大型工件自动喷涂装备控制技术研究

摘要

本文以航天大型工件隔热层自动喷涂作业为研究背景，对大型工件自动喷涂装备控制系统开展研究。研究工作主要包括系统方案设计、工件曲面重构、喷涂轨迹规划、软件系统开发和喷涂工艺研究等。在研究基础上研制了一套喷涂装备缩比原理样机并开展相关实验对本文提出的方案和算法进行验证。
　　在方案设计中，根据工件特点和喷涂要求，论述了自动喷涂装备由机械系统、控制系统、检测系统和软件系统四部分组成。机械系统主要由框架式喷涂机器人构成，共有五个自由度，完成了喷涂机器人的轴设计和电机选型。确定控制系统采用IPC+ACR9000运动控制器的组成方式，检测系统采用卡萨提激光传感器GT60-120S采集工件表面型值点。
　　在工件曲面重构中，介绍了NURBS样条曲线的相关基础，详细研究了NURBS曲线曲面插值算法，并给出了工件曲面重构的步骤。
　　在喷涂轨迹规划中，采用D-H法对喷涂机器人进行建模，推导出了喷涂机器人正逆运动学方程，然后根据工件特点采用Z字形喷涂方式，详细论述了轨迹规划的流程。
　　软件系统由运动控制、曲面重构、喷涂作业、三维显示、厚度分析等五部分组成，采用Qt进行开发，使用OpenGL图形库实现了工件三维可视化，使用SQLite对工件模型和喷涂参数进行存储。
　　最后，在研制的喷涂装备缩比原理样机上开展喷涂工艺研究，通过定点喷涂获取了喷斑模型（涂层累计生长速率模型），并对喷涂距离、喷涂速率和喷涂间距三个喷涂要素进行实验，在此基础上对缩比工件进行喷涂，喷涂效果良好，满足项目要求。
　　本文的研究工作达到了预期效果，为大型工件自动喷涂装备的研制提供了设计依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 喷涂机器人研究现状

1．3 曲面重构技术

1．4 论文主要研究内容及结构

2 自动喷涂装备方案设计

2．1 总体方案设计

2．1．1 任务要求

2．2．2 需求分析

2．2．3 系统构成及技术路线

2．3 机械系统设计

2．3．1 喷涂机器人结构设计

2．3．2 机械系统主要结构参数

2．4 控制系统设计

2．4．1 控制系统概述

2．4．2 控制系统选型

2．4．3 控制系统组成

2．5 检测系统设计

2．5．1 激光测距传感器

2．5．2 三角测距法原理

2．6 本章小结

3 工件曲面重构

3．1 NURBS曲线曲面表示

3．1．1 NURBS曲线定义

3．1．2 NURBS曲面定义

3．1．3 NURBS性质

3．1．4 NURBS主要参数

3．2 NURBS曲线插值

3．2．1 数据点参数化

3．2．2 节点矢量、基函数和控制点求取

3．2．3 NURBS曲线插值的一般步骤

3．3 NURBS曲面插值

3．3．1 参数方向选择

3．3．2 节点矢量、基函数和控制点求取

3．3．3 NURBS曲面插值的一般步骤

3．4 本章小结

4 喷涂轨迹规划

4．1 机器人D-H法

4．2 喷涂机器人运动学

4．2．1 喷涂机器人正运动学

4．2．2 喷涂机器人逆运动学

4．3 轨迹规划流程

4．3．1 喷涂轨迹线

4．3．2 喷枪轨迹线

4．3．3 曲线插补

4．4 本章小结

5 自动喷涂装备软件开发

5．1 软件UI设计

5．2 数据库连接

5．3 曲面重构实现

5．3．1 SISL NURBS库

5．3．2 SISL NURBS曲线曲面插值函数

5．4 工件三维可视化

5．4．1 OpenGL简介

5．4．2 使用OpenGL绘制NURBS曲线

5．4．3 使用OpenGL绘制NURBS曲面

5．5 运动控制

5．5．1 运动控制器回零

5．5．2 运动控制器软件接口

5．6 厚度分析

5．7 本章小结

6 实验与结果

6．1 安装调试

6．1．1 喷涂装备安装

6．1．2 喷涂装备调试

6．2 控制系统定位精度实验

6．3 喷涂工艺参数研究

6．3．1 喷斑模型

6．3．2 喷涂距离

6．3．3 喷涂速率

6．3．4 喷涂间距

6．4 缩比工件喷涂实验

6．5 本章小结

7 结论

7．1 工作总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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