一种折弯类钣金零件机器人喷涂路径规划方法

摘要

本发明涉及一种折弯类钣金零件机器人喷涂路径规划方法，包括以下步骤：1)采用关系二叉树法将待喷涂的折弯类钣金零件分为多个面片并对面片进行排序编号，确定喷涂主方向以及各面片内的喷涂方向；2)考虑面片内的喷涂方向与面片间的过渡形式，完成每个面片沿面片内喷涂方向往复的S型路径规划，并对每个面片进行四角编码；3)并采用改进的模拟退火算法，完成多面片间路径组合优化，获得最终的最优规划路径。与现有技术相比，本发明具有快速分组编号、计算简单、提高效率、应用领域广等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人自动喷涂技术领域，尤其是涉及一种折弯类钣金零件机器人喷涂路径规划方法。

背景技术

喷涂机器人在自动喷涂生产线中占有重要的地位，机器人自动喷涂技术，在保证喷涂质量的同时，提高了机器人喷涂效率。机器人喷涂技术广泛应用于汽车，家私、塑胶、军工和船舶产品中。机器人喷涂技术降低了涂料的消耗量，提升了工厂的经济效益，并有效减少了污染物的产生。

喷涂成品表面的光整度取决于涂层厚度的均匀性，涂层过厚容易产生流挂、起皱、开裂等缺陷，涂层太薄容易出现粗糙、失光、露底等缺陷。涂层厚度取决于喷头的稳定喷射速度以及喷涂路径的合理规划，优化喷涂层层厚均匀性，减少浪费与工艺缺陷，不仅可提高产品合格率，还可节约涂料，有利于环境保护。

机器人自动喷涂路径规划方法主要包括以下几步：确定喷涂零件类型，进行喷涂零件表面分区，均匀喷涂零件涂层厚度，规划与优化机器人喷涂轨迹。机器人自动喷涂可用于具有平面或直纹曲面组成的折弯类钣金零件；喷涂零件分区是根据喷涂零件的表面形状特征，分解为简单形状的矩形面或圆柱面；规划与优化机器人喷涂轨迹，主要是保证零件的涂层厚度在公差范围内，合理设置喷头喷射效率与移动速度；选择最优路径以实现高效喷涂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种折弯类钣金零件机器人喷涂路径规划方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种折弯类钣金零件机器人喷涂路径规划方法，包括以下步骤：

1)采用关系二叉树法将待喷涂的折弯类钣金零件分为多个面片并对面片进行排序编号，确定喷涂主方向以及各面片内的喷涂方向；

2)考虑面片内的喷涂方向与面片间的过渡形式，完成每个面片沿面片内喷涂方向往复的S型路径规划，并对每个面片进行四角编码；

3)并采用改进的模拟退火算法，完成多面片间路径组合优化，获得最终的最优规划路径。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)根据折弯类板金表面的特点，将待喷涂的折弯类钣金零件表面分为多个平面面片和直纹面片；

12)将面积最大的面片作为喷涂主面片，并且确定喷涂主面片的长边方向为喷涂主方向；

13)采用关系二叉树法建立喷涂主面片与其它喷涂面片之间的关系和排序编号；

14)根据沿较长边为喷涂方向的原则，若与喷涂主面片相邻的面片最长边与喷涂主方向一致，则此面片喷涂方向与喷涂主方向平行，否则喷涂方向与喷涂主方向垂直。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)确定喷涂面片与相邻面片边界处的过渡形式，包括双边过渡和单边过渡，当喷涂面片沿喷涂方向只有一个相邻面时，则为单边过渡，当喷涂面片沿喷涂方向有两个相邻面时，则为双边过渡；

