且路径优化，提高了曲面喷涂效率和质量，可广泛应用于机器人技术领域。

Description

一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法及系统。

背景技术

传统的人工喷涂，需要工人在严峻、恶劣、有毒的环境中喷涂作业，并且喷涂出来的效果可能会出现喷涂不均匀、质量不达标的情况。喷涂机器人的出现，有效解决了该问题，机器人喷涂具有喷涂均匀、质量好、工作效率高等特点，最早的喷涂机器人主要应用在汽车、飞机、轮船等一些具有复杂曲面零件的喷涂作业中。喷涂机器人的轨迹规划是整个喷涂过程中的核心技术之一，要考虑喷涂过程的重叠区域、喷涂厚度、喷涂的均匀性、喷枪移动的速度、喷枪的姿态及偏差要求等。

目前曲面喷涂主要分两个大步骤，一是获取曲面的尺寸信息，根据得到不同的尺寸信息采用不用的规划方法，二是轨迹规划完成后对喷枪的姿态进行规划，其中包括喷枪高度信息、速度、单位时间的喷涂量、喷枪的方向等要求的设置。一般的喷涂机器人设定的喷涂宽度、喷枪高度信息和喷涂量固定不变的方式进行喷涂，喷涂的路径是等间距的，但对曲面宽度不均匀情况，就会出现过喷或欠喷产生的涂层厚度不均匀、增加喷枪的路径等现象。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种喷涂均匀、路径优化的曲面喷涂轨迹规划方法。

本发明的另一目的是提供一种喷涂均匀、路径优化的曲面喷涂轨迹规划系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，包括以下步骤：

