CN116258020B - 一种方舱自动化涂覆路径规划方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方舱自动化涂覆路径规划方法及系统，自动化涂覆路径规划方法包括喷漆区域建模、喷漆质量建模、喷漆过程建模、喷漆路径智能规划建模，将方舱三维模型、喷漆质量模型代入能效控制模型，在可接受外观质量的基础上，对喷漆的遍历时间进行优化缩短，最终获得最优的喷涂施工路径；自动化涂覆系统包括喷漆室、喷涂机器人、静电喷漆系统以及控制系统，所述喷涂机器人将喷漆室内的方舱按照已生成的喷漆轨迹进行涂覆。本发明解决了人工喷涂生产成本高、效率低、质量一致性难以控制的问题，同时克服了大型装备三维空间喷涂工作的涂覆系统能力不足的问题，最终使方舱涂覆效果更加高效、优质。

Description

一种方舱自动化涂覆路径规划方法及系统
技术领域
本发明涉及自动化涂覆领域，尤其涉及一种高效、优质的方舱自动化涂覆路径规划方法及系统。
背景技术
在方舱及类似规整外形产品的生产过程中，喷漆质量对于整套装备的防腐蚀能力着重要作用，现有方舱的配漆、喷漆主要由操作人员采用手动空气喷涂完成，存在配漆易受人为失误影响、人工喷涂质量一致性控制难度大、漆雾弥散导致作业环境条件恶劣、对于人员身体健康影响较大、人力成本高昂、油漆浪费率较高、生产效率低等生产难题，需要一款能够实现自动化涂覆的机器人系统来解决以上问题。此外，现有的喷涂机器人主要实现的是平面工作或小型零件的三维喷涂，缺乏方舱类大型装备三维喷涂的工作能力，所以，我们需要一款能够实现大型装备三维空间喷涂工作的自动化涂覆系统，以期实现方舱及类似产品的自动喷漆，同时在喷漆过程中能够保证喷涂厚度、表面质量和方舱表面全覆盖，且能够在保障喷漆质量的前提下提升喷漆效率，提升喷漆作业效能。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供种一种高效、优质的方舱自动化涂覆路径规划方法，本发明的另一目的是提供所述方舱自动化涂覆路径规划方法的系统。
技术方案：本发明的方舱自动化涂覆路径规划方法包括如下步骤：
（1）喷漆区域建模，根据方舱的外形建立三维空间模型，在三维空间模型中提取待喷涂平面以及各平面之间的轮廓分界线，并在每个平面内将喷漆路径划分为多条直线段，最终可将喷漆的运动路径转化为所有直线段的连接和遍历问题；
（2）喷漆质量建模，在可接受的外观质量参数范围内，根据油漆粘度、漆膜厚度和喷枪幅面参数，计算得到喷涂机器人运动速度取值范围域；
（3）喷漆过程建模，计算喷涂机器人运动喷漆阶段、转向阶段、跨平面阶段运动速度和时间；
（4）喷漆路径智能规划建模，将方舱三维模型、喷漆质量模型代入能效控制模型，在可接受外观质量的基础上，对喷漆的遍历时间进行优化缩短，最终获得最优的喷涂施工路径。
进一步地，所述步骤（1）喷漆区域建模包括：
（1.1）将待喷涂舱体的三维模型导入CATIA三维设计软件中，选取待喷涂平面、设置不需要喷涂平面，并在待喷涂平面内分割选择不需要喷涂区域；
（1.2）依次将待喷涂方舱平面分割为以喷枪施工时的平移距离d为边长的方形网格，并提取该平面的外形轮廓线作为喷漆施工外边界线，将平面内不喷涂区域的外轮廓线作为禁止喷涂区域的外边界线；
（1.3）将每个单独方舱平面内的外边界线向外偏置、禁止喷涂区域边界线向内偏置，初步生成一个平面内的喷漆区域，再将各方舱平面重新组合，将各个平面内的喷涂起点、终点进行连接，形成待喷涂的三维空间网格模型；
（1.4）将每个待喷涂平面已形成的方形网格建立XY坐标进行存储，喷涂路径即转化为直线段路径的连接，在路径转向处、跨平面处设置喷漆机器人运动线上的连接点作为运动拐点，对于转向时有交点的干涉网格，则由该交点沿反方向依次遍历各拐点形成闭环，平面的终点移动至下一个待喷涂平面的起点，完成跨平面动作，遍历完所有平面形成机器人的运动路径轨迹。
进一步地，所述步骤（2）喷漆质量模型为：,
