CN114950805B - 一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，通过解算在不同站位点处飞机机翼喷涂机器人在飞机机翼喷涂面的延展面上的机器人喷涂区域，并将机器人喷涂区域与飞机机翼的实际喷涂区域取交得到喷涂交集区域，然后根据喷涂交集区域的交集区域边界线段上的端点、拐点与机翼实际喷涂区域的实际喷涂边界线段上的端点、拐点的重合情况判断喷涂交集区域是否能够完全覆盖机翼实际喷涂区域，若能完全覆盖，则针对求解出的最小站位数的站位组合，基于搭接缝最短的原则，同时结合工艺以及现场布局要求，选择其中最优的站位点组合，进而对飞机机翼机器人喷涂系统的站位优进行优化。

Description

一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法

技术领域

本发明属于飞机零件喷涂的技术领域，具体涉及一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法。

背景技术

随着机器人喷涂技术的发展，机器人自动喷涂系统在飞机大部件涂装领域的应用已经越来越广泛。面向飞机大部件喷涂需求时，单台机器人作业范围不能实现全面覆盖其喷涂区域，且受限于设备或工作空间等原因不能实现以联动方式扩展外部轴时，机器人采用固定式站位实现喷涂作业，此时在不同站位的喷涂作业区域间将形成拼接和搭接区域。其中拼接是指两区域间的拼缝与喷涂方向基本一致的情况，此时只要能较好地控制两区域间的喷涂轨迹间距，便能较好地控制拼缝处的喷涂质量。而搭接是指两区域间的搭接缝与喷涂方向不一致的情况，搭接缝容易出现过喷现象，其喷涂质量难以控制。由于搭接区域的喷涂质量难以控制，本发明提出了一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，减少站位数量及搭接缝的形成，进而提升机翼部件整体喷涂质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，能够以最少的站位点对飞机机翼进行全面覆盖喷涂，进而减少喷涂区域的拼接缝，保证最终的喷涂质量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，基于飞机机翼喷涂机器人实现，包括以下步骤：

步骤1、按照飞机机翼喷涂机器人的移动坐标轴的方向对飞机机翼喷涂机器人的站位区域进行离散化处理，得到若干离散的站位点；

步骤2、针对每一个站位点，求解飞机机翼喷涂机器人在当前站位点的喷涂可行区域；

步骤3、根据不同站位点的喷涂可行区域之间的搭接关系，按照搭接缝最短的原则，求解能够将飞机机翼完全喷涂的最小站位点的数量；

步骤4、根据求解的最小站位点的数量，按照全面覆盖喷涂原则，选择最优的站位点组合。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、从所有站位点中选取n个站位点，求解选取的n个站位点的喷涂可行区域的并集形成机器人喷涂区域；

步骤3.2、提取飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，并通过实际喷涂边界线段建立机翼实际喷涂区域；

步骤3.3、求解机器人喷涂区域与机翼实际喷涂区域的交集得到喷涂交集区域；

步骤3.4、判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域，若能覆盖，则从n个站位点中选取n-1个站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量；若不能覆盖，则重新选取n个不同的站位点或选取n+1个站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到的站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤3.4中，判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域，若不能覆盖，则重新选取n个不同的站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到的站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量；

若重复选取的n个不同的站位点均无法实现喷涂交集区域对机翼实际喷涂区域的全面覆盖，则选取n+1个不同的站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到的站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量。

为了更好地实现本发明，进一步的，若步骤3.4中得到k组最小站位点数量，则根据搭接缝最短的原则从k组中优选出搭接缝最短的最小站位点数量。

为了更好地实现本发明，进一步的，判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域具体包括：

步骤A1、提取喷涂交集区域的交集区域边界线段；

步骤A2、判断交集区域边界线段是否为直线，若存在非直线的交集区域边界线段，则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；若不存在非直线的交集区域边界线段，则进行步骤A3；

步骤A3、提取交集区域边界线段的端点及拐点，提取实际喷涂边界线段的端点及拐点，判断交集区域边界线段的端点及拐点数量与实际喷涂边界线段的端点及拐点数量是否一致；若数量不一致，则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；若数量一致，则进行步骤A4；

步骤A4、判断交集区域边界线段的端点及拐点是否能够与实际喷涂边界线段的端点及拐点一一重合，若能一一重合则判断喷涂交集区域完全覆盖机翼实际喷涂区域；若不能一一重合则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤3.2中，提取飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，并将非直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段线性拟合扩增为直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤1具体包括：

