CN110976154A - 一种用于三面相交工件的喷涂机器人轨迹组合规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三面相交工件的喷涂机器人路径规划方法，其具体步骤如下：(1)建立坐标系并导入喷涂机器人模型和直三角面工件模型；(2)在三平面上生成喷涂路径；(3)随机生成取样点，建立涂膜厚度均匀度评价函数。本发明实现了三面相交工件的机器人喷涂自动路径规划方法，保证涂膜厚度的均匀性，该方法简单易行，可对构件快速进行规划，效率高，得到的涂膜质量好。

Description

一种用于三面相交工件的喷涂机器人轨迹组合规划方法

技术领域

本发明涉及一种喷涂机器人喷涂作业领域，具体涉及到一种三面相交工件的喷涂机器人轨迹组合规划方法。

背景技术

喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其它材料的工业机器人，被广泛运用于汽车、电器等产品的涂装生产线，其喷涂效果对产品质量有相当大的影响。

喷涂机器人是一种较为重要的先进涂装生产加工设备，其优点表现在以下几个方面：(1)柔性大，工作范围大；(2)提高喷涂质量、喷涂效率和材料使用率；(3)易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间；(4)设备利用率高，喷涂机器人的利用率可达90％-95％。由于具备可编能力可对不同构件进行喷涂，喷涂机器人已经被应用于各种场合。

在实际的生产中，不同的喷涂机器人路径规划组合方法得到的喷涂效果差异巨大，如在三面交界工件的喷涂中，其三面交界拐角处的膜厚分布受路径规划方法影响较大。因此，对于三面交界的工件，要想获得质量高的喷涂效果，必须对该种工件进行机器人空间喷涂轨迹组合规划。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种针对三面相交工件的喷涂路径自动规划方法，提供了针对三面相交工件拐角处涂膜厚度均匀性优化方法，能够有效的提高油漆涂膜质量，解决喷涂过程中工件表面路径自动生成的问题，该方法简单易行，可对构件快速进行规划，效率高。

本发明采用的技术方案为：一种用于三面相交工件的喷涂机器人轨迹组合规划方法，其具体步骤如下：

(1)建立世界坐标系，导入喷涂机器人模型、具有三个相互垂直的平面，每两个平面具有一条交线的三面相交工件模型和导轨模型，将机器人模型放置于导轨模型上，工件模型中心点放置于世界坐标系原点。

(2)将三面相交工件模型的三个平面按顺时针方向依次定义为第一平面、第二平面、第三平面。将第一平面与第二平面的交线定义为第一交线，第二平面与第三平面的交线定义为第二交线，第三平面与第一平面的交线定义为第三交线。

(3)在第一平面表面以距离第一平面外侧轮廓线两个喷涂半径长度处为起点，平行第一交线的方向，且距离第一交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条长路径，长路径的终点为距离第三交线四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处。

根据涂料累积速率模型，使用黄金分割法求出相邻长路径之间的距离d的值。

在第一平面表面以第一条长路径的终点为起点，平行第三交线的方向，且距离第三交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条短路径，短路径的长度可根据三角形的边长公式算出。

(4)生成第一平面上的第二条以及后续长路径及短路径，可参照步骤(3)中的方法，直到路径填充整个第一平面。

(5)生成第二平面上的路径，可参照步骤(3)及步骤(4)生成。

(6)在第三平面表面以距离第三平面外侧轮廓线两个喷涂半径长度处为起点，平行第三交线的方向，且距离第三交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条长路径，长路径的终点为距离第三交线四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处，根据涂料累积速率模型，使用黄金分割法求出相邻长路径之间的距离d的值，在第三平面表面以第一条长路径的终点为起点，平行第二交线的方向，且距离第二交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条短路径，短路径的长度可根据三角形的边长公式算出。

(7)生成第一平面上的第二条以及后续长路径及短路径，可参照步骤(6)中的方法。直到路径填充整个第三平面。

(8)在三个平面分别随机生成20个取样点，建立涂膜厚度均匀度评价函数f₀，涂膜厚度均匀度评价函数f₀为：

f₀＝(q_d-q_s)²+(q_max-q_min)²+(q_d-q_min)² (1)

