CN108763738B - 一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法。本发明方法，包括：S1、建立待喷涂轨道车辆车体的车体模型和涂层厚度累计数学模型；S2、识别待喷涂车体的缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，得到若干切片平面；S3、将所得的切片平面分别与轨道车体模型相交，从而得到由多条线段连成的缺陷轮廓线，对每层切片轮廓线进行路径规划；S4、连接每层切片路径，形成三维路径，从而完成对缺陷位置的路径规划，继而对轨道车辆外表面整体进行路径规划。本发明能有效完成对轨道车辆车体的喷涂路径进行离线规划，显著提高喷涂效率和喷涂质量。自动化喷涂节省人力，同时对缺陷的精准预算，减少了腻子涂料在人工刮涂施工时的原料浪费。

Description

一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法

技术领域

本发明涉及腻子自动化喷涂领域，尤其涉及一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法。

背景技术

动车铝合金/碳钢材质车体现有的涂装体系为环氧底漆+不饱和聚酯腻子+聚氨酯中涂漆+聚氨酯面漆，其中腻子涂层是解决轨道车辆焊接打磨后车体的不平度，保证车辆整体外皮涂装外观效果必不可少的一道涂层。

现有的腻子喷涂作业大多采用人工刮涂的方法，施工工艺周期较长，腻子施工自动化程度较低，人工的劳动量很大，同时腻子涂料在人工刮涂施工时原材料浪费很多。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种有效离线规划腻子喷涂路径，提升喷涂效率的轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法。本发明采用的技术手段如下：

一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法，包括如下步骤：

S1、建立待喷涂轨道车辆车体的车体模型和涂层厚度累计数学模型；

S2、识别待喷涂车体的缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，得到若干切片平面；

S3、将所得的切片平面分别与轨道车体模型相交，从而得到由多条线段连成的缺陷轮廓线，对每层切片轮廓线进行路径规划；

S4、连接每层切片路径，形成三维路径，从而完成对缺陷位置的路径规划，继而对轨道车辆外表面整体进行路径规划。

进一步地，所述S1包括如下步骤：

S101、以待喷涂轨道车体表面任一点作为坐标原点，以地轴为X轴，竖轴为Y轴，喷涂方向为Z轴建立空间直角坐标系O-XYZ；

S102、建立涂层厚度累积数学模型，导入待喷涂轨道车辆车体的三维STL模型，导入时判断该模型是二进制还是ASCII代码，并显示该模型。

进一步地，所述S2具体为：识别出每一个待喷涂缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，预设的切片厚度为δ，以待喷涂表面最低处，并平行于xoy平面为基准，初始切片平面z₀，沿z轴负方向依次偏移距离δ，依次形成切片平面z_i；

具体包括如下步骤：

S201、以轨道车体待喷涂表面最高处偏移距离h位置，并平行于XOY平面形成的水平面z_safe为基准，建立机器人喷涂三维笛卡尔直角坐标系o-xyz，

S202、根据缺陷位置最低处z轴坐标，建立平行于xoy平面新建平面z₀；

S203、计算缺陷位置最低处z轴坐标z_min和预设的车体缺陷喷涂完成后z轴坐标z_max，得到待喷涂位置总厚度d＝z_max-z_min；

S204、计算切片层数n，

若满足不等式m*δ≤d<(m+1/2)*δ，则n＝m；

若满足不等式(m+1/2)*δ≤d<m*δ，则n＝m+1，m为预设的判断标准参数；

S205、依次生成切片平面z_i，其中i＝0,1,2,…,n。

进一步地，所述S3包括如下步骤：

S301、获得所述三维STL模型与切片平面z_i的交点，即为该模型中三角形面片与该平面的交点；

S302、保留三角面片内的相交直线，读取各个交点值，将所得到的交线首尾相连，生成截面轮廓，将连续多边形进行贝塞尔曲线连接，形成光滑曲线轮廓，其中，对同一个切片内缺陷边缘采用二次贝塞尔曲线插补，保证喷涂作业中喷头匀速运动并在不能匀速时加速度恒定；