S1、获取需要喷涂的曲面信息，根据曲面信息获取喷枪的涂层累积模型和多条梯度流线；

S2、结合涂层累积模型和预设的优化目标获取喷枪优化参数；

S3、结合梯度流线和喷枪优化参数获取喷枪轨迹信息和每条梯度流线上的喷枪高度信息；

S4、结合曲面信息、喷枪轨迹信息和喷枪高度信息获取喷枪的轨迹位姿参数，从而生成曲面喷涂轨迹。

进一步，所述步骤S1中具体通过以下步骤获取多条梯度流线：

S11、根据曲面信息将曲面参数化到平面后，根据预设步骤在平面上获取多条等梯度参数线；

S12、将所有的等梯度参数线映射至曲面后，获得与等梯度参数线条数相对应的梯度流线。

进一步，所述步骤S11，具体包括以下步骤：

根据曲面信息将曲面的边界分成四段边界，并将四段边界中的第一边界作为参考边界后，将第一边界参数化到预设的单位正方形的一边上；

将剩余三边界依次参数化到正方形的其余三边后，将曲面参数化到单位正方形域内；

以第一边界所在的边作为坐标系的X轴，在第一边界内平均获取m点，根据m点获取m条等梯度参数线；

所述等梯度参数线平行于坐标系的Y轴，且相交于正方形的两条对边；

所述m代表等梯度参数线的条数，且m＞1。

进一步，所述曲面内设有三角网格，所述步骤S1还包括以下步骤：

将曲面的三角网格参数化到单位正方形域内后，根据等梯度参数线与参数化后的三角网格的交点获取平面点序列；

将平面点序列映射至曲面后，获得与平面点序列相对应的曲面点序列。

进一步，所述步骤S2中的喷枪优化参数包括喷枪的最大喷涂宽度，以及喷枪高度与喷枪流量的关系，所述优化目标为理想涂层与实际涂层的最小方差及最短喷涂时间。

进一步，所述步骤S2，具体包括以下步骤：

结合涂层累积模型和预设的优化目标获取最优的涂层重叠比；

根据最优的涂层重叠比获取喷枪的最大喷涂宽度。

进一步，所述步骤S3，具体包括以下步骤：

从多条梯度流线中获取弦长最长的梯度流线，结合弦长最长的梯度流线和最大喷涂宽度获取喷枪轨迹次数信息；

根据轨迹次数信息获取每条梯度流线的喷涂宽度，并根据喷涂宽度获取喷枪高度信息。

进一步，所述喷枪的轨迹位姿参数包括喷枪的坐标信息、喷枪的方向信息、喷枪的移动速率和喷枪的流量信息，所述步骤S4，具体包括以下步骤：

结合曲面信息、喷枪轨迹信息和所有的梯度流线的喷枪高度信息，获取喷枪在梯度流线上的坐标信息和喷枪的流量信息；

结合B样条曲面、曲线拟合和喷枪在梯度流线上的坐标信息获取喷枪的喷涂轨迹和喷枪在轨迹上的方向向量；

根据喷枪的喷涂轨迹的曲率获取喷枪的移动速率；

结合坐标信息、喷枪的方向信息、喷枪的移动速率和喷枪的流量信息生成曲面喷涂轨迹。

进一步，所述第一边界为曲面边界的四边界中弦长最长的边界。

进一步，所述将剩余三边界依次参数化到正方形的其余三边后，将曲面参数化到单位正方形域内的步骤，具体为：

按照逆时针方向将剩余三边界依次参数化到正方形的其余三边后，将曲面参数化到单位正方形域内。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成系统，应用上述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法。

本发明的有益效果是：一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，包括以下步骤：获取需要喷涂的曲面信息，根据曲面信息获取喷枪的涂层累积模型和多条梯度流线；结合涂层累积模型和预设的优化目标获取喷枪优化参数；结合梯度流线和喷枪优化参数获取喷枪的轨迹信息和每条梯度流线上的喷枪高度信息；结合曲面信息、喷枪轨迹信息和喷枪高度信息获取喷枪的轨迹位姿参数，从而生成曲面喷涂轨迹。本发明方法根据不同的曲面自动的调节喷枪轨迹信息和高度信息，从而规划不同的喷涂轨迹，该方法能够适用于形状不规则的相对复杂的自由曲面，喷涂均匀且路径优化，提高了曲面喷涂效率和质量。

本发明的另一有益效果是：本发明系统根据不同的曲面自动的调节喷枪轨迹信息和高度信息，从而规划不同的喷涂轨迹，该系统能够适用于形状不规则的相对复杂的自由曲面，喷涂均匀且路径优化，提高了曲面喷涂效率和质量。

附图说明

图1是本发明一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法的步骤流程图；

图2是喷枪涂层累积速率模型示意图；

图3是喷涂轨迹涂层厚度示意图；

图4是自由曲面喷涂示意图；

图5自由曲面喷枪轨迹规划示意图；

图6内设有三角网格的自由曲面示意图；

图7内设有三角网格的自由曲面轨迹规划示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，包括以下步骤：

A1、获取需要喷涂的曲面信息，根据曲面信息获取喷枪的涂层累积模型和多条梯度流线。所述曲面内设有三角网格。曲面内设有三角网格可提高轨迹规划的精度。

其中，A1中根据曲面信息获取多条梯度流线的步骤，具体包括A11～A12：

A11、根据曲面信息将曲面参数化到平面后，根据预设步骤在平面上获取多条等梯度参数线。

其中步骤A11包括步骤B1～B4：

B1、根据曲面信息将曲面的边界分成四段边界，并将四段边界中的第一边界作为参考边界后，将第一边界参数化到预设的单位正方形的一边上。所述第一边界为曲面边界的四边界中弦长最长的边界。

B2、将剩余三边界依次参数化到正方形的其余三边后，将曲面参数化到单位正方形域内，以及将曲面的三角网格参数化到单位正方形域内。

其中，将将剩余三边界依次参数化到正方形的其余三边后，将曲面参数化到单位正方形域内的步骤，具体为：按照逆时针方向将剩余三边界依次参数化到正方形的其余三边后，将曲面参数化到单位正方形域内，并进行单位化。