步骤1.1、建立飞机机翼喷涂机器人的横向移动坐标轴、竖直移动坐标轴，所述横向移动坐标轴与竖直移动坐标轴相互垂直；

步骤1.2、在横向移动坐标轴上以横向步长进行离散得到若干横向离散坐标，在竖直移动坐标轴上以竖直步长进行离散得到若干竖直离散坐标；

步骤1.3、将横向离散坐标与竖直离散坐标组合得到若干离散的站位点的坐标。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、以当前站位点为原点，求解飞机机翼喷涂机器人的最长摆臂对应的喷涂包络空间；

步骤2.2、求解飞机机翼的喷涂面的延展面；

步骤2.3、求解喷涂包络空间与延展面的交集区域即为喷涂可行区域。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明能够对飞机机翼喷涂机器人的站位点进行优化，在遵循拼接缝最短的原则下，解算出能够将飞机机翼完全覆盖喷涂的最小站位点数与站位点组合，进而保证在站位点最少、拼接缝最短的前提下，完成对飞机机翼的快速喷涂，进而避免过多的拼接缝出现，进而保证飞机机翼表面喷涂质量。

附图说明

图1为本发明的流程步骤示意图；

图2为喷涂可行区域的示意图；

图3为机器人喷涂区域的示意图；

图4为机翼实际喷涂区域的示意图；

图5为喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域的示意图；

图6为喷涂交集区域完全覆盖机翼实际喷涂区域的示意图；

图7为优化后站位点的示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，基于飞机机翼喷涂机器人实现，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、按照飞机机翼喷涂机器人的移动坐标轴的方向对飞机机翼喷涂机器人的站位区域进行离散化处理，得到若干离散的站位点；

步骤2、针对每一个站位点，求解飞机机翼喷涂机器人在当前站位点的喷涂可行区域；

步骤3、根据不同站位点的喷涂可行区域之间的搭接关系，按照搭接缝最短的原则，求解能够将飞机机翼完全喷涂的最小站位点的数量；

步骤4、根据求解的最小站位点的数量，按照全面覆盖喷涂原则，选择最优的站位点组合。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、从所有站位点中选取n个站位点，求解选取的n个站位点的喷涂可行区域的并集形成机器人喷涂区域；

步骤3.2、提取飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，并通过实际喷涂边界线段建立机翼实际喷涂区域；

步骤3.3、求解机器人喷涂区域与机翼实际喷涂区域的交集得到喷涂交集区域；

步骤3.4、判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域，若能覆盖，则从n个站位点中选取n-1个站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量；若不能覆盖，则重新选取n个不同的站位点或选取n+1个站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到的站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，所述步骤3.4中，判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域，若不能覆盖，则重新选取n个不同的站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到的站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量；

若重复选取的n个不同的站位点均无法实现喷涂交集区域对机翼实际喷涂区域的全面覆盖，则选取n+1个不同的站位点，并重复上述步骤3.1-3.3，直到喷涂交集区域不能覆盖机翼实际喷涂区域时得到的站位点个数t，则t+1即为最小站位点的数量。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，若步骤3.4中得到k组最小站位点数量，则根据搭接缝最短的原则从k组中优选出搭接缝最短的最小站位点数量。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上做进一步优化，判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域具体包括：

步骤A1、提取喷涂交集区域的交集区域边界线段；

步骤A2、判断交集区域边界线段是否为直线，若存在非直线的交集区域边界线段，则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；若不存在非直线的交集区域边界线段，则进行步骤A3；

步骤A3、提取交集区域边界线段的端点及拐点，提取实际喷涂边界线段的端点及拐点，判断交集区域边界线段的端点及拐点数量与实际喷涂边界线段的端点及拐点数量是否一致；若数量不一致，则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；若数量一致，则进行步骤A4；

步骤A4、判断交集区域边界线段的端点及拐点是否能够与实际喷涂边界线段的端点及拐点一一重合，若能一一重合则判断喷涂交集区域完全覆盖机翼实际喷涂区域；若不能一一重合则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上做进一步优化，所述步骤3.2中，提取飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，并将非直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段线性拟合扩增为直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段。

本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。

实施例7：

本实施例在上述实施例1-6任一项的基础上做进一步优化，所述步骤1具体包括：

步骤1.1、建立飞机机翼喷涂机器人的横向移动坐标轴、竖直移动坐标轴，所述横向移动坐标轴与竖直移动坐标轴相互垂直；

步骤1.2、在横向移动坐标轴上以横向步长进行离散得到若干横向离散坐标，在竖直移动坐标轴上以竖直步长进行离散得到若干竖直离散坐标；

步骤1.3、将横向离散坐标与竖直离散坐标组合得到若干离散的站位点的坐标。

本实施例的其他部分与上述实施例1-6任一项相同，故不再赘述。

实施例8：

本实施例在上述实施例1-7任一项的基础上做进一步优化，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、以当前站位点为原点，求解飞机机翼喷涂机器人的最长摆臂对应的喷涂包络空间；

