非规则平面多边形的静电喷涂机器人变量喷涂方法

摘要

本发明公开了一种非规则平面多边形的静电喷涂机器人变量喷涂方法，首先求取最大最小喷涂图形直径，然后对平面多边形工件进行几何分析，确定喷涂起始边，沿起始边布局第一段路径，规划最优的喷涂图形直径实时变化的轨迹，最后对多边形平面进行变量喷涂。本发明可通过调节静电电压、间距、旋杯转速和平移速率等参数来优化喷涂效果。通过提高涂层的均匀度，减少涂料损失，提高经济效益，同时也可相应地减少排放到喷涂车间环境中的涂料总量，减轻环境污染。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电喷涂机器人的喷涂方法，尤其涉及对非规则平面多边形的静电喷涂机器人的变量喷涂方法。

背景技术

静电喷涂机器人是一种重要的先进涂装生产装备，在国内外广泛应用于汽车等产品的涂装生产线。对于诸如汽车、电器及家具等产品，其表面的喷涂效果对质量有相当大的影响。产品表面的色泽在相当程度上取决于涂层厚度的一致性，如果表面的涂层厚度不一致，会引起表面不光洁，并出现边缘涂料的流挂和涂料桔皮现象，而且涂层过厚的地方在使用过程中会出现皲裂倾向。早期喷涂机器人编程中普遍使用的是“人工示教法”，费时、费力、效率低下，而现在喷涂机器人大多数使用离线编程法。喷涂机器人离线编程系统主要由机器人轨迹优化模块、机器人运动轨迹生成模块、机器人程序生成模块等构成。后两个模块基本属于一般工业机器人离线编程系统中的常规模块，而喷涂机器人轨迹优化模块远比一般的工业机器人复杂。喷涂机器人的喷涂效果与机器人的运动轨迹、被涂工件表面形状、喷枪参数等诸多因素有关。尤其是静电喷涂机器人，由于存在电场的作用，影响喷涂效果的因素更多。

变量喷涂轨迹优化技术是一种新型的喷涂技术，它是根据工件的形状，结合旋杯移动速率、转速、静电电压、旋杯与工件间距(下面简称“间距”)等喷涂参数，规划出机器人的最佳轨迹，能克服现有喷涂机器人在非规则平面上喷涂不均匀的缺点，得到更佳的喷涂效果。

发明内容

本发明的目的在于利用静电喷涂机器人的静电电压、旋杯转速、间距和平移速率等工况参数对喷涂图形、涂层生长率、涂料沉积率和涂料转移率等的影响，提出一种专门针对非规则平面多边形的静电喷涂机器人变量喷涂方法，以提高非规则平面多边形工件边沿涂层的均匀度、喷涂质量、喷涂效率以及涂料转移率。

本发明采用的技术方案是：根据工件的形状，结合旋杯移动速率、转速、静电电压、旋杯与工件间距等喷涂参数，规划出机器人的最佳轨迹，首先求取最大最小喷涂图形直径，然后对平面多边形工件进行几何分析，确定喷涂起始边，沿起始边布局第一段路径，规划最优的喷涂图形直径实时变化的轨迹，最后对多边形平面进行变量喷涂。

本发明可通过调节静电电压、间距、旋杯转速和平移速率等参数来优化喷涂效果。通过提高涂层的均匀度，减少工件表面的涂料量，提高经济效益，同时也可相应地减少排放到喷涂车间环境中的涂料总量，减轻环境污染。

附图说明

图1为静电电压和间距的关系示意图；

图2为电压与沉积率关系曲线图；

图3为电压与喷涂图形关系示意图；

图4为静电喷涂涂层质量与工况参数变化示意图；

图5为非规则多边形平面的变量喷涂轨迹的规划步骤示意图；

图6为多边形平面工件；

图7为非变量喷涂轨迹示意图；

图8为变量喷涂轨迹示意图。

具体实施方式

1、静电喷涂涂层质量与工况参数的关系

1)静电电压和间距的关系

静电电压通常直接通过旋杯口输出，则静电电压与间距、喷涂过程中雾粒的荷质比、被喷工件表面的涂料沉积率以及喷涂图形的形状之间存在密切关系。

当静电电压一定时，为防止击穿空气和喷雾介质，间距极限值可表示为

L₁＝0.5U(对空气介质)

