CN108499785B - 一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：选择喷涂区域，并对喷涂区域三角网格化，得到三角网格曲面；步骤S2：在三角网格曲面上选择第一条喷枪扫掠轨迹；步骤S3：根据喷枪扫掠轨迹计算喷枪运动轨迹，并对喷枪运动轨迹光顺处理；步骤S4：根据三角网格曲面、喷枪模型、喷涂参数和最小厚度约束计算下一条喷枪扫掠轨迹；步骤S5：判断是否是最后一条轨迹，如果不是，则重复步骤S3、S4，直到完成整个喷涂区域的轨迹规划；如果是，则执行步骤S6；步骤S6：输出满足最小厚度约束的喷枪运动轨迹。本发明能够解决外形复杂工件难以进行自动化喷涂的问题，可以提高喷涂质量。

Description

一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法
技术领域
本发明属于自动化喷涂应用技术领域，具体涉及一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法。
背景技术
自动化喷涂广泛应用于五金、塑胶、家私、军工、船舶等众多领域，是现今应用最普遍的一种涂装方式。喷涂作业的质量对最终产品的质量有着重要的影响。现有的喷涂作业方式有手工喷涂作业及工业自动化喷涂作业。现在众多中小型企业多采用传统的手工作业喷涂。传统的手工作业的喷涂存在一定的缺陷：喷涂质量不稳定、喷涂效率较低、对人身体危害较大。自动化喷涂技术将人从恶劣的喷涂环境中解放了出来，相比于传统人工喷涂，自动喷涂涂料利用率高，自动化程度高，喷涂效率高，具有较强柔性，适用于多品种、小批量喷涂任务。
目前，国内外针对复杂曲面的喷涂轨迹计算主要是在厚度控制和曲面划分的基础上展开的，如现有非专利文献《涂层厚度控制及机器人喷枪轨迹规划模拟》在数学模型中采用与真实喷涂情况类似的Gauss函数作为喷点函数，并以实际的喷涂厚度需要为约束条件进行轨迹的参数规划，以厚度方差数为均匀性的判定目标。该方法虽然实现了以厚度控制为目标的喷涂轨迹规划，但还是会出现局部喷涂厚度不均匀的情况，边界曲率变化较大处的毛刺现象依然存在。非专利文献《面向大曲率复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法研究》中提出了一种将复杂自由曲面划分为大曲率与小曲率的面片组合进行轨迹优化的方法，有利于复杂自由曲面上喷涂轨迹的生成和优化，但面向实际零部件的复杂曲率结构时，并不能达到很好的喷涂效果。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明利用最小喷涂厚度为约束提出一种针对复杂工件的喷涂轨迹规划方法，该方法首先根据喷枪结构和喷涂参数建立精确的喷涂模型，然后提出一种能够适用于外形复杂工件的自动化喷涂轨迹规划算法，利用该轨迹规划方法可以提高复杂工件的喷涂质量,解决复杂工件自动化喷涂质量不高的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提供了一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，包括以下步骤：
步骤S1：选择喷涂区域，并对喷涂区域三角网格化，得到三角网格曲面；
步骤S2：在三角网格曲面上选择第一条喷枪扫掠轨迹；
步骤S3：根据喷枪扫掠轨迹计算喷枪运动轨迹，并对喷枪运动轨迹光顺处理；
步骤S4：根据三角网格曲面、喷枪模型、喷涂参数和最小厚度约束计算下一条喷枪扫掠轨迹；
步骤S5：判断是否是最后一条轨迹，如果不是，则重复步骤S3、S4，直到完成整个喷涂区域的轨迹规划；如果是，则执行步骤S6；
步骤S6：输出满足最小厚度约束的喷枪运动轨迹。
优选地，所述步骤S1中，首先读入具有拓扑结构的参数曲面模型，用户交互式选择喷涂区域；然后对喷涂区域进行三角网格化处理，得到的每个三角网格节点包括顶点信息和顶点的法向量；最后为三角网格曲面引入半边数据结构，从而建立具有拓扑关系的三角网格曲面。
优选地，所述步骤S2中，在喷涂区域的三角网格曲面上生成第一条喷枪扫掠轨迹，记为种子曲线，种子曲线有两种选取方法：第一种为模型的一条边界曲线，第二种为通过平面与工件模型垂直切割得到的交线；后续喷枪扫掠轨迹将在该种子曲线基础上偏置得到。
