一种边界约束喷涂轨迹规划边界约束距离值的设定方法

摘要

本发明公开一种边界约束喷涂轨迹规划边界约束距离值的设定方法。该方法包括以下步骤：基于建立的喷枪变位姿静态喷涂模型，构建喷枪沿圆弧路径的动态喷涂模型；以工件边界处满足允许的最低涂膜厚度为要求，对边界约束距离进行定义，并分别阐明边界曲线的曲率半径、喷涂高度和喷涂倾角对边界约束距离的影响规律；根据待喷涂工件表面的边界曲线形状，设定统一边界约束距离值，以确保边界处的涂膜厚度质量处处都满足要求。本发明可在离线编程规划边界约束喷涂轨迹时，快速设定边界约束距离值，再通过对待喷涂工件表面规划边界约束喷涂轨迹，并对喷涂过程中的喷涂速率、喷涂高度和倾角进行优化，可实现喷涂质量、喷涂效率和涂料利用率的同时提升。

说明书

技术领域

本发明公开了一种边界约束喷涂轨迹规划边界约束距离值的设定方法，具体涉及喷涂机器人离线编程喷涂轨迹规划，属于自动化控制技术领域。

背景技术

由于喷涂机器人离线编程方法具有编程周期短、能规划复杂喷涂轨迹等优点，越来越多地被运用在诸如汽车、船舶和航空航天等领域的机器人喷涂轨迹规划中。离线编程系统中的喷涂路径规划结果是决定喷涂效果、喷涂效率和涂料利用率的关键因素，对生产具有重要的意义。

以往的喷涂路径规划方法只是一味的追求满足喷涂质量，追求规划喷涂路径时往往忽略工件表面的边界约束，致使工件边界处过喷现象严重，导致喷枪在工件边界处喷涂时产生大量的涂料浪费，且喷涂效率也不高。而规划边界约束喷涂路径，其关键是根据工件表面边界曲线形状合理设定边界约束距离值，以确保边界处的涂膜厚度满足质量要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种边界约束喷涂轨迹规划边界约束距离值的设定方法，为了保证生成的边界约束喷涂轨迹在边界处的涂膜厚度满足质量要求，首先要建立喷枪沿曲线路径的动态喷涂模型，然后根据涂膜厚度质量要求，阐明边界曲线形状、喷枪位姿(喷涂高度和喷涂倾角)对边界约束距离的影响规律，实现对边界约束距离取值范围的预测，最后根据工件表面边界曲线形状，以满足边界处涂膜厚度质量为要求，对边界处约束距离的统一值进行设定。

一种边界约束喷涂轨迹规划边界约束距离值的设定方法，包括以下步骤：

步骤1，基于建立的喷枪变位姿静态喷涂模型，构建喷枪沿圆弧路径的动态喷涂模型，所述喷枪的喷炬空间形状为圆锥体；

步骤2，以工件边界处满足允许的最低涂膜厚度为要求，对边界约束距离进行定义，并分别阐明边界曲线的曲率半径、喷涂高度和喷涂倾角对边界约束距离的影响规律；

步骤3，根据待喷涂工件表面的边界曲线形状，设定统一边界约束距离值，以确保边界处的涂膜厚度质量处处都满足要求。

作为改进的是，步骤1中基于建立的喷枪变位姿静态喷涂模型，构建喷枪沿圆弧路径的动态喷涂模型，具体步骤如下：

101、基于一种喷炬空间形状为圆锥体的抛物线模型，所述抛物线模型表示为：

其中，A为常量；

当喷枪以静态倾角喷涂时，在平面上形成的喷幅形状为椭圆，其中椭圆的长轴a和短轴 b分别为：

其中，a

102、当喷枪沿圆弧路径轨迹动态喷涂时，设圆弧路径半径为r，圆弧的曲率中心为O′，喷枪速率方向为圆弧路径的切线方向，喷枪在圆弧路径轨迹上的动态喷涂速率为v，喷幅范围内任意一点S上的喷涂速率为v

式(6)中，任意点S上的喷涂速率及其所在y轴坐标值分别为：

点S被喷枪扫掠过的弧长

式(7)、(8)和(9)中的r

r

式(12)中的q和j分别为：

将式(8)代入式(6)中，即可得到喷幅范围内任意点S的涂膜厚度的模型。

作为改进的是，步骤2中以工件边界处满足允许的最低涂膜厚度为要求，对边界约束距离进行定义，并分别阐明边界曲线曲率半径、喷涂高度和喷涂倾角对边界约束距离的影响规律，包括如下步骤：