,
,
其中，为最终涂层的表面质量，m为各漆膜类型如底漆、中层漆、面漆在总涂层中所占的厚度比例，λ为各漆膜类型表面质量对最终涂层表面质量的影响程度系数，/>为单漆膜喷漆表面质量，底漆表面质量记为/>，中层漆表面质量为/>，面漆表面质量为/>，/>为喷漆运动速度，s为油漆粘度，/>为喷枪幅面宽度，x、y、z为喷漆经验模型系数，在机器人作业开始之前，依据作业对象类别，设定表面质量可接受值/>，计算出喷漆运动速度/>的许用值。
进一步地，所述步骤（3）喷漆过程建模包括：
（3.1）喷漆阶段，机器人机械臂带动喷枪以喷漆运动速度进行直线运动，运动时间/>为，
，
，
其中，为喷枪的稳定运行后的匀速运动速度，/>为提前开启或延迟关闭喷枪以保证喷涂均匀性的路径长度，/>为喷漆阶段路径长度，/>为机械臂加速达到匀速或由匀速减速的加速度，/>为上一阶段的运行速度，/>为两阶段运行速度转变过程中的加速度，/>为速度转化所需时间；
（3.2）转向阶段，运动时间为，
，
其中，为转向过程中机器人在X方向或Y方向的移动距离；
（3.3）跨平面阶段，运动时间为，
，
其中，为方舱两相邻舱壁之间的夹角，r为机器人机械臂末端喷枪的运动轨迹形成的圆周半径。
进一步地，所述步骤（4）能效控制模型为：
，
，
其中，为每个方舱平面的喷漆遍历时间，/>为整舱喷漆最短时间，/>为转向过程中机器人在X方向或Y方向的移动距离。
进一步地，所述步骤（4）喷漆的遍历时间优化缩短方法为：
（4.1）初始化参数，载入机器人运行的起点位置坐标（，/>），设置粒子数量M，学习因子c1，c2，权重ωmax，ωmin，当前迭代次数/>=1，迭代次数的最大值为/>；
（4.2）对候选的喷漆运行速度值参数进行实数编码，在许用值范围内生产候选解作为初始解值群，并根据机器人参数设置不同的运行加速度，计算各解值的优选程度，根据优选程度，计算出整个解值群中每个解值所对应的历史最短喷涂时间，最优速度/>；
（4.3）将各解值的优选程度进行排序，取一定比例优劣程度所对应的解值作为优解数据库，以多个优良解对应的加速度平均值作为优选运动加速度；
（4.4）对生成的进行筛选，如果最优解/>是最新的，则通过随机方式产生/>个新的解值/>形成解值群，否则，从优解数据库中进行抽取；
（4.5）对优解库中的一半解值进行随机抽取，然后选择部分最终所得值预期较差的进行替换操作；
（4.6）喷枪运行的路径位置按照进行更新操作；
（4.7）重新计算每个解值的优选程度，将每个解值所得的和所有经历过的进行比较，如果优于则更新，一旦达到最大迭代次数或目标函数值收敛，算法终止，否则，跳转至（4.3）继续执行。
进一步地，包括喷漆室、喷涂机器人、静电喷漆系统以及控制系统，所述喷涂机器人将喷漆室内的方舱按照已生成的喷漆轨迹进行涂覆。
进一步地，所述喷漆室采用上送风、下吸风的方式将过喷漆雾吸附到过滤装置并处理。
进一步地，所述喷涂机器人分别安装于喷漆室的两侧，机械臂末端通过负载接口连接静电喷漆系统的末端喷枪。
进一步地，所述静电喷漆系统安装于喷漆室外部，通过管路连接位于喷涂机器人机械臂末端的静电喷枪。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：解决了人工喷涂生产成本高、效率低、质量一致性难以控制的问题，同时克服了大型装备三维空间喷涂工作的涂覆系统能力不足的问题，实现了喷漆机器人在三维空间内的自由运动和喷漆操作，并完成了整个方舱装备喷漆路径的优化，最终使方舱涂覆效果更加高效、优质。
附图说明
图1为自动化涂覆路径规划方法的流程图；
图2为喷漆区域建模的流程图；
图3为喷漆路径智能规划建模的流程图。
实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的方舱自动化涂覆系统主要通过喷漆室为喷漆过程提供外部环境，静电喷漆系统、控制系统安装于喷漆室的外部，喷涂机器人及配套的轨道安装于喷漆室的内部，喷涂机器人为防爆型喷涂机器人。