步骤2.2、求解飞机机翼的喷涂面的延展面；

步骤2.3、求解喷涂包络空间与延展面的交集区域即为喷涂可行区域。

本实施例的其他部分与上述实施例1-7任一项相同，故不再赘述。

实施例9：

一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，飞机机翼喷涂机器人主要由喷涂机械手、横向导轨、纵向导轨、连接工装、喷枪构成。

步骤1：站位离散：按照飞机机翼喷涂机器人的移动坐标轴的方向对飞机机翼喷涂机器人的站位区域进行离散化处理，得到若干离散的站位点。

当前飞机机翼喷涂机器人的站位点由横向导轨和纵向导轨共同决定，以横向导轨为横向移动坐标轴-X轴，取值范围为0-4000mm，以纵向导轨为竖直移动坐标轴-Z轴，取值范围为0-1300mm。现将X轴和Z轴的值进行离散，将X轴和Z轴的坐标值以间距100mm离散形成的站位点位分布图可得飞机机翼喷涂机器人站位点的分布图。

步骤2：针对每一个站位点，求解飞机机翼喷涂机器人在当前站位点的喷涂可行区域。

为确定在每个站位点时，飞机机翼喷涂机器人在飞机机翼上的喷涂可行区域，首先计算出当前站位点时飞机机翼喷涂机器人的喷涂包络空间。如图2所示，根据飞机机翼喷涂机器人的摆臂长度、摆动方向以及喷枪的喷洒面积拟合得到喷涂包络空间。然后将飞机机翼喷涂机器人在当前站位点的喷涂包络空间与飞机机翼的喷涂面的延展面求交，即可得出当前站位点的飞机机翼喷涂机器人的喷涂可行区域。

步骤3，求解最小站位点的数量。

站位点的数量越少，则飞机机翼喷涂机器人喷涂时在飞机机翼上的分区越少，从而形成的搭接缝也越少。求解最小站位点的数量，即为求解飞机机翼喷涂机器人以最少的站位点的数量实现飞机机翼喷涂面的整面喷涂。

具体求解方法如下：

(1)从若干站位点中选取n个站位点，将飞机机翼喷涂机器人在这n个站位点与飞机机翼喷涂面的延展面上的可喷涂区域Mi(i＝1、2、……n)求并，即可得出在当前n个站位点下飞机机翼喷涂机器人在飞机机翼喷涂面的延展面上的机器人喷涂区域Mt，如图3所示。

M_t＝M₁∪M₂∪M_i…∪M_n

(2)提取飞机机翼喷涂面的实际喷涂边界线段，并在实际喷涂边界线段，为简化计算，考虑飞机机翼边界形状接近直线，将非直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段线性拟合扩增为直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，最终形成机翼实际喷涂区域S，如图4所示。然后在实际喷涂边界线段上提取实际喷涂边界线段的端点与拐点，依次记为P1、P2…Pk。

(3)将获得的机器人喷涂区域Mt与机翼实际喷涂区域S求交，可得出喷涂交集区域Mst，如图5所示。

M_st＝M_t∩S

(4)若要实现飞机机翼喷涂面的全面覆盖，喷涂交集区域Mst应该和机翼实际喷涂区域S完全一致，所以要判定是否能实现全面覆盖，需要对比喷涂交集区域Mst应该和机翼实际喷涂区域S。为简化计算模型，采用条件判定的方式进行对比，具体对比方法如下：

提取喷涂交集区域Mst的交集区域边界线段，首先判定交集区域边界线段是否均为直线，由于机翼实际喷涂区域S的实际喷涂边界线段均拟合为直线。如图5所示，若喷涂交集区域Mst存在非直线的交集区域边界线段，则直接判定喷涂交集区域Mst不能实现全面覆盖机翼实际喷涂区域S。如图6所示，若喷涂交集区域Mst的交集区域边界线段均为直线，则提取交集区域边界线段的端点和拐点依次记为P1(Mst)、P2(Mst)…Pk(Mst)。

然后进一步判定喷涂交集区域Mst的交集区域边界线段上的端点以及拐点的数量是否与机翼实际喷涂区域S的实际喷涂边界线段的端点与拐点数量一致，若数量不一致则判定喷涂交集区域Mst不能实现全面覆盖机翼实际喷涂区域S；若数量一致，则进一步判定交集区域边界线段上的端点以及拐点的坐标值是否能与实际喷涂边界线段的端点与拐点的坐标逐一重合，若能逐一重合则判定喷涂交集区域Mst可以实现全面覆盖机翼实际喷涂区域S。否则，则判定喷涂交集区域Mst不能实现全面覆盖机翼实际喷涂区域S。

