涂层质量约束下的喷涂机器人轨迹规划

摘要

大型复杂构件的表面喷涂目前仍以人工喷涂为主，为了提高喷涂质量和生产效率，采用机器人喷涂替代人工喷涂已经成为一种趋势。由于大型复杂构件具有尺寸超大、型面复杂的特点，直接规划其机器人喷涂轨迹难以保证喷涂质量，本文根据大型复杂构件的特点，提出了一种涂层质量约束下的喷涂机器人轨迹规划方法，该方法包括曲面分片、片内喷涂轨迹规划和喷涂轨迹组合优化三个步骤。基于此方法，开发了相应的喷涂机器人轨迹规划软件。本文的主要研究内容如下： 分析了参数化CAD模型和网格化CAD模型的优缺点，选择网格化的CAD模型作为处理对象，并对STL格式文件进行了数据重构。基于喷枪的喷涂沉积速率模型，建立了复杂曲面的分片准则，并设计了大型复杂构件的曲面分片算法，仿真验证了该算法的有效性。 基于喷涂沉积速率模型，建立了涂层厚度表达式，并以涂层厚度均匀为目标函数，求解了最优的喷涂速度和轨迹之间的间距。在此基础上设计了单个曲面的喷涂轨迹规划算法，通过仿真对算法进行了检验。除此之外，分析了相邻曲面喷涂轨迹对涂层厚度和喷涂效率的影响，对喷涂轨迹规划算法做出了相应的改进。 将喷涂轨迹组合优化问题类比为广义旅行商问题，并根据图论建立了其数学模型，以轨迹过渡线长度最短为目标函数，借鉴遗传算法的思想，提出了一种基于交叉变异的粒子群算法求解该问题，仿真表明该算法具有求解快速、结果准确的优点，验证了该算法的有效性和实用性。 基于所述涂层质量约束下的喷涂机器人轨迹规划方法，设计了大型复杂构件喷涂机器人轨迹规划系统，以开源三维造型内核OpenCASCADE为基础，开发了喷涂机器人轨迹规划软件。以大型风电叶片和汽车车门为典型案例，验证了本文轨迹规划方法的有效性和喷涂机器人轨迹规划软件的实用性。

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