S303、得到缺陷边缘后，通过向心收缩变距离偏移算法在边缘内进行路径规划，从而得到各切片平面的规划路径。

进一步地，所述向心收缩变距离偏移算法主要包括如下步骤：

Ⅰ、取切片z₀第一层开始路径规划，计算出曲率变化最大的点Q₀，对点Q₀沿法向量

方向偏移距离d，作为路径规划的起点S₀，逆时针方向沿着缺陷边缘做螺旋状偏移，终点D₀在本层切片的内部；

Ⅱ、在切片z₀上的点D₀位置，按照原路径方向向前平移距离d得到点

向切片z₁做投影，得到切片z₁上的路径规划起点S₁；

Ⅲ、切片z₀上的点D₀和切片z₁上的路径规划起点S₁之间的路径用抛物线拟合，保证起点与终点平滑连接；

Ⅳ、由步骤Ⅲ得到z₁平面上的路径规划起点S₁，以S₁为路径偏移路径起点，进行与上一层z₀层相反的螺旋方向的z₁切片层上的路径规划，终点D₀在本层切片的边缘；

Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，直到得到z_n平面上所有路径。

进一步地，所述S4之后还有步骤S5，具体为，

S5、根据喷涂机器人拓扑结构和尺寸，执行后置处理，保证所有路径可达，输出三维路径，生成喷涂路径机器人代码。

本发明能有效完成对轨道车辆车体的喷涂路径进行离线规划，具有交互式、可视化，可与喷涂工艺完美集成，显著提高喷涂效率和喷涂质量。自动化喷涂节省人力，同时对缺陷的精准预算，减少了腻子涂料在人工刮涂施工时的原料浪费，基于上述理由本发明可在腻子自动化喷涂领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明路径规划方法流程示意图。

图2为本发明缺陷位置路径示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法，包括如下步骤：

S1、建立待喷涂轨道车辆车体的车体模型和涂层厚度累计数学模型；

S2、识别待喷涂车体的缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，得到若干切片平面；

S3、将所得的切片平面分别与轨道车体模型相交，从而得到由多条线段连成的缺陷轮廓线，如图2所示，对每层切片轮廓线进行路径规划；

S4、连接每层切片路径，形成三维路径，从而完成对缺陷位置的路径规划，继而对轨道车辆外表面整体进行路径规划。

具体地，所述S1包括如下步骤：

S101、以待喷涂轨道车体表面任一点作为坐标原点，以地轴为X轴，竖轴为Y轴，喷涂方向为Z轴建立空间直角坐标系O-XYZ；

S102、建立涂层厚度累积数学模型，导入待喷涂轨道车辆车体的三维STL模型，导入时判断该模型是二进制还是ASCII代码，并显示该模型。

其中，涂层累积速率模型采用双变量高斯分布模型N(μ₁,μ₂,σ₁,σ₂,ρ)：

其中ρ为相关系数，速率模型由喷枪口径决定，这里ρ＝0，得到简化的双变量高斯分布模型N(μ₁,μ₂,σ₁,σ₂)：

所述S2具体为：识别出每一个待喷涂缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，预设的切片厚度为δ，以待喷涂表面最低处，并平行于xoy平面为基准，初始切片平面z₀，沿z轴负方向依次偏移距离δ，依次形成切片平面z_i；

具体包括如下步骤：

S201、以轨道车体待喷涂表面最高处偏移距离h位置，并平行于XOY平面形成的水平面z_safe为基准，建立机器人喷涂三维笛卡尔直角坐标系o-xyz，

S202、根据缺陷位置最低处z轴坐标，建立平行于xoy平面新建平面z₀；

S203、计算缺陷位置最低处z轴坐标z_min和预设的车体缺陷喷涂完成后z轴坐标z_max，得到待喷涂位置总厚度d＝z_max-z_min；

S204、计算切片层数n，

若满足不等式m*δ≤d<(m+1/2)*δ，则n＝m；

若满足不等式(m+1/2)*δ≤d<m*δ，则n＝m+1，m为预设的判断标准参数；

S205、依次生成切片平面z_i，其中i＝0,1,2,…,n。

所述S3包括如下步骤：

S301、获得所述三维STL模型与切片平面z_i的交点，即为该模型中三角形面片与该平面的交点；

S302、保留三角面片内的相交直线，读取各个交点值，将所得到的交线首尾相连，生成截面轮廓，将连续多边形进行贝塞尔曲线连接，形成光滑曲线轮廓，其中，对同一个切片内缺陷边缘采用二次贝塞尔曲线插补，保证喷涂作业中喷头匀速运动并在不能匀速时加速度恒定；