B3、以第一边界所在的边作为坐标系的X轴，在第一边界内平均获取m点，根据m点获取m条等梯度参数线。所述等梯度参数线平行于坐标系的Y轴，且相交于正方形的两条对边；所述m代表等梯度参数线的条数，且m＞1。

B4、根据等梯度参数线与参数化后的三角网格的交点获取平面点序列。

A12、将所有的等梯度参数线和平面点序列映射至曲面后，获得与等梯度参数线条数相对应的梯度流线，以及与平面点序列相对应的曲面点序列。

参照图6，为一自由曲面，因为不同的曲面，所采用的喷枪的类型，以及喷枪喷涂的速度和高度等信息都是不一样的，因此，针对不同的曲面，需要获取不同喷枪的涂层累积模型，选取涂层累积模型并不是本方案的技术重点，所以在此不重点论述。

以下对获取多条梯度流线的步骤进行详细说明。

在获取到曲面信息后，分析曲面信息，获取曲面的边界，并从边界中获取一边作为参考边，在本实施例中，获取弦长最长的一边作为参考边。将参考边参数化到预设的平面单位正方形的一边上，并以该正方形一边为X轴建立坐标系。依次将曲面的剩余的三边进行参数化成正方形的其余三边上，并进行单位化。将参数化后边界上点的坐标作为已知条件，将曲面内的三角网格参数化到单位正方形域内，从而实现曲面参数化至平面。将曲面参数化平面后，从X轴上的参考边平均获取m点，并根据m点获取m条等梯度参数线，等梯度参数线平行于坐标系的Y轴，且相交于正方形的两条对边。记录等梯度参数线与正方形内的三角网格相交的点，所述平面中相交的点称为平面点序列。将等梯度参数线映射至曲面上，获得m条梯度流线；将平面点序列映射至曲面上，获得曲面点序列。

A2、结合涂层累积模型和预设的优化目标获取喷枪优化参数。所述步骤A2中的喷枪优化参数包括喷枪的最大喷涂宽度，以及喷枪高度与喷枪流量的关系，所述优化目标为理想涂层与实际涂层的最小方差及最短喷涂时间。

其中，步骤A2具体包括步骤A21～A22：

A21、结合涂层累积模型和预设的优化目标获取最优的涂层重叠比。

A22、根据最优的涂层重叠比获取喷枪的最大喷涂宽度。

所述喷枪优化参数包括喷枪的最大喷涂宽度、喷涂宽度与喷枪高度关系、喷枪的流量与涂层累积速率关系、曲面上点的涂层累积率等。在实际喷涂中，因为喷嘴喷射出来的形状如同圆锥形状，如图2所示，如果需要全面的喷涂，肯定存在有些地方是重叠喷涂的，所述涂层重叠比用于描述重叠喷涂的程度，如果重叠的地方多，则重叠比高。本发明中需要喷涂所有曲面，同时又需降低重叠比，理论上理想厚度与实际涂层厚度之间的方差最小就可得到最小的重叠比，也即最优重叠比。在一个曲面上，喷涂路径最短则喷涂的时间最短，而喷涂的宽度越宽，喷涂的覆盖面积越大，则来回喷涂的轨迹就越短，如图5所示，为喷枪在曲面上来回喷涂的轨迹。根据理想厚度与实际涂层厚度之间的最小方差，可以求解出最优的重叠比，根据最优的重叠比可解算出最大喷涂宽度。

A3、结合梯度流线和喷枪优化参数获取喷枪轨迹信息和每条梯度流线上的喷枪高度信息。

其中，步骤A3包括A31～A32：

A31、从多条梯度流线中获取弦长最长的梯度流线，结合弦长最长的梯度流线和最大喷涂宽度获取喷枪轨迹次数信息。

A32、根据轨迹次数信息获取每条梯度流线的喷涂宽度，并根据喷涂宽度计算喷枪高度信息。

对曲面上的m条梯度流线从左至右进行编号为，根每条梯度流线上的点序列求出每条梯度流线的长度，即L₁,L₂...L_m，并找出长度最大的一条梯度流线，长为L。结合最大喷涂宽度w，计算出喷枪喷涂的来回次数n＝L/w，即喷枪轨迹信息。得到喷枪喷涂的来回次数后，将每条梯度流线进行n等分，求出每条梯度流线上每段的弦长L_pk＝L_k/n(k＝1...n)，从而确定每条梯度流线的喷涂宽度，因为喷枪方向始终垂直曲面，而喷涂宽度与喷枪高度具有线性关系，所以根据喷涂宽度可以计算出喷枪高度。