为尽快找出最小站位点的数量，一般从站位点数为1开始计算。当站位点数为1时，将每个站位点的机翼实际喷涂区域S求交，然后按以上方法求解。若无解，再计算最少站位点数为2时的情况，将站位点进行排列组合得出站位数为2时的所有站位分布点组合，如选取n₁与n₂两个站位点为第一组，选取n₁与n₃两个站位点为第二组，再利用以上方法对各站位点组合情况下的机翼实际喷涂区域S进行求解，若有解，即可得出最小站位点数为2，同时可得出此时有解的站位组合。若无解，以此类推求解最小站位数为3时的情况。

如图7所示，采用以上方案对站位进行优化设计，最终求解得出飞机机翼机器人喷涂系统的最少站位点数为3。

步骤4，选择最优的站位点组合。

列出上述求解出的最小站位数的站位组合，基于搭接缝最短的原则，同时结合工艺以及现场布局要求，选择其中最优的站位点组合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，基于飞机机翼喷涂机器人实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、按照飞机机翼喷涂机器人的移动坐标轴的方向对飞机机翼喷涂机器人的站位区域进行离散化处理，得到若干离散的站位点；

步骤2、针对每一个站位点，求解飞机机翼喷涂机器人在当前站位点的喷涂可行区域；

步骤3、根据不同站位点的喷涂可行区域之间的搭接关系，按照全面覆盖喷涂原则，求解能够将飞机机翼完全喷涂的最小站位点的数量；

步骤4、根据求解的最小站位点的数量，按照搭接缝最短的原则，选择最优的站位点组合；

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、从所有站位点中选取n个站位点，求解选取的n个站位点的喷涂可行区域的并集形成机器人喷涂区域；

步骤3.2、提取飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，并通过实际喷涂边界线段建立机翼实际喷涂区域；所述步骤3.2中，提取飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段，并将非直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段线性拟合扩增为直线的飞机机翼实际喷涂面的实际喷涂边界线段；

步骤3.3、求解机器人喷涂区域与机翼实际喷涂区域的交集得到喷涂交集区域；

步骤3.4、判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域，判断喷涂交集区域能够完全覆盖机翼实际喷涂区域具体包括：

步骤A1、提取喷涂交集区域的交集区域边界线段；

步骤A2、判断交集区域边界线段是否为直线，若存在非直线的交集区域边界线段，则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；若不存在非直线的交集区域边界线段，则进行步骤A3；

步骤A3、提取交集区域边界线段的端点及拐点，提取实际喷涂边界线段的端点及拐点，判断交集区域边界线段的端点及拐点数量与实际喷涂边界线段的端点及拐点数量是否一致；若数量不一致，则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；若数量一致，则进行步骤A4；

步骤A4、判断交集区域边界线段的端点及拐点是否能够与实际喷涂边界线段的端点及拐点一一重合，若能一一重合则判断喷涂交集区域完全覆盖机翼实际喷涂区域；若不能一一重合则判断喷涂交集区域不能完全覆盖机翼实际喷涂区域；

为尽快找出最小站位点的数量，从站位点数为1开始计算；当站位点数为1时，将每个站位点的机翼实际喷涂区域S求交，然后按以上方法求解；若无解，再计算最少站位点数为2时的情况，将站位点进行排列组合得出站位数为2时的所有站位分布点组合，利用以上方法对各站位点组合情况下的机翼实际喷涂区域S进行求解，若有解，即可得出最小站位点数为2，同时可得出此时有解的站位组合；若无解，以此类推求解最小站位数为3时的情况。

2.根据权利要求1所述的一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤1.1、建立飞机机翼喷涂机器人的横向移动坐标轴、竖直移动坐标轴，所述横向移动坐标轴与竖直移动坐标轴相互垂直；

步骤1.2、在横向移动坐标轴上以横向步长进行离散得到若干横向离散坐标，在竖直移动坐标轴上以竖直步长进行离散得到若干竖直离散坐标；

步骤1.3、将横向离散坐标与竖直离散坐标组合得到若干离散的站位点的坐标。

3.根据权利要求1所述的一种飞机机翼机器人喷涂系统的站位优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、以当前站位点为原点，求解飞机机翼喷涂机器人的最长摆臂对应的喷涂包络空间；

步骤2.2、求解飞机机翼的喷涂面的延展面；

步骤2.3、求解喷涂包络空间与延展面的交集区域即为喷涂可行区域。