大型复杂自由曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化研究

摘要

本文针对大型复杂自由曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化研究存在的问题，分别从喷枪模型的建模及其应用、大曲率特征自由曲面的喷涂分片规划、自然二次曲面上喷涂轨迹优化及复杂曲面上喷枪轨迹组合优化等角度对问题进行了系统的研究。研究并在一定程度上解决了目前面向复杂自由曲面喷涂机器人喷枪轨迹优化研究中，从喷枪3D模型的建立、提高大曲率特征自由曲面涂层均匀度和提高复杂曲面喷枪轨迹组合优化时喷涂效果的关键技术和算法。
　　 文章阐述了面向喷涂机器人离线编程系统的主要结构和技术路线，提出了喷涂机器人喷枪轨迹优化模块为本文研究的重点。
　　 在喷枪模型的建模及其应用中，基于一组喷釉实验数据，对喷枪模型的建模方法及其在平面喷枪轨迹优化中的应用进行了论述。运用二次样条曲线描述平面上涂料的生长情况，并建立了单位时间内平面和圆弧面上的涂层厚度表达式。分析了平面相对于圆弧面上涂层厚度不一致的原因，并给出了涂层厚度一致性优化方法。由于该类喷枪模型在喷枪轨迹优化时的复杂性，运用最小二乘曲线拟合的方法将复杂涂层厚度模型拟合成表达式较为简单的β分布模型以提高其实用性，给出了拟合算法，并将该模型运用到了平面喷枪轨迹优化研究中。
　　 在大曲率特征自由曲面喷涂分片规划中，研究了大曲率特征自由曲面分片造型方法和喷枪轨迹生成方法。首先，结合喷涂半径和几何拓扑分片法，给出了提取曲面中大曲率特征曲面的方法；然后，针对大曲率曲面组曲面，提出了运用最小二乘曲线曲面拟合的方法对大曲率组曲面进行拟合造型，生成面片面积较大，形状较匀整的自然二次曲面，提出了运用修正的Gauss-Newton法对非线性最小二乘问题进行求解，并给出了大曲率组曲面造型算法和整个复杂自由曲面的分片规划算法；最后，提出了运用自然二次曲面上的母线规划其上喷枪轨迹的方法。
　　 在面向自然二次曲面的喷涂轨迹优化中，研究了提高自然二次曲面上涂层均匀度的喷涂轨迹优化方法。基于一种前人已有的喷枪模型，运用面积几何放大定理建立了自然二次曲面上的喷枪3D模型，基于该3D模型在指定的喷枪路径上建立了自然二次曲面上喷枪轨迹参数优化目标函数，并运用黄金分割法和可行方向法对特定的优化问题进行求解。基于PA-PA原则，提出了先优化喷涂半径变化范围，后优化喷枪轨迹参数的方法对不同组合面片交界处的喷枪轨迹进行优化，并建立了不同组合面片交界处的喷枪轨迹参数优化目标函数，并运用乘子法对该类优化问题进行求解。
　　 在复杂曲面喷枪轨迹组合优化中，重点研究了提高整个复杂曲面上涂层均匀度和涂料利用率的方法。首先，针对喷枪路径规划方式和面片几何形状对喷涂效果的影响，提出了优化两种喷枪路径规划方式的全局路径规划算法。其次，针对影响涂层质量的面片之间的涂层分布干涉问题，运用直接修正轨迹间距法、修正喷枪喷射高度法和两者相结合的方法对交界线平行和近似平行时的涂层分布干涉问题进行论述，分别给出了优化目标函数，并运用非线性整数优化的蚁群算法对问题进行求解。再次，针对影响喷涂效果三要素中的涂料利用率问题，建立了喷涂路径规划时的涂料利用率近似表达式，在满足涂层质量要求的前提下，结合路径分段计算喷枪路径拐角处的涂层厚度法和扫描搜索算法优化了涂料利用率的影响因素，达到提高涂料利用率的目的。最后，基于优化喷涂效率和涂料利用率的矛盾，给出了最佳喷涂效果的评价函数。
　　 本文对主要的设计方案进行了仿真研究。仿真结果表明，本文提出的数学模型以及各种喷枪轨迹优化方法均可以获得良好的效果。