S303、得到缺陷边缘后，通过向心收缩变距离偏移算法在边缘内进行路径规划，从而得到各切片平面的规划路径。

所述向心收缩变距离偏移算法主要包括如下步骤：

Ⅰ、取切片z₀第一层开始路径规划，计算出曲率变化最大的点Q₀，对点Q₀沿法向量

方向偏移距离d，作为路径规划的起点S₀，逆时针方向沿着缺陷边缘做螺旋状偏移，终点D₀在本层切片的内部；

Ⅱ、在切片z₀上的点D₀位置，按照原路径方向向前平移距离d得到点

向切片z₁做投影，得到切片z₁上的路径规划起点S₁；

Ⅲ、切片z₀上的点D₀和切片z₁上的路径规划起点S₁之间的路径用抛物线拟合，保证起点与终点平滑连接；

Ⅳ、由步骤Ⅲ得到z₁平面上的路径规划起点S₁，以S₁为路径偏移路径起点，进行与上一层z₀层相反的螺旋方向的z₁切片层上的路径规划，终点D₀在本层切片的边缘；

Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，直到得到z_n平面上所有路径。

根据S303得到的三维路径进行优化，保证喷涂作业中的速度恒定；

缺陷位置路径规划完毕后，对轨道车辆外表面整体进行路径规划，保证整车都有喷涂路径；

所述S4之后还有步骤S5，具体为，

S5、根据喷涂机器人拓扑结构和尺寸，执行后置处理，保证所有路径可达，输出三维路径，生成喷涂路径机器人代码。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立待喷涂轨道车辆车体的车体模型和涂层厚度累计数学模型；

S2、识别待喷涂车体的缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，得到若干切片平面；

S3、将所得的切片平面分别与轨道车体模型相交，从而得到由多条线段连成的缺陷轮廓线，对每层切片轮廓线进行路径规划；

S4、连接每层切片路径，形成三维路径，从而完成对缺陷位置的路径规划，继而对轨道车辆外表面整体进行路径规划；

所述S1包括如下步骤：

S101、以待喷涂轨道车体表面任一点作为坐标原点，以地轴为X轴，竖轴为Y轴，喷涂方向为Z轴建立空间直角坐标系O-XYZ；

S102、建立涂层厚度累积数学模型，导入待喷涂轨道车辆车体的三维STL模型，导入时判断该模型是二进制还是ASCII代码，并显示该模型；

所述S2具体为：识别出每一个待喷涂缺陷位置，对缺陷分别进行切片处理，预设的切片厚度为δ，以待喷涂表面最低处，并平行于xoy平面为基准，初始切片平面z₀，沿z轴负方向依次偏移距离δ，依次形成切片平面z_i；

具体包括如下步骤：

S201、以轨道车体待喷涂表面最高处偏移距离h位置，并平行于XOY平面形成的水平面z_safe为基准，建立机器人喷涂三维笛卡尔直角坐标系o-xyz，

S202、根据缺陷位置最低处z轴坐标，建立平行于xoy平面新建平面z₀；

S203、计算缺陷位置最低处z轴坐标z_min和预设的车体缺陷喷涂完成后z轴坐标z_max，得到待喷涂位置总厚度d＝z_max-z_min；

S204、计算切片层数n，

若满足不等式m*δ≤d<(m+1/2)*δ，则n＝m；

若满足不等式(m+1/2)*δ≤d<m*δ，则n＝m+1，m为预设的判断标准参数；

S205、依次生成切片平面z_i，其中i＝0,1,2,…,n；

所述S3包括如下步骤：

S301、获得所述三维STL模型与切片平面z_i的交点，即为该模型中三角形面片与该平面的交点；

S302、保留三角面片内的相交直线，读取各个交点值，将所得到的交线首尾相连，生成截面轮廓，将连续多边形进行贝塞尔曲线连接，形成光滑曲线轮廓，其中，对同一个切片内缺陷边缘采用二次贝塞尔曲线插补，保证喷涂作业中喷头匀速运动并在不能匀速时加速度恒定；

S303、得到缺陷边缘后，通过向心收缩变距离偏移算法在边缘内进行路径规划，从而得到各切片平面的规划路径。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法，所述向心收缩变距离偏移算法主要包括如下步骤：

Ⅰ、取切片z₀第一层开始路径规划，计算出曲率变化最大的点Q₀，对点Q₀沿法向量

方向偏移距离d，作为路径规划的起点S₀，逆时针方向沿着缺陷边缘做螺旋状偏移，终点D₀在本层切片的内部；

Ⅱ、在切片z₀上的点D₀位置，按照原路径方向向前平移距离d得到点

向切片z₁做投影，得到切片z₁上的路径规划起点S₁；

Ⅲ、切片z₀上的点D₀和切片z₁上的路径规划起点S₁之间的路径用抛物线拟合，保证起点与终点平滑连接；

Ⅳ、由步骤Ⅲ得到z₁平面上的路径规划起点S₁，以S₁为路径偏移路径起点，进行与上一层z₀层相反的螺旋方向的z₁切片层上的路径规划，终点D₀在本层切片的边缘；

Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，直到得到z_n平面上所有路径。

3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆车体腻子自动化离线喷涂连续路径规划方法，所述S4之后还有步骤S5，具体为，

S5、根据喷涂机器人拓扑结构和尺寸，执行后置处理，保证所有路径可达，输出三维路径，生成喷涂路径机器人代码。

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