喷漆作业时，首先机器人控制系统发出指令，系统导入待喷涂方舱的三维模型后，按照控制算法进行轨迹的优化和生成，同时静电喷漆系统按照油漆配比进行自动配漆，机器人的机械臂带动静电喷枪末端在方舱表面按照生产的轨迹路线进行喷漆施工。
如图1所示，实施过程中自动化涂覆路径规划过程如下：
（1）喷漆区域建模
（1.1）将待喷漆方舱的三维模型导入控制系统，通过CATIA三维设计软件打开后进行编辑，使用鼠标点击选取待喷漆平面，并点选窗户、孔口、门等位置设置非喷漆区域；在典型喷漆工艺数据库中选择参数，如各组成涂层漆膜厚度、油漆粘度、助剂配比等；
（1.2）使用三维设计软件中的编辑插件对方舱各个喷涂平面进行编号，并依次将各待喷涂方舱平面分割为以喷枪施工时的平移距离d为边长的方形网格，提取该平面的外形轮廓线作为喷漆施工外边界线；将平面内门、窗、孔口等不喷涂区域的外轮廓线作为禁止喷涂区域的外边界线；
（1.3）将每个单独方舱平面内的外边界线向外偏置、禁止喷涂区域边界线向内偏置，初步生成一个平面内的喷漆区域；再将各方舱平面重新组合，将各个平面内的喷涂起点、终点进行连接，形成待喷涂的三维空间网格模型；
（1.4）将每个待喷涂平面已分割形成的方形网格建立XY坐标进行存储，喷涂路径即转化为直线段路径段的连接；在路径转向处、跨平面处，设置喷漆机器人运动线上的连接点作为运动拐点；对于转向时有交点的干涉网格，则由该交点沿反方向依次遍历各拐点，直至形成闭环，由此平面的终点移动至下一个待喷涂平面的起点，完成跨平面动作；所有平面遍历完成后，最终形成的连接路线即为机器人的运动路径轨迹，如图2所示。
（2）喷漆质量建模
喷漆质量建模主要是设置合适的喷漆速度、喷枪幅面宽度、油漆参数，以实现底漆、中间漆、面漆各不同种类油漆喷漆过程中的喷漆质量。在完成喷漆区域的自动生成后，在程序界面设置最终涂层质量参数，确认选取默认的喷漆速度、喷枪幅面宽度、油漆参数经验模型相关系数，通过程序中的喷漆质量经验模型，代入各相关参数，反算得到对应喷漆环境和喷漆质量要求下的喷漆速度，
,
,
其中，为最终涂层的表面质量，/>各漆膜类型在总涂层中所占的厚度比例，λ为各漆膜类型表面质量对最终涂层表面质量的影响程度系数；/>为单类漆膜喷漆表面质量，底漆表面质量记为/>，中层漆表面质量为/>，面漆表面质量为/>，/>为喷漆运动速度，/>为油漆粘度，/>为喷枪幅面宽度，x、y、z为喷漆经验模型系数。模型系数的获取可通过设置不同的可接受喷漆表面质量参数，并在喷漆施工结束后进行实际喷涂结果和设置参数的比对，多组试验数据进行分析拟合后，去除异常数据点，得到对应的不同作业对象的模型系数，并在喷漆路径规划控制程序中进行存储。
（3）喷漆过程建模
（3.1）喷漆阶段，机器人机械臂带动喷枪以喷漆运动速度进行直线运动，运动时间/>为，
，
，
其中，为喷枪的稳定运行后的匀速运动速度，/>为提前开启或延迟关闭喷枪以保证喷涂均匀性的路径长度，/>为喷漆阶段路径长度，/>为机械臂加速达到匀速或由匀速减速的加速度，/>为上一阶段的运行速度，/>为两阶段运行速度转变过程中的加速度，/>为速度转化所需时间；
（3.2）转向阶段运动时间为，
，
其中，为转向过程中机器人在X方向或Y方向的移动距离；
（3.3）跨平面阶段，运动时间为，
，
其中，为方舱两相邻舱壁之间的夹角，r为机器人机械臂末端喷枪的运动轨迹形成的圆周半径。
（4）喷漆路径智能规划建模
以每个方舱平面的喷涂时间建立控制模型，并建立整舱喷涂最短时间/>的模型：
，
，
优化目标为喷漆时间最短。
如图3所示，对进行解算：
（4.1）初始化参数，载入机器人运行的起点位置坐标（，/>），设置粒子数量M，每个粒子代表一个可行的路径，学习因子c1，c2，权重ωmax，ωmin，当前迭代次数/>=1，迭代次数的最大值为/>；