22)由喷涂面片的过渡形式确定喷涂面片内的喷涂行数，并根据喷涂行数调整喷涂行间距和涂层厚度；

23)分别对每个面片进行四角标号，将其四角按左上、右上、左下、右下的顺序分别标号为“0、1、2、3”，并且对编号后的片内路径进行编码，具体为：

当面片内的喷涂路径为偶数行时，此面片路径编码集合为{[0132],[1023],[2310],[3201]}，当面片内的喷涂路径为奇数行时，此面片路径编码集合为{[0123],[1032],[2301],[3210]}，其中，每个编码的首位为面片内喷涂路径的起点编号，每个编码的末位为面片内喷涂路径的终点编号；

24)根据喷涂行数和路径编码确定片内喷涂的起点和终点的组合形式，具体为：

当面片内喷涂行数为偶数行时，面片内喷涂路径的起点和终点有0进2出、1进3出、2进0出和3进1出四种方式；

当面片内喷涂行数为奇数行时，则面片内喷涂路径的起点和终点有0进3出、1进2出、2进1出和3进0出四种方式。

所述的步骤22)中，喷涂行数n的具体计算式为：

n＝int(L/(2R-d))

其中，L为面片宽度，R为喷涂半径，即喷涂最远位置距中心的距离，d为相邻两条喷涂路径重叠距离，v为喷枪喷涂速度，A为系数，k为涂料厚度最大允许误差，H_a为涂层厚度标准值；

调整后的喷涂行间距DD′的计算式为：

DD′＝2R-d+(L-n*int(L/(2R-d)))/n；

调整后的最大涂层厚度H’_max为：

调整后的最小涂层厚度H’_min为：

所述的步骤3)中：根据路径编码集合，采用改进的模拟退火算法，进行多面片间路径组合优化，最终获取喷涂路径总路程最短的喷涂路径，具体为：

31)确定喷涂路径总路程的目标函数为：

其中，j为面片路径编码集合中的一种路径编码形式，i为面片编号，m为面片总数，L_ij为面片内的编码路径路程；

32)通过模拟退火算法获取最优路径：

321)随机产生一个初始解path，将其作为当前步骤的最优路径，计算目标函数值e₀，并设置初始温度t₀、终止温度istd、降温系数lam和温度更新函数t_k＝lam*t_k-1，并令k＝1，获取面片各点间的距离fare；

322)对当前步骤k的最优路径作随机变动，产生一个新路径newpath，计算新路径的目标函数值e₁和目标函数值的增量Δe＝e₁-e₀，根据Metropolis准则，若增量Δe＜0，则接受新产生的路径newpath作为当前最优路径，若Δe≥0，则随机产生一个在[0,1]之间的随机数rand，当exp[-(e₁-e₀)/t_k]大于rand值时，采用新路径newpath代替当前路径，否则不替代；

323)重复步骤322)，针对每次循环获得的最优路径，进行比较，获取全局最短路径。

所述的步骤3)中，优化面片间路径组合的条件为：

在相邻喷涂面片边界连接处，优先选择平行-平行连接形式，其次选择平行-垂直连接形式，最后选择垂直-垂直连接形式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、快速分组编号：本发明根据折弯类板金喷涂零件表面的特点，实现在快速有效的面片分组，利用关系二叉树方法对面片进行了排序编号，考虑面片内喷涂方向与面片间过渡形式，实现钣金零件片内路径规划。

二、计算简单、提高效率：利用四角编码方法简化了面片内喷涂路径的表达，结合模拟退火算法实现了折弯类钣金零件喷涂路径的规划，本发明中所述的喷涂路径规划方法，可以在保证涂层厚度的前提下以最短的路径完成喷涂作业，提高喷涂效率。

三、应用领域广：本发明除可用于机器人喷涂领域，还可结合实际情况扩展到自动化生产线中其他领域的路径优化。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为折弯钣金喷涂样件。