式中：q_d为理想涂层厚度，q_s为所有取样点平均厚度，q_max为取样点最大厚度，q_min为取样点最小厚度。

有益效果：与现有技术相比，该方法能够提供一种针对三面相交工件的喷涂路径自动规划方法，提供针对三面相交工件拐角处涂膜厚度均匀性优化方法，能够有效的提高油漆涂膜质量，解决喷涂过程中工件表面路径自动生成的问题，可有效提高产品质量，节省涂料，降低生成成本。具备良好的实用性和应用前景。

附图说明

图1-2为：三面交界工件喷涂路径示意图；

图3为：长、短路径位置示意图；

图4为：多行程轨迹喷涂示意图；

图5为：涂料扇幅示意图；

图6为：黄金分割法流程示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图所示，一种用于三面相交工件的喷涂机器人轨迹组合规划方法，其具体步骤如下：

1.CAD模型的导入和放置

建立具有原点O，xyz轴的笛卡尔空间三维直角坐标系，导入IGES格式或者STEP格式的CAD模型，提取特征边线，特征平面，将机器人模型放置于导轨模型上，工件模型中心点放置于世界坐标系原点O。

2.喷涂机器人轨迹组合规划

如图1所示，将三面相交工件模型的三个平面按顺时针方向依次定义为第一平面1、第二平面2、第三平面3。将第一平面1与第二平面2的交线定义为第一交线4，第二平面2与第三平面3的交线定义为第二交线5，第三平面3与第一平面1的交线定义为第三交线6。

如图2，3所示，在第一平面1表面以距离第一平面1第一外侧轮廓线7两个喷涂半径长度L处为起点，平行第一交线4的方向，且距离第一交线4的距离为四分之一喷涂半径r至二分之一喷涂半径r长度处生成第一条长路径8，长路径8的终点为距离第三交线6四分之一喷涂半径r至二分之一喷涂半径r长度处。

建立涂料累积速率模型，使用黄金分割法求出相邻长路径之间的距离d的值。本发明针对平面工件，考虑两个相邻行程存在叠加的情况，喷涂时喷枪的速度v不变，如图4，推导得到涂料累积速率模型。其计算公式如下：

其中，

其中t1,t2分别表示两条行程在s点的喷涂时间的一半；r1，r2表示s点到喷枪投射点的距离，d表示行程间距。

如图4，5所示，任意点s的涂层厚度除了与模型本身有关外，只与喷枪的移动速度v和行程间距d有关，这样便可以建立v和d的优化问题。在考虑喷涂效果时，主要考虑涂层的期望厚度以及涂层均匀性为优化指标，建立优化目标函数如下：

其中，

为平均厚度，q_s为涂层上任一点的累积速率分布，和位置x、行程速率v、行程间距d三个参数有关。相关约束条件如下：

v≤v_max，0≤d≤2R，q_avg＝q_d (5)

其中q_d为期望厚度。在建立了优化问题之后，采用黄金分割算法对d和v进行寻优，由此求解得到工件的喷涂参数v和d。具体步骤如下(流程图如图6所示)：

第一步：设置初值d₁＝0，d₂＝2r，其中r为喷涂半径；

第二步：根据期望涂层厚度q_d计算v₁，v₂，并由d₁，d₂，v₁，v₂计算优化目标函数值E₁，E₂；

第三步：使用黄金分割计算d₃、d₄，令d₃＝d₂-(d₂-d₁)*0.618，d₄＝d₁+(d₂-d₁)*0.618；

第四步：由新得的d₃、d₄和期望涂层厚度计算v₃、v₄，并由d₃，d₄，v₃，v₄计算优化目标函数E₃，E₄；

第五步：比较E₃、E₄大小，若E₃≥E₄，令d₁＝d₃，E₁＝E₃；否则令d₂＝d₄，E₂＝E₄。

第六步：若|d₁-d₂|≤0.5，则算法结束，否则转第三步。

在第一平面1表面以第一条长路径7的终点为起点，平行第三交线6的方向，且距离第三交线6的距离为四分之一喷涂半径r至二分之一喷涂半径r长度处生成第一条短路径9，短路径9的长度可根据三角形的边长公式算出。