（4.2）对候选的喷漆运行速度值参数进行实数编码，在许用值范围内生产候选解v=（v1，v2，v3，…，vn）作为初始解值群，并根据机器人参数设置不同的运行加速度a=（a1，a2，a3，…，an），计算各解值的优选程度，根据优选程度，计算出整个解值群中每个解值所对应的历史最短喷涂时间，最优速度/>；
（4.3）将各解值的优选程度从优到劣进行排序，取一定比例优劣程度所对应的解值作为优解数据库，以多个优良解对应的加速度平均值作为优选运动加速度；
（4.4）对生成的进行筛选，如果最优解/>是最新的，则通过随机方式产生/>个新的解值/>形成解值群；否则，从优解数据库中进行抽取；
（4.5）对优解库中的一半解值进行随机抽取，然后选择部分最终所得值预期较差的进行替换操作，提升解值的的多样性选择，如替换后的解值劣于父代，则放弃并重新选择原有解值；
（4.6）喷枪运行的路径位置按照进行更新操作；
（4.7）重新计算每个解值的优选程度，将每个解值所得的和所有经历过的进行比较，如果优于则更新；同理，对于整个优解库中的参数，将当前的/>与所有经历过的/>比较，优于则更新，一旦达到最大迭代次数或目标函数值收敛，算法终止；否则，跳转至步骤3继续执行。
运算结束后，输出时间最短的优化路径，并将生成的优化路径，转化为各个空间运动信息，存储路径信息，存储信息包括：上一节点和下一节点信息、该节点处的运动速度、加速度。将存储的路径信息逐点转换为机器人的运动指令，完成整个喷漆路径的优化，最终实现以喷漆运动时间最短为目标，以喷漆质量满足要求、全覆盖为约束条件的喷漆效能控制方法。
对最终生成的喷漆路径进行确认后，通过控制系统向机器人发送开始喷漆的指令，同时向静电喷漆系统发送配漆、供漆指令，准备工作完成后，开始喷漆施工；施工结束后，通过控制系统向静电喷漆系统发送自动清洗指令，经喷漆系统清洗干净后进行设备复位。

Claims (8)

1.一种方舱自动化涂覆路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）喷漆区域建模，根据方舱的外形建立三维空间模型，在三维空间模型中提取待喷涂平面以及各平面之间的轮廓分界线，并在每个平面内将喷漆路径划分为多条直线段，最终可将喷漆的运动路径转化为所有直线段的连接和遍历问题；
（2）喷漆质量建模，在可接受的外观质量参数范围内，根据油漆粘度、漆膜厚度和喷枪幅面参数，计算得到喷涂机器人运动速度取值范围域；
（3）喷漆过程建模，计算喷涂机器人运动喷漆阶段、转向阶段、跨平面阶段运动速度和时间；
（4）喷漆路径智能规划建模，将方舱三维模型、喷漆质量模型代入能效控制模型，在可接受外观质量的基础上，对喷漆的遍历时间进行优化缩短，最终获得最优的喷涂施工路径，
所述步骤（4）能效控制模型为：
，
，
其中，为每个方舱平面的喷漆遍历时间，/>为整舱喷漆最短时间，/>为喷枪的稳定运行后的匀速运动速度，/>为提前开启或延迟关闭喷枪以保证喷涂均匀性的路径长度，为喷漆阶段路径长度，/>为机械臂加速达到匀速或由匀速减速的加速度，/>为上一阶段的运行速度，/>为方舱两相邻舱壁之间的夹角，r为机器人机械臂末端喷枪的运动轨迹形成的圆周半径，/>为转向过程中机器人在X方向或Y方向的移动距离，
所述步骤（4）喷漆的遍历时间优化缩短方法为：
（4.1）初始化参数，载入机器人运行的起点位置坐标（，/>），设置粒子数量M，学习因子c1，c2，权重ωmax，ωmin，当前迭代次数/>=1，迭代次数的最大值为/>；
（4.2）对候选的喷漆运行速度值参数进行实数编码，在许用值范围内生产候选解作为初始解值群，并根据机器人参数设置不同的运行加速度，计算各解值的优选程度，根据优选程度，计算出整个解值群中每个解值所对应的历史最短喷涂时间，最优速度/>；
（4.3）将各解值的优选程度进行排序，取一定比例优劣程度所对应的解值作为优解数据库，以多个优良解对应的加速度平均值作为优选运动加速度；
（4.4）对生成的进行筛选，如果最优解/>是最新的，则通过随机方式产生/>个新的解值/>形成解值群，否则，从优解数据库中进行抽取；