L₂＝2.5U(对喷雾介质)

式中：L为间距极限值(mm)，U为静电电压(kV)。

在正常工作过程中，喷枪与工件间的最小击穿电压和间距的关系如附图1所示，纵轴为静电电压，横轴为间距，阴影部分为正常工作的区域。

2)静电电压和沉积率的关系

当间距、涂料流量恒定时，静电电压和涂料在工件上的沉积率如附图2所示，电压越高，沉积率越高。在实际应用中，静电喷涂电压宜选取80kV以上。根据大量使用状况表明，当静电喷涂电压为85kV时，间距常用范围为：喷涂大面积工件时，其距离为260～350mm；喷涂小面积工件时，其距离为240～300mm。

3)静电电压和喷涂图形的关系

当间距、旋杯转速、涂料流量和涂料的粘度等参数保持一定的情况下，静电电压与工件表面喷涂所形成的图形如附图3所示，在实际使用中，通常要求形成的喷涂图形的外径大，而中间空白部分内径小。

4)间距与涂层生长率、喷涂图形的关系

当静电电压、旋杯转速、涂料流量和涂料粘度等参数保持一定的情况下，间距主要影响涂层生长率和喷涂图形大小。通常增加间距，则涂层生长率变小，喷涂图形变大，因此，喷涂过程中，调整旋杯与工件间距，有利于改善喷涂质量。

5)旋杯转速的影响

旋杯转速是影响喷涂雾化程度的重要因素，通常转速范围选为1400～5600rev/min。提高旋转速度，可提高涂料雾化度。转速过低时，雾粒微粒太粗，涂层均匀性将降低，同时雾粒表面积与体积比减小，雾粒在杯口切线方向运动距离变长，使喷涂图形直径增大；转速过高时，雾粒过细，将提高涂层均匀性，同时其表面积与体积比增大，使喷涂图形直径减小。

6)平移速率的影响

在通常情况下，平移速度与涂层生长率成反比，但是，由于涂料导电能力一般较弱，当工件表面已经形成一定厚度的涂层后，由于带电粒子的排斥作用，涂料沉积率将下降。

综上所述，静电喷涂涂层质量与工况参数存在附图4所示关系：

2、变量喷涂中喷涂图形直径最大值(Dmax)和最小值(Dmin)的获取方法

由上述可知，调节静电电压、间距、旋杯转速和平移速率可以在一定范围内改变沉积率、涂层生长率、涂层均匀性、喷涂图形直径。在满足喷涂质量的前提下允许的最大最小喷涂图形直径可分为以下几步获得：

第一步、由附图4知，静电喷涂的涂料沉积率(Ratio)主要通过旋杯的静电电压(U)和旋杯与被涂工件表面的垂直距离(L)来调节。以附图1和附图2的沉积率与电压和间距的关系曲线为参考，进行喷涂试验，记录几组当前工况下的试验数据，通过数据拟合得出涂料沉积率的数学模型如公式(1)所示。

Ratio＝f₁(U，L)              (1)

第二步、由附图4知，工件表面某一点的涂层生长率(q)主要通过旋杯的静电电压(U)、旋杯与被涂工件表面的垂直距离(L)以及旋杯的平移速率(v)来调节。在第一步的工况下，通过调节参数U、L、v进行涂层生长速率的测量试验，记录几组当前工况下的试验数据，通过数据拟合得出涂层生长率的数学模型如公式(2)所示。

q＝f₂(U，L，v)               (2)

第三步、由附图3和附图4知，喷涂图形直径(D，d)主要通过旋杯的静电电压(U)、旋杯与被涂工件表面的垂直距离(L)以及旋杯的旋转速率(w)来调节。在第一步的工况下，通过调节参数U、L、w进行喷涂图形直径的测量试验，记录几组当前工况下的试验数据，通过数据拟合得出喷涂图形直径的数学模型如公式(3)和(4)所示，从而方便建立喷涂图形直径外径大内径小的喷涂参数。

D＝f₃(U，L，w)          (3)

d＝f₄(U，L，w)          (4)