优选地，所述步骤S3中，首先计算喷枪扫掠轨迹的每个轨迹点处的单位法向量，然后沿每个轨迹点的法向方向偏置，喷枪垂直方向与该法向一致，偏置距离等于喷枪高度，偏置后得到喷枪运动轨迹；采用三次B样条曲线拟合方法对喷枪运动轨迹进行光顺处理，得到光顺平滑的喷枪运动轨迹。
优选地，所述步骤S4中，采用喷涂累积速率模型计算在给定喷枪运动轨迹下，曲面上任一点处的喷涂厚度，根据当前喷枪扫掠轨迹,计算下一条喷枪扫掠轨迹的方法为：
首先，对于当前轨迹上的每个轨迹点，在每个轨迹点处建立横截面，其中以轨迹点处的切向量作为该横截面的法向，将横截面与三角网格曲面的交点集合记为截点集；
然后，计算该当前轨迹运行完后，截点集中每个截点的累计厚度；
最后，记最小厚度要求为dmin，在当前轨迹的偏置方向上，寻找累计厚度等于αdmin的截点，其中α为系数，取0.5≤α≤1,该截点记为下一条喷枪扫掠轨迹的轨迹点，遍历所有当前轨迹的轨迹点，得到下一条喷枪扫掠轨迹；同时，在计算下一条轨迹时，为防止工件形状改变引起的首尾无法喷涂到，通过将当前轨迹的首尾点向外延长，再进行偏置计算。
优选地，所述步骤S5中：
对于偏置方向，若选择的种子曲线为边界曲线，只需向工件所在的一个方向偏置；若选择的种子曲线为平面与工件模型垂直切割得到，首先向种子曲线的一侧偏置，到达最后一条轨迹后再从种子曲线出发向另一侧偏置；
判断最后一条轨迹的条件为得到的喷枪扫掠轨迹点个数为零；同时考虑到第一条和最后一条轨迹若无法保证工件边界的厚度满足最小厚度要求，则在执行完整个喷枪运动轨迹后对工件边界进行补喷。
优选地，所述步骤S6中，完成所有轨迹计算后，将计算的轨迹重新排序，从第一条开始，隔条选取，并包含最后一条，得到整个喷枪扫掠轨迹对应的喷枪运动轨迹作为复杂曲面的喷涂轨迹。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明适用于外形复杂工件的自动化喷涂轨迹规划，能够解决外形复杂工件难以进行自动化喷涂的问题，同时利用自动化喷涂代替传统手动喷涂，能够提高喷涂的效率和稳定性。
2、本发明提出的轨迹规划方法能够产生满足最小厚度要求的喷涂轨迹，以最小厚度为约束可以提高喷涂机器人对复杂工件的喷涂质量，解决复杂工件自动化喷涂质量不高的问题。
附图说明
图1是本发明的基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法的流程示意图；
图2是本发明三角网格曲面和种子曲线示意图；
图3是本发明喷枪扫掠轨迹与喷枪运动轨迹示意图；
图4是本发明喷枪扫掠轨迹迭代计算示意图。
附图标记说明：1-工件模型，2-选择喷涂区域的边界，3-三角网格曲面，4-种子曲线，5-喷枪模型，6-喷枪扫掠轨迹点，7-喷枪运动轨迹点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
作为本发明的一种较佳实施方式，如图1-4所示，本发明供了一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，包括以下步骤：
步骤S1：
选择喷涂区域，并对喷涂区域三角网格化，得到三角网格曲面。首先读入具有拓扑结构的参数曲面模型，图2中工件模型1为一个参数曲面模型。用户可交互式选择喷涂区域，图2中粗线2为选择的喷涂区域边界线；然后对喷涂区域进行三角网格化处理。三角网格曲面可采用三维网格化软件得到，图2的三角网格3由开源软件Gmsh得到，得到的每个三角网格节点包括顶点信息和顶点的法向量。最后本发明为三角网格曲面引入半边数据结构(Half Edge Data Structure)，从而建立有拓扑关系的三角网格曲面。
步骤S2：
在喷涂区域的三角网格曲面上选择第一条喷枪扫掠轨迹，记为种子曲线Ci(t)，其中i表示喷枪扫掠轨迹的序号，对于种子曲线，i＝0。Ci(t)由若干个离散轨迹点组成，参数t为时间。种子曲线可为模型的一条边界曲线(如图2所示的曲线4)，或为通过平面与工件模型垂直切割得到的交线。后续喷枪扫掠轨迹将在该种子曲线基础上得到。
步骤S3：
