面向复杂自由曲面的喷涂机器人作业规划方法研究与实现

摘要

本论文课题以“高档数控机床与基础制造设备”国家重大科技专项“15kg喷涂机器人成套装备，，项目为背景，研究并实现面向复杂曲面的喷涂机器人作业规划方法。
　　由于复杂自由曲面表面特征不同于一般的平面与拉伸曲面，本文研究并实现一种新的方法来解决复杂曲面上的喷涂机器人作业规划问题，该方法分为三个部分:曲面分片、子片喷涂路径规划和子片连接。
　　复杂自由曲面几何特征（形状、曲率等）和拓扑特征（孔洞等）复杂，这些都增加了喷涂路径规划的难度。因此本文首先分析曲面上的拓扑特征和几何特征，然后对曲面分片，将复杂自由曲面分割为若干具有简单拓扑特征与几何特征的简单子曲面。对于曲面上有孔洞等情形，采用投影法，对曲面进行拓扑分片，把曲面分成几个独立的子片，每一片上不包含孔洞;对于包含圆孔这样的特殊工件，本文通过选取两个特殊平面将曲面分割成几个独立的子片，进行拓扑分片。其次每一分片上可能曲率变化大，通过设置相邻角阈值和最大背离角，对其进行几何分片，使得每一分片上的曲率接近，变化不大。
　　曲面分片之后，通常每一子片并不是平面，其曲率在各方向上都可能变化，为此，针对复杂曲面论文研究并实现了一种基于种子曲线、变速变间距的喷涂路径规划方法以进一步提高喷涂效果。首先确定曲面上一条曲线作为种子曲线，以该种子曲线作为基准线，平移得到曲面上所有喷涂行程。种子曲线选择的原则是，规划好之后曲面上的行程尽量少，而且行程之间不会相交。然后，将每一行程分段，每一段上速度不同，通过对分段速度优化，使得行程方向涂层累积速率近似不变。再对行程间距优化，考虑到多条行程对同一点膜厚会产生影响，这里同时对4条行程优化，提高喷涂规划准确性。由于速度优化与间距优化，都是针对多变量的，采用BOBYQA优化方法，得到所有行程间距以及每一条行程上的分段速度，进而得到子片上的喷枪路径。
　　在子片喷枪路径规划的基础上，为了获得完整的喷枪路径，需要将这些独立的子片路径连接起来，经过所有子片上的喷枪路径，并且行进的路径最短。本文将子片路径连接问题建模为广义TSP问题模型，采用蚁群算法来得到优化解，进而连接子片喷枪路径间的起点与终点，形成一条完整的喷枪路径，并生成中间语言程序。蚁群算法与之前采用的启发式搜索算法如遗传算法相比，收敛速度更快，而且排序优化结果更好即连接路径的长度更短，这些优势在子片喷涂路径数量增加时更明显。最后针对典型工件，仿真验证喷涂路径规划与参数优化的喷涂结果。
　　本文完成了面向复杂自由曲面的喷涂机器人作业规划方法研究与实现，该方法能够针对复杂自由曲面，规划出喷枪路径，经喷涂作业规划系统仿真验证，能较好地满足项目需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 商业喷涂机器人离线编程软件

1．2．2 复杂曲面的喷涂路径规划方法

1．3 本论文的主要工作

1．4 论文组织结构

第二章 面向复杂曲面的喷涂机器人作业规划系统总体方案设计

2．1 喷涂作业规划系统需求分析

2．2 喷涂作业规划系统体系结构设计

2．3 喷涂机器人离线自动编程系统的改进设计

2．4 软件开发环境与方法

2．5 本章小结

第三章 复杂工件表面特征提取与曲面分片方法

3．1 曲面预处理

3．2 拓扑分片

3．3 几何分片

3．3．1 几何分片算法设计

3．3．2 几何分片算法仿真

3．4 本章小结

第四章 基于种子曲线的喷涂路径规划与参数优化方法研究与实现

4．1 种子曲线及其选择方法

4．1．1 种子曲线的方向

4．1．2 种子曲线的位置

4．2 种子曲线的生成算法

4．2．1 生成种子曲线方向的算法

4．2．2 生成种子曲线位置的算法

4．3 基于种子曲线的喷涂路径规划

4．4 喷涂速度分段优化方法与实现

4．5 喷涂行程间距优化方法与实现

4．6 喷涂路径规划与参数优化软件开发

4．7 本章小结

第五章 基于蚁群算法的子片喷涂路径连接方法研究与实现

5．1 子片喷涂路径连接问题建模

5．1．1 连接问题描述

5．1．2 连接问题建模

5．2 基于蚁群算法的喷涂路径排序问题求解

5．2．1 蚁群算法简介

5．2．2 基于蚁群算法的喷涂路径排序问题求解

5．2．3 仿真实验与结果分析

5．3 软件设计与实现

5．3．1 输入蚁群算法参数

5．3．2 导入子片路径

5．3．3 连接子片路径

5．3．4 生成中间语言程序

5．4 典型案例喷涂路径规划仿真实验与结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的论文