（4.5）对优解库中的一半解值进行随机抽取，然后选择部分最终所得值预期较差的进行替换操作；
（4.6）喷枪运行的路径位置按照进行更新操作,/>为上一阶段的运行速度,/>为速度转化所需时间；
（4.7）重新计算每个解值的优选程度，将每个解值所得的和所有经历过的/>进行比较，如果优于则更新，一旦达到最大迭代次数或目标函数值收敛，算法终止，否则，跳转至（4.3）继续执行。
2.根据权利要求1所述的方舱自动化涂覆路径规划方法，其特征在于，所述步骤（1）喷漆区域建模包括：
（1.1）将待喷涂舱体的三维模型导入CATIA三维设计软件中，选取待喷涂平面、设置不需要喷涂平面，并在待喷涂平面内分割选择不需要喷涂区域；
（1.2）依次将待喷涂方舱平面分割为以喷枪施工时的平移距离d为边长的方形网格，并提取该平面的外形轮廓线作为喷漆施工外边界线，将平面内不喷涂区域的外轮廓线作为禁止喷涂区域的外边界线；
（1.3）将每个单独方舱平面内的外边界线向外偏置、禁止喷涂区域边界线向内偏置，初步生成一个平面内的喷漆区域，再将各方舱平面重新组合，将各个平面内的喷涂起点、终点进行连接，形成待喷涂的三维空间网格模型；
（1.4）将每个待喷涂平面已形成的方形网格建立XY坐标进行存储，喷涂路径即转化为直线段路径的连接，在路径转向处、跨平面处设置喷漆机器人运动线上的连接点作为运动拐点，对于转向时有交点的干涉网格，则由该交点沿反方向依次遍历各拐点形成闭环，平面的终点移动至下一个待喷涂平面的起点，完成跨平面动作，遍历完所有平面形成机器人的运动路径轨迹。
3.根据权利要求1所述的方舱自动化涂覆路径规划方法，其特征在于，所述步骤（2）喷漆质量模型为：
,
,
其中，为最终涂层的表面质量，m为各漆膜类型在总涂层中所占的厚度比例，λ为各漆膜类型表面质量对最终涂层表面质量的影响程度系数，/>为单漆膜喷漆表面质量，底漆表面质量记为/>，中层漆表面质量为/>，面漆表面质量为/>，/>为喷漆运动速度，s为油漆粘度，/>为喷枪幅面宽度，x、y、z为喷漆经验模型系数，在机器人作业开始之前，依据作业对象类别，设定表面质量可接受值/>，计算出喷漆运动速度/>的许用值。
4.根据权利要求1所述的方舱自动化涂覆路径规划方法，其特征在于，所述步骤（3）喷漆过程建模包括：
（3.1）喷漆阶段，机器人机械臂带动喷枪以喷漆运动速度进行直线运动，运动时间/>为，
，
，
其中，为喷枪的稳定运行后的匀速运动速度，/>为提前开启或延迟关闭喷枪以保证喷涂均匀性的路径长度，/>为喷漆阶段路径长度，/>为机械臂加速达到匀速或由匀速减速的加速度，/>为上一阶段的运行速度，/>为两阶段运行速度转变过程中的加速度，/>为速度转化所需时间；
（3.2）转向阶段，运动时间为，
，
其中，为转向过程中机器人在X方向或Y方向的移动距离；
（3.3）跨平面阶段，运动时间为，
，
其中，为方舱两相邻舱壁之间的夹角，r为机器人机械臂末端喷枪的运动轨迹形成的圆周半径。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方舱自动化涂覆路径规划方法的系统，其特征在于，包括喷漆室、喷涂机器人、静电喷漆系统以及控制系统，所述喷涂机器人将喷漆室内的方舱按照已生成的喷漆轨迹进行涂覆。
6.根据权利要求5所述的方舱自动化涂覆路径规划方法的系统，其特征在于，所述喷漆室采用上送风、下吸风的方式将过喷漆雾吸附到过滤装置并处理。
7.根据权利要求5所述的方舱自动化涂覆路径规划方法的系统，其特征在于，所述喷涂机器人分别安装于喷漆室的两侧，机械臂末端通过负载接口连接静电喷漆系统的末端喷枪。
8.根据权利要求5所述的方舱自动化涂覆路径规划方法的系统，其特征在于，所述静电喷漆系统安装于喷漆室外部，通过管路连接位于喷涂机器人机械臂末端的静电喷枪。
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