根据喷枪扫掠轨迹计算喷枪运动轨迹，并对喷枪轨迹光顺处理：假设第i条喷枪扫掠轨迹的每个轨迹点处的单位法向量也为时间t的函数，记为：Ni(t)。同时假设喷枪高度为h,且喷枪垂直于工件表面方向，即喷枪工具坐标系的Z轴方向与扫掠轨迹点的法矢方向重合。可以得到喷枪运动轨迹Pi(t)＝Ci(t)+h*Ni(t)。如图3所示，5为喷枪模型，6为喷枪扫掠轨迹点。喷枪模型的轴线与喷枪扫掠轨迹点的法向平行。根据以上公式可计算喷枪运动轨迹，图3中的7为喷枪运动轨迹点。
为了提高喷涂效率和质量，该步骤还将对喷枪运动轨迹进行光顺处理。光顺方法采用三次B样条曲线拟合方法，得到光顺平滑的喷枪运动轨迹Pi′(t)。
步骤S4：
根据三角网格曲面、喷枪模型、喷涂参数和最小厚度约束计算下一条喷枪扫掠轨迹。采用喷涂累积速率模型计算在给定喷枪运动轨迹下，曲面上任一点处的喷涂厚度。本发明的目的不在于提出新的具体的喷涂厚度累积速率模型，而是采用现有的模型，例如可以采用本申请人申请日为2018年3月30日、名为“一种针对自动化喷涂工艺的零件涂层厚度计算和仿真方法”的中国发明专利申请中的喷涂累积速率模型(其全文引用于此)。该示例不应理解为对本发明的限制，其他现有模型也能实现发明目的。假设喷涂需求中最小厚度要求为dmin,结合图4，计算下一条喷涂扫掠轨迹的方法为：
首先，将第i条喷枪扫掠轨迹Ci(t)上的离散轨迹点记为Ci,j,j＝1,…m,m为第i条喷枪扫掠轨迹Ci(t)上的离散轨迹点数目。图4的圆点为轨迹点。可计算每个Ci,j在三角网格曲面上的单位法向量Ni,j和单位切向量Ti,j，根据单位法向量Ni,j和单位切向量Ti,j可计算Ci,j的偏置方向Vi,j。
然后，在每个Ci,j点处，以Ti,j为法向量过Ci,j的横截面记为Πi,j，计算Πi,j与三角网格曲面的交线，将所有的交点称为截点集。每个截点记为Qk,k＝1,2,…n,n为截点的总个数。根据厚度累计速率模型，可计算在走过整条喷枪扫掠轨迹Ci(t)后，每个Qk点的累计厚度
Figure BDA0001617402490000051
对于k＝2,…n，在Ci,j的偏置方向Vi,j上寻找一点，若
Figure BDA0001617402490000052
Figure BDA0001617402490000053
则得到Ci,j所对应的第i+1条喷枪扫掠轨迹点Ci+1,j：
Figure BDA0001617402490000054
Figure BDA0001617402490000055
遍历j＝1,…m，则得到第i+1条喷枪扫掠轨迹点Ci+1(t)。其中0.5≤α≤1,建议取α＝0.6.
注意Ci+1(t)的离散轨迹点个数可能不等于m，为防止轨迹的首尾无法喷涂到，在计算下一条轨迹时，可以通过将首尾点向外延长，再进行偏置计算。
步骤S5：
判断是否是最后一条轨迹，如果不是，则令i＝i+1，重复步骤S3、S4，直到完成整个喷涂区域的轨迹规划；如果是，则执行步骤S6。
对于偏置方向，若选择的种子曲线为边界曲线，只需向工件所在的一个方向偏置。若选择的种子曲线为平面与工件模型垂直切割得到(工件内部的曲线)，首先向种子曲线的一侧偏置，到达最后一条轨迹后再从种子曲线出发向另一侧偏置，直到到达最后一条轨迹。偏置方向可以曲面法向和轨迹点的切向量的叉乘得到。
判断最后一条轨迹的条件为得到的喷枪扫掠轨迹点个数为零。同时考虑到第一条和最后一条轨迹可能无法保证工件边界的厚度满足最小厚度要求，可以在执行完整个喷枪运动轨迹后对工件边界进行补喷。
步骤S6：
输出满足最小厚度约束的喷枪运动轨迹。所述步骤S6中，完成所有轨迹计算后，将计算的轨迹重新排序，从第一条开始，隔条选取，并包含最后一条，得到整个喷枪扫掠轨迹对应的喷枪运动轨迹作为复杂曲面的喷涂轨迹。
记最后得到的喷枪运动轨迹为：Pi′(t),i＝0,1,…K。(K+1)为喷枪运动轨迹的总条数。那么满足厚度要求dmin的喷枪运动轨迹为:P′0(t),P′2(t),P′4(t)…P′K(t)(K为偶数)，或P′0(t),P′2(t),P′4(t)…P′K-1(t),P′K(t)(K为奇数)。