第四步、由于喷涂图形范围内的涂层生长速率存在非一致性，因此喷涂图形的重叠系数(a)直接决定喷涂路径正叫方向的涂层均匀性(S)，而沿路径方向的涂层均匀性主要由平移速率(v)和涂层生长速率(q)决定。在第一步的工况下，通过调节参数U、L、v进行喷涂试验，记录几组当前工况下的试验数据，通过数据拟合得出涂层均匀性的数学模型如公式(5)所示。

s＝f₅(U、L、v、a)       (5)

第五步、把沉积率、涂层均匀性和涂层厚度等参数代入到公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，求出静电电压、间距、旋杯转速、平移速率和喷涂图形的重叠系数等工艺参数在允许范围内变化时，喷涂图形直径的最大值(Dmax)和最小值(Dmin)。

3、非规则多边形平面的变量喷涂轨迹的规划步骤

对任意非规则多边形平面进行轨迹规划，如附图5所示

第一步、计算被涂多边形的各个边长，找出最长的两个边B₁和B₂。

第二步、比较两边B₁和B₂的长度，如果长度相差较大(判断标准在规划过程中根据具体工况而定)，则选取最长边作为起始边；否则，再分别求边B₁和B₂与邻边的夹角θ₁₁、θ₁₂、θ₂₁、θ₂₂，选取两个相邻夹角更接近直角的边为起始边。如果均接近直角，则取较长边为起始边。

第三步、计算多边形各个顶点到起始边的垂直距离。

第四步、根据第三步的结果，按照第一段路径平行于起始边，且路径最短和涂料损失率最小的原则选取每段喷涂路径的最佳喷涂图形直径Dopt(p)，其中Dmax>Dopt(p)>Dmin，p＝(x，y)为喷涂图形的中心点的坐标，所有的中心点构成工件上的最优路径。

以下通过实施例进一步说明本发明，其中实施例1是没有采用本发明变量喷涂方法的对照实施例，实施例2采用本发明的变量喷涂方法：

实施例1

如附图6所示多边平面工件：AB＝800mm，BE＝3000mm，DE＝1000mm，CD＝1400mm，AC＝1612mm，AB⊥BE，DE⊥BE，CD⊥DE；设满足喷涂指标的最大最小喷涂图形的外直径为：Dmax＝500mm，Dmin＝400mm。

在不考虑喷涂图形重叠的情况下，通过调节静电电压、间距、旋杯转速和平移速率使得图形外径D＝Dmax，对附图6所示工件进行非变量喷涂，机器人的喷杯轨迹(TCP)如附图7中虚线段abcd所示，路径长度S₀＝2×ab+2×ac＝8000mm。假定喷涂图形内单位面积的涂层厚度一定，假设为1mm，则消耗的涂料C₀＝1×(2×ac×ab+ac×Dmax+π×Dmax2/4)＝3946350mm³。

实施例2

在实例1的条件下对附图6所示工件进行变量喷涂。由AB＝800mm，BE＝3000mm，DE＝1000mm，CD＝1400mm，AC＝1612mm，AB⊥BE，DE⊥BE，CD⊥DE；最大最小喷涂图形的外直径为：Dmax＝500mm，Dmin＝400mm。由附图5的步骤规划变量喷涂轨迹如附图8所示：BE边作为起始边；路径de//平行BE且相距250mm；线段ef与BE不平行，f点都直线BE的垂直距离为200mm；af＝400mm，cd＝500mm，af//AB且相距200mm，cd//ED且相距250mm，bc//CD，bc＝de；路径bcde段的图形直径为500mm，路径af段的图形直径为400mm，b到a直径逐步由500mm减到400mm，e到f直接逐步由500mm减到400mm。af＝400mm，ab＝1806mm，cd＝500mm，bc＝de＝CD+Dmax/2＝1650mm，ef＝1801mm。

变量喷涂的路径长度S1＝ab+bc++cd+de+ef+fa＝7087mm。

消耗的涂料在轨迹bcde段为矩形，abef段为梯形，C1＝1625×2×Dmax+Dmax×Dmax/2+π×Dmax2/8(BE-CD+Dmin/2)×(Dmax+Dmin)+Dmin×Dmin/2+π×Dmin2/8＝3611006mm3

通过比较实施例1和实施例2得出：变量喷涂机器人路径少913mm，约11.4％；节省涂料335344mm3，约8.3％。可见变量喷涂具有明显的提高效率、降低成本、减少空气污染的效果。