图3为折弯类钣金喷涂件面片分组流程图。

图4为喷涂面片关系二叉树流程图。

图5为折弯钣金喷涂样件面片关系二叉树、面片分组及排序编号，其中，图(5a)为折弯钣金喷涂样件面片关系二叉树，图(5b)为面片分组及排序编号图。

图6为折弯钣金喷涂样件面片内喷涂方向及路径。

图7为喷涂路径示意图，其中，图(7a)为奇数行喷涂路径，面片内喷涂路径从0处开始，在2处结束；图(7b)为偶数行喷涂路径，面片内的喷涂路径从0处开始，在3处结束。

图8为模拟退火算法程序流程图。

图9为折弯钣金喷涂样件最优喷涂路径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供某折弯钣金零件机器人喷涂路径规划方法，包括以下步骤：

1)采用关系二叉树方法，实现钣金零件面片分组和排序编号，采用关系二叉树方法，实现钣金零件面片分组和排序编号的基本过程为：折弯类钣金零件表面是由多个平面和多个直纹面构成的，在进行表面喷涂路径规划时，很难实现对全部表面喷涂路径的一次规划。本专利根据折弯类钣金表面的特点，将钣金零件表面分为若干平面面片和直纹面片。通过分析所有面片特点，找出最大的喷涂面片作为喷涂主面片，主面片长边方向为喷涂主方向。利用关系二叉树方法建立喷涂主面片与其它喷涂面片之间的关系和排序编号。根据沿较长边为喷涂方向原则，若面片的最长边与喷涂主方向一致，则此面片喷涂方向与喷涂主方向平行，否则喷涂方向与喷涂主方向垂直。

如图2所示为某折弯钣金喷涂样件，根据喷涂机器人选用喷枪的结构和参数，进行喷涂实验，确定喷枪动态累积生长速率模型、喷枪距离与涂层厚度增长率的函数关系及路径间距方程。根据图3所示的折弯类钣金喷涂件曲面分组流程和图4所示的喷涂面片关系二叉树方法流程，将此折弯钣金件划分为6个面片，6个面片的关系二叉树和面片的排序编号如图5所示，其中1号面为主面片，根据主面片的最大边方向确定零件喷涂主方向，此折弯钣金零件的喷涂主方向为水平方向。根据类似方法确定其他面片的喷涂路径方向，1号面片和4号面片喷涂路径方向与喷涂主方向平行，2号面片、3号面片、5号面片和6号面片喷涂路径方向与喷涂主方向垂直。

2)根据面片内喷涂路径方向与面片间喷涂路径过渡形式，实现钣金零件片内路径规划。考虑面片内喷涂方向与面片间过渡形式，进行钣金零件片内路径规划的基本过程为：

相邻两喷涂面片的边界处，喷涂路径主要有3种连接形式，即平行-平行(PA-PA)连接形式、平行-垂直(PA-PE)连接形式、垂直-垂直(PE-PE)连接形式。PA-PA连接形式中，喷涂厚度补偿连续且均匀，PA-PE连接形式中，喷涂厚度一侧连续均匀，另一侧不连续且不均匀。PE-PE连接形式中，喷涂厚度两侧皆不连续且不均匀。所以在喷涂面片连接处，优先选择PA-PA连接形式，其次选择PA-PE连接形式，最后选择PE-PE连接形式。若某面片沿喷涂方向有两个相邻面，此面为双边过渡，若某面片沿喷涂方向只有一个相邻面，此面为单边过渡。如图5所示，本实施例中1号面片、3号面片、4号面片和6号面片是单边过渡形式的面片，2号面片和5号面片是双边过渡形式面片。