A4、结合曲面信息、喷枪轨迹信息和喷枪高度信息获取喷枪的轨迹位姿参数，从而生成曲面喷涂轨迹。所述喷枪的轨迹位姿参数包括喷枪的坐标信息、喷枪的方向信息、喷枪的移动速率和喷枪的流量信息。

其中，步骤A4包括A41～A44：

A41、结合曲面信息、喷枪轨迹信息和所有的梯度流线的喷枪高度信息，获取喷枪在梯度流线上的坐标信息和喷枪的流量信息。

A42、结合B样条曲面、曲线拟合和喷枪在梯度流线上的坐标信息获取喷枪的喷涂轨迹和喷枪在轨迹上的方向向量。

A43、根据喷枪的喷涂轨迹的曲率获取喷枪的移动速率。

A44、结合坐标信息、喷枪的方向信息、喷枪的移动速率和喷枪的流量信息生成曲面喷涂轨迹。

在获取到喷枪在曲面上来回的轨迹次数后，根据梯度流线与曲面内的三角网格的交点，可以得到喷枪的坐标信息(x,y,z)，其中，z为喷枪高度。参照图7，此时的路径轨迹还是离散的坐标，通过B样条曲面和曲线拟合，得到喷枪连续的轨迹。根据喷枪连续的轨迹的曲率可以计算出喷枪的移动速率v，由于喷枪的流量信息与喷枪高度信息具有一定的线性关系，所以根据喷枪高度信息可获得喷枪的流量信息Q。因为喷枪的方向始终垂直于曲面，所以根据曲面信息可以获得喷枪的方向向量(o_x,o_y,o_z)。结合上述所有的参数，生成曲面喷涂轨迹(x,y,z,o_x,o_y,o_z,v,Q)，参照图5，为一个曲面喷涂轨迹，其中路径轨迹是连续的。

以下结合图2至图4，对上述方法中获取涂层重叠比进行解释说明。

(1)喷枪的流量与涂层累积速率关系

喷枪的流量Q与空气压力P成正相关关系，即Q＝f(P)，通过控制喷枪的压力改变喷涂量。参照图2，一般喷枪的喷涂形状为圆锥体，喷枪的张角是固定的，在图2中∠φ为喷枪张角的1/2，即R＝tanφ×h，其中，h为喷枪至平面的中轴高度，R为在平面的喷涂覆盖的范围，可得到公式f(r)＝A(R²-r²)，该公式中r为自变量，代表距离中轴h的距离，A是与喷枪的流量正相关的常数，在不同的r的距离得到涂层的累积是不同的，r越接近R，涂层的累积越少。

(2)自由曲面上点的涂层累积率

参照图4，自由曲面1上一待喷涂点S，P₁为参考平面，P₂为过点S且平行于平面P₁的平面，θ_i为喷枪2的中轴线与喷枪2到点S连线的夹角，h为喷枪2到参考平面P₁的距离，h_i为喷枪2到参考平面P₂的距离，将S点在平面P₁、P₂上的投影为c₁、c₂，在P₁、P₂平面上的大圆为喷枪2喷射的区域范围。设c₁上涂层的厚度为q₁，则c₂上的涂层厚度为q₂，可以根据c₁与c₂的面积之比确定q₁、q₂关系，即设圆形面c₃在S点处与喷枪2喷射方向垂直，与面c₂所成夹角为θ_i，设过S点切线的圆形面c₄，c₃、c₄面的法向量的夹角为γ_i，则可得出c₃，c₄面上的涂层厚度关系为：