生成第一平面上的第二条以及后续长路径及短路径，可参照步骤[0029]-[0046]中的方法，直到路径填充整个第一平面。

生成第二平面2上的路径，可参照步骤[0028]、[0047]生成。

在第三平面3表面以距离第三平面3第二外侧轮廓线10两个喷涂半径r长度处为起点，平行第三交线6的方向，且距离第三交线6的距离为四分之一喷涂半径r至二分之一喷涂半径r长度处生成第一条长路径11，长路径11的终点为距离第二交线5四分之一喷涂半径r至二分之一喷涂半径r长度处。

根据涂料累积速率模型，使用黄金分割法求出相邻长路径之间的距离d的值，具体步骤参考步骤[0030]-[0045]。

在第三平面3表面以第一条长路径11的终点为起点，平行第二交线5的方向，且距离第二交线5的距离为四分之一喷涂半径r至二分之一喷涂半径r长度处生成第一条短路径12，短路径12的长度可根据三角形的边长公式算出。

生成第一平面上的第二条以及后续长路径及短路径，可参照步骤[0029]-[0046]中的方法，直到路径填充整个第三平面。

3.建立涂膜厚度均匀度评价函数

在三个平面分别随机生成20个取样点，建立涂膜厚度均匀度评价函数f₀，涂膜厚度均匀度评价函数f₀为：

f₀＝(q_d-q_s)²+(q_max-q_min)²+(q_d-q_min)² (6)

式中：q_d为理想涂层厚度，q_s为所有取样点平均厚度，q_max为取样点最大厚度，q_min为取样点最小厚度。

本发明公开的是三面相交工件的喷涂机器人路径组合规划方法，以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种用于三面相交工件的喷涂机器人轨迹组合规划方法，其具体步骤如下：

(1)建立世界坐标系，导入喷涂机器人模型、具有三个相互垂直的平面，每两个平面具有一条交线的三面相交工件模型和导轨模型，将机器人模型放置于导轨模型上，工件模型中心点放置于世界坐标系原点；

(2)将三面相交工件模型的三个平面按顺时针方向依次定义为第一平面、第二平面、第三平面。将第一平面与第二平面的交线定义为第一交线，第二平面与第三平面的交线定义为第二交线，第三平面与第一平面的交线定义为第三交线；

(3)在第一平面表面以距离第一平面外侧轮廓线两个喷涂半径长度处为起点，平行第一交线的方向，且距离第一交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条长路径，长路径的终点为距离第三交线四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处；

根据涂料累积速率模型，使用黄金分割法求出相邻长路径之间的距离d的值；

在第一平面表面以第一条长路径的终点为起点，平行第三交线的方向，且距离第三交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条短路径，短路径的长度可根据三角形的边长公式算出；

(4)生成第一平面上的第二条以及后续长路径及短路径，可参照步骤(3)中的方法，直到路径填充整个第一平面；

(5)生成第二平面上的路径，可参照步骤(3)及步骤(4)生成；

(6)在第三平面表面以距离第三平面外侧轮廓线两个喷涂半径长度处为起点，平行第三交线的方向，且距离第三交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条长路径，长路径的终点为距离第三交线四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处；

根据涂料累积速率模型，使用黄金分割法求出相邻长路径之间的距离d的值；

在第三平面表面以第一条长路径的终点为起点，平行第二交线的方向，且距离第二交线的距离为四分之一喷涂半径至二分之一喷涂半径长度处生成第一条短路径，短路径的长度可根据三角形的边长公式算出；

(7)生成第一平面上的第二条以及后续长路径及短路径，可参照步骤(6)中的方法，直到路径填充整个第三平面；

(8)在三个平面分别随机生成20个取样点，建立涂膜厚度均匀度评价函数f₀，涂膜厚度均匀度评价函数f₀为：

f₀＝(q_d-q_s)²+(q_max-q_min)²+(q_d-q_min)²

式中：q_d为理想涂层厚度，q_s为所有取样点平均厚度，q_max为取样点最大厚度，q_min为取样点最小厚度。

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