若面片为单边过渡，将余数取至无相邻面一侧；若面片为双边过渡，需调整重叠宽度d，使得单面片内喷涂路径行数n为整数，并保证涂层厚度满足设计要求。

本实施例中，喷涂模型中的喷涂半径R为5mm，涂层厚度标准值Ha为80um，涂料厚度最大允许误差k为10um，喷枪到工件表面的距离h为120mm，喷枪喷涂速度v为20mm/s。如图5(b)中的1号面片为单边过渡，重叠宽度d＝3.7mm；2号面片为双边过渡，其面片宽度L为32mm，根据最大喷涂厚度算得的相邻两条喷涂路径重迭距离d为3.7mm，喷涂间距DD＝2R-d＝6.3mm，计算路径行数公式n＝L/(2R-d)＝5.08行，喷涂行数取整为n’＝5行，则路径重迭距离修正为d’＝2R-L/n’＝3.6mm，喷涂间距DD调整为DD’＝2R-d’＝6.4mm，调整后的最大涂层厚度为75.61um，最小涂层厚度为73.73um，满足涂层厚度误差要求。结合前面已经确定的面片内的喷涂方向，完成钣金零件面片内的路径规划，最终确定的各面片的喷涂路径如图6所示；

3)根据面片分组和排序进行面片四角编码，如图7所示为本专利提出的四角编码法原理示意图。四角编码是将单个面片内规划喷涂路径中可能作为喷涂起始点的四个端点进行编码，编码由四位数字组成，第一位为本面片喷涂开始点，第四位为本面片喷涂结束点。对于某个特定的面片，如果面片内的喷涂路径为偶数行，其喷涂编码为{[0132],[1023],[2310],[3201]}，如果面片内的喷涂路径为奇数行，其喷涂编码为{[0123],[1032],[3210],[2301]}，根据四角编码方法，对6个面片进行四角编码，每个面片有四组编码，每组编码分别代表面片内一种可能喷涂路径，在对整个钣金零件进行喷涂路径规划时，只要用四角编码进行组合，简化了钣金类零件喷涂路径的规划。

4)利用模拟退火算法实现多面片间路径的组合优化，多面片路径组合可看做是旅行商问题。模拟退火算法是一种新的随机搜索方法与遗传算法、蚁群算法等近似算法相比，模拟退火算法具有描述简单、使用灵活、运用广泛、运行效率高和较少受到初始条件约束等优点。

在模拟退火算法中，根据热力学的原理，在温度为T时，出现能量差为dE的降温概率为p(dE)，表示为:

p(dE)＝exp(dE/kT)

其中k是波尔兹曼常数，且dE<0。因此dE/kT<0，所以p(dE)函数的取值范围是(0,1)。可以发现，温度越高，出现一次能量差为p(dE)的降温的概率就越大；温度越低，则出现降温的概率就越小。假定当前可行解为x，迭代更新后的解为x_new，那么对应的“能量差”定义为：

Δf＝f(x_new)-f(x)

若Δf<0则接受x_new作为新的当前解，否则以概率接受x_new作为新的当前解；如果满足终止条件则输出当前解作为最优解，结束寻优。

本发明结合四角编码利用模拟退火算法，进行多面片路径组合和优化，具体为：

喷涂路径总路程目标函数为：

其中，j为四种喷涂编码中任意一种形式。

模拟退火算法最优路径优化步骤如下：

1)随机产生一个初始解path(作为当前最优路径)，计算目标函数值pathfare(fare,path)＝e₀，并设置初始温度t₀，终止温度为istd，降温系数lam，温度更新函数t_k＝lam*t_k-1，并令k＝1，计算各点间的距离fare。

2)对当前的最优路径作随机变动，产生一个新路径newpath，计算新路径的目标函数值pathfare(fare,newpath)＝e₁和目标函数值的增量e₁-e₀。根据Metropolis准则，如果增量e₁-e₀<0，则接受新产生的路径newpath作为当前最优路径；如果e₁-e₀>＝0，rand()随机产生一个在[0,1]之间的随机数，当exp[-(e₁-e₀)/t_k]大于rand值时，采用新路径newpath代替当前路径，否则不替代。

3)重复第2步工作，针对每次循环获得的最优路径，进行比较，获取全局最短路径。

优化后的折弯钣金喷涂件的喷涂路径如图9所示，面片间喷涂路径由优化前的1549.40mm缩短为666.48mm，喷涂效率提高明显。由此说明本专利提供的折弯类钣金零件机器人喷涂路径规划方法是有效的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。