其中，q₃为圆形面c₃的涂层厚度，q_s为曲面上的涂层厚度。设喷枪到曲面上点S的距离为l_i，则h_i＝l_icosθ_i，当γ_i≥90°时，涂料无法喷涂上，则自由曲面1上点的涂层厚度表达式为：

(3)平面上涂层累积速率

如公式(3)所示，曲面上点涂层累积速率可以用参考平面上点的涂层累积速率表示。图4中曲面上S点映射到平面P1上为S'点，S'到喷涂中轴距离为x，其涂层模型如图3所示，其涂层厚度如公式(4)：

S'点的涂层厚度，其计算公式为：

其中，R平面的喷涂覆盖的范围，d为重叠的覆盖范围，t₁，t₂，r₁，r₂分别为：

其中，t₁和t₂为两条相邻喷涂路径上喷枪在S'点喷涂时间的1/2，r₁和r₂是在平面上S'到喷涂中心点的直线距离，t为喷枪经过S点的时间，v为喷枪经过S点的速度。

将(7)(8)带入公式(5)和(6)，可得：

如公式(9)，(10)，因为A与喷枪的喷涂量正相关，而v与曲面的曲率相关，故曲面上涂层的厚度与喷枪的喷涂量、喷枪高度和重叠区域的关系式可以根据公式(9)、(10)调节。

(4)以理想涂层与实际涂层最小方差和最短时间为优化目标

设曲面的理想涂层为q_d，将曲面上的喷涂路径根据拐角分割成p段，每段上的速度为恒定的，第k段的长度为d_k，速度为v_k，对每段再进行均匀分割成m段，假设喷枪在每段喷涂时间相等，对公式(3)求导，即

为了即确保方差最小，将公式(9),(10)带入公式(11)，采用极大值极小值法求解，解出曲面的最优重叠比。获得最优重叠比后，可以计算得最大喷涂宽度。

上述发明方法通过将曲面参数化的方式确定喷枪的轨迹数量的高度参数实现轨迹路径优化，能够对不规则形状的曲面实现轨迹规划，并能确保喷涂的质量，提高曲面喷涂的工作效率。

实施例二

一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成系统，包括：

存储器，用于存放程序；

处理器，用于执行所述程序以用于执行以下步骤：

S3、结合梯度流线和喷枪优化参数获取喷枪的轨迹信息和每条梯度流线上的喷枪高度信息；

上述发明系统根据不同的曲面自动的调节喷枪轨迹信息和高度信息，从而规划不同的喷涂轨迹，该系统能够适用于形状不规则的相对复杂的自由曲面，喷涂均匀且路径优化，提高了曲面喷涂效率和质量。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤S1中具体通过以下步骤获取多条梯度流线：

3.根据权利要求2所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤S11，具体包括以下步骤：

所述m代表等梯度参数线的条数，且m＞1。

4.根据权利要求3所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述曲面内设有三角网格，所述步骤S1还包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤S2中的喷枪优化参数包括喷枪的最大喷涂宽度，以及喷枪高度与喷枪流量的关系，所述优化目标为理想涂层与实际涂层的最小方差及最短喷涂时间。

6.根据权利要求5所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括以下步骤：

根据最优的涂层重叠比获取喷枪的最大喷涂宽度。

7.根据权利要求6所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤S3，具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述喷枪的轨迹位姿参数包括喷枪的坐标信息、喷枪的方向信息、喷枪的移动速率和喷枪的流量信息，所述步骤S4，具体包括以下步骤：

根据喷枪的喷涂轨迹的曲率获取喷枪的移动速率；

9.根据权利要求3所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法，其特征在于，所述第一边界为曲面边界的四边界中弦长最长的边界。

10.一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成系统，其特征在于，应用权利要求1-9任一项所述的一种基于曲面参数化的曲面喷涂轨迹生成方法。