[发明专利]一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及喷涂机器人先进制造产业技术领域，特别是涉及一种针对复杂工件曲面的分层喷涂轨迹规划工艺算法。

背景技术

喷涂机器人作为工业机器人技术基础上发展的一种特种机器人，它是机器人技术与喷涂工艺相结合的产物，主要用于工业生产中的喷涂作业。喷涂机器人作为智能化的装备，不会受有毒有害物质影响，而且喷涂效果稳定，同时还具备可编程性，可以对其进行编程以完成不同工件的喷涂，因而极大地提高了喷涂效率和喷涂质量，已经被广泛应用于现在制造业之中。

传统的喷涂机器人主要是“示教-再现”型机器人，机器人的喷涂轨迹主要靠“人工示教”的方式来规划。这种“示教-再现”的轨迹规划方法，操作简单，易于实现，但该方法也存在如下缺点：(1)喷枪喷涂轨迹的优劣严重依赖工人的经验，难以结合喷涂工件的几何特征和喷枪参数获得最佳喷涂轨迹，造成涂料、能源等的浪费，增加了经济成本；(2)在示教过程中，机器人不能用于生产，且示教周期长，降低了机器人的生产效率；(3)人工示教过程中，工人必须处于有毒有害的环境之中，严重损害工人的身体健康。

为解决传统喷涂机器人的缺点，业界开始探寻喷涂机器人的离线轨迹规划技术。该技术利用计算机软硬件建立喷涂机器人及其工作环境的模型，采用先进的轨迹规划算法，并结合人工交互方式，在虚拟的工作场景中，对机器人的轨迹进行规划与优化，并进行可视化的仿真与验证，从而可以在不需要实际机器人参与的情况下，生成最优的喷涂轨迹，以提高喷涂质量与喷涂效率。然而，就目前业界研究而言，当前的喷涂机器人离线轨迹规划技术存在的主要缺点在于：缺乏一种有效的、统一的、自适应的智能化喷涂机器人工艺流程算法，能够针对各种复杂多样的待喷涂工件，在缺少甚至是完全没有人工干预的情况下，自动生成满足一定工艺指标或质量要求的优化喷涂轨迹，从而真正实现喷涂过程的自动化，提高喷涂制造业的生产率水平，并降低生成成本，保证整体的经济效益。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法,该方法提供了针对各种具有复杂构型的喷涂工件自动生成优化喷涂轨迹的工艺流程算法，具有较强的适应性，能够提高复杂工件的喷涂质量和喷涂效率，并节省涂料成本。

本发明采用的技术方案为：一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，包括以下步骤：首先设计了一种实验方法对喷涂过程进行建模，通过引入高斯混合涂层累积速率模型以拟合涂层分布情况；然后采用分层轨迹规划方法，针对工件的几何和拓扑特征分别应用双背离角法和投影法将复杂曲面分割为若干简单子曲面；并建立相应的喷涂轨迹优化模型，采用数值方法求解行程参数以生成子片内的喷涂轨迹；最后采用分布估计算法对各子片轨迹进行优化组合。其具体步骤包括：

（1）喷涂过程的实验建模：通过喷涂实验获得所使用喷枪的3D涂层厚度分布数据，并采用基于高斯混合模型对获得的涂层厚度生长率进行精确描述，其参数的拟合采用基于L-M的数值计算方法实现。

（2）复杂工件表面的分层分割：首先基于几何尺寸进行子片划分，重点考虑工件表面的弯曲程度，采用双背离角算法将复杂工件曲面分割为一个个近似平面的曲面；其次是在几何尺寸（曲面曲率）划分的基础上，结合工件的拓扑特性（连通性，即孔洞、禁止喷涂区域等特殊情况），采用投影法将其进一步分割，划分为拓扑结构简单的工件曲面，以便于处理工件存在孔洞的情况，从而节省涂料成本。

（3）各简单子曲面内的喷涂轨迹规划：根据所建立的涂层累积速率模型，以涂层期望厚度和涂层均匀性为混合优化目标，建立相应的优化模型，然后采用黄金分割搜索法求解得到喷涂速度和行程间距，在此基础上采用包围盒投影方法获得优化的简单子片内喷涂轨迹点。

（4）各子片喷涂路径的优化组合：将喷涂机器人多路径组合规划问题建模为广义旅行商问题（GTSP），然后采用基于分布估计的智能计算方法求解，包括选择优势种群、建立概率模型、随机采样等操作，从而实现在问题空间中的全局寻优，将各子片离散路径进行优化组合以生成最终的喷涂机器人喷枪优化轨迹。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果是提供了一套完整的喷涂机器人离线轨迹规划工艺解决方案，能够针对各种具有复杂构型的喷涂工件自动生成优化喷涂轨迹，实现喷涂机器人的高效喷涂并节省涂料和人工成本，以提高喷涂机器人的喷涂效率，保证喷涂机器人的喷涂质量。该算法无需人工干预，具有良好的适应性和实用性，可广泛应用与诸如汽车、船舶等大型复杂工件的喷涂制造环节，满足日益发展的喷涂机器人制造行业的需要。

附图说明