本发明利用最小喷涂厚度为约束提出一种针对复杂工件的喷涂轨迹规划方法，适用于外形复杂工件的自动化喷涂轨迹规划，能够解决外形复杂工件难以进行自动化喷涂的问题，同时利用自动化喷涂代替传统手动喷涂，能够提高喷涂的效率和稳定性。本发明提出的轨迹规划方法能够产生满足最小厚度要求的喷涂轨迹，以最小厚度为约束可以提高喷涂机器人对复杂工件的喷涂质量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：选择喷涂区域，并对喷涂区域三角网格化，得到三角网格曲面；
步骤S2：在三角网格曲面上选择第一条喷枪扫掠轨迹；
步骤S3：根据喷枪扫掠轨迹计算喷枪运动轨迹，并对喷枪运动轨迹光顺处理；
步骤S4：根据三角网格曲面、喷枪模型、喷涂参数和最小厚度约束计算下一条喷枪扫掠轨迹；
步骤S5：判断是否是最后一条轨迹，如果不是，则重复步骤S3、S4，直到完成整个喷涂区域的轨迹规划；如果是，则执行步骤S6；
步骤S6：输出满足最小厚度约束的喷枪运动轨迹；
所述步骤S4中，采用喷涂累积速率模型计算在给定喷枪运动轨迹下，曲面上任一点处的喷涂厚度，根据当前喷枪扫掠轨迹,计算下一条喷枪扫掠轨迹的方法为：
首先，对于当前轨迹上的每个轨迹点，在每个轨迹点处建立横截面，其中以轨迹点处的切向量作为该横截面的法向，将横截面与三角网格曲面的交点集合记为截点集；
然后，计算该当前轨迹运行完后，截点集中每个截点的累计厚度；
最后，记最小厚度要求为
Figure 905499DEST_PATH_IMAGE002
，在当前轨迹的偏置方向上，寻找累计厚度等于
Figure 792946DEST_PATH_IMAGE004
的截点，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为系数，取
Figure DEST_PATH_IMAGE007
,该截点记为下一条喷枪扫掠轨迹的轨迹点，遍历所有当前轨迹的轨迹点，得到下一条喷枪扫掠轨迹；同时，在计算下一条轨迹时，为防止工件形状改变引起的首尾无法喷涂到，通过将当前轨迹的首尾点向外延长，再进行偏置计算。
2.如权利要求1所述的基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于：所述步骤S1中，首先读入具有拓扑结构的参数曲面模型，用户交互式选择喷涂区域；然后对喷涂区域进行三角网格化处理，得到的每个三角网格节点包括顶点信息和顶点的法向量；最后为三角网格曲面引入半边数据结构，从而建立具有拓扑关系的三角网格曲面。
3.如权利要求2所述的基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于：所述步骤S2中，在喷涂区域的三角网格曲面上生成第一条喷枪扫掠轨迹，记为种子曲线，种子曲线有两种选取方法：第一种为模型的一条边界曲线，第二种为通过平面与工件模型垂直切割得到的交线；后续喷枪扫掠轨迹将在该种子曲线基础上偏置得到。
4.如权利要求3所述的基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于：所述步骤S3中，首先计算喷枪扫掠轨迹的每个轨迹点处的单位法向量，然后沿每个轨迹点的法向方向偏置，喷枪垂直方向与该法向一致，偏置距离等于喷枪高度，偏置后得到喷枪运动轨迹；采用三次B样条曲线拟合方法对喷枪运动轨迹进行光顺处理，得到光顺平滑的喷枪运动轨迹。
5.如权利要求4所述的基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于：所述步骤S5中：
对于偏置方向，若选择的种子曲线为边界曲线，只需向工件所在的一个方向偏置；若选择的种子曲线为平面与工件模型垂直切割得到，首先向种子曲线的一侧偏置，到达最后一条轨迹后再从种子曲线出发向另一侧偏置；
判断最后一条轨迹的条件为得到的喷枪扫掠轨迹点个数为零；同时考虑到第一条和最后一条轨迹若无法保证工件边界的厚度满足最小厚度要求，则在执行完整个喷枪运动轨迹后对工件边界进行补喷。
6.如权利要求5所述的基于最小厚度约束的复杂曲面喷涂轨迹计算方法，其特征在于：所述步骤S6中，完成所有轨迹计算后，将计算的轨迹重新排序，从第一条开始，隔条选取，并包含最后一条，得到整个喷枪扫掠轨迹对应的喷枪运动轨迹作为复杂曲面的喷涂轨迹。
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