201、设涂膜厚度目标值为T

由公式(15)可知，喷涂速率v、喷涂倾角α和喷涂高度H满足特定函数关系，若已知其中一个参数，通过求解上述方程组即可求得其余两个参数；

202、边界约束喷涂路径是基于工件边界曲线向工件表面内部内缩一定的边界约束距离值生成的，边界曲线比喷涂路径在曲率半径上大一个边界约束距离的值，其值的合理设定直接影响到边界处的涂膜厚度质量是否满足要求；

设工件表面上任意一点的涂膜厚度要求满足T

有益效果：

与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明可在离线编程规划边界约束喷涂轨迹时，快速设定合理的边界约束距离值，以达到确保边界处涂膜厚度满足质量要求的目的，在此基础上，通过对待喷涂工件表面规划边界约束喷涂轨迹，并对喷涂过程中的喷涂速率、喷涂高度和倾角进行优化，可实现喷涂质量、喷涂效率和涂料利用率的同时提升。

附图说明

图1为喷炬空间模型和涂料沉积模型，(a)喷炬的空间模型，(b)涂料沉积模型；

图2为喷枪沿圆弧路径轨迹动态喷涂的轨迹；

图3为喷枪位姿和喷涂轨迹曲率半径对边界约束距离的影响，(a)为喷涂倾角，(b)为喷涂高度，(c)为喷涂轨迹曲率半径；

图4为边界约束距离随边界曲线曲率半径变化曲线，(a)为d

图5为边界约束距离随喷涂倾角变化曲线，(a)为d

图6为边界约束距离随喷涂高度变化曲线，(a)为d

图7为不同边界曲线曲率半径下的边界约束距离随喷涂高度和倾角的变化规律。

具体实施方式

一种边界约束喷涂轨迹规划边界约束距离值的设定方法，包括以下步骤：

步骤1，基于建立的喷枪变位姿静态喷涂模型，构建喷枪沿圆弧路径的动态喷涂模型，所述喷枪的喷炬空间形状为圆锥体；

步骤2，以工件边界处满足允许的最低涂膜厚度为要求，对边界约束距离进行定义，并分别阐明边界曲线曲率半径、喷涂高度和喷涂倾角对边界约束距离的影响规律；

步骤3，根据待喷涂工件表面的边界曲线形状，设定统一边界约束距离值，以确保边界处的涂膜厚度质量每个点都满足要求。

对于步骤1中基于建立的喷枪变位姿静态喷涂模型，构建喷枪沿圆弧路径的动态喷涂模型，具体步骤如下：

101、基于一种喷炬空间形状为圆锥体的抛物线模型，所述抛物线模型为：

其中，A为常量(对于不同流量的喷枪而言，A的取值是不一样的，对于某一固定流量的喷枪而言，A是固定值)，涂料沉积模型如图1(b)所示。

当喷枪静态倾角喷涂时，在平面上形成的喷幅形状为椭圆，其中椭圆的长轴a和短轴b 分别为：

其中，a

102、在图2中，设圆弧路径半径为r，圆弧的曲率中心为O'，当喷枪沿圆弧路径轨迹动态喷涂时，喷枪速率方向为圆弧路径的切线方向，喷枪在圆弧路径轨迹上的动态喷涂速率为 v，喷幅范围内任意一点S上的喷涂速率为v

当喷枪沿圆弧路径轨迹动态喷涂时，在同一段圆弧上喷枪在切线方向的喷涂速率是不变的，故这里可假设喷枪固定不动，喷涂过程可看作是椭圆形喷幅范围内任意点S绕O'′点做的匀速圆周运动，因此任意点S通过椭圆形喷幅范围的时间为

式(6)中，任意点S上的喷涂速率及其所在y轴坐标值分别为：

点S被喷枪扫掠过的弧长

式(7)、(8)和(9)中的r

r

式(12)中的q和j分别为：

将式(8)代入式(6)中，即可得到喷幅范围内任意点S的涂膜厚度具体表达式。

上述提到的静态倾角喷涂是指喷枪与平面形成一定的倾角后相对于平面静止喷涂，沿圆弧动态喷涂是指喷枪相对于表面是运动的。

步骤2中，所述的以工件边界处满足允许的最低涂膜厚度为要求，对边界约束距离进行定义，并分别阐明边界曲线曲率半径、喷涂高度和喷涂倾角对边界约束距离的影响规律，包括如下步骤：

201、设涂膜厚度目标值为T

由式(15)可知，喷涂速率v、喷涂倾角α和喷涂高度H满足特定函数关系，若已知其中一个参数，通过求解上述方程组即可求得其余两个参数；

202、边界约束喷涂路径是基于工件边界曲线向工件表面内部内缩一定的边界约束距离值生成的，边界曲线比喷涂路径在曲率半径上大一个边界约束距离的值，其值的合理设定直接影响到边界处的涂膜厚度质量是否满足要求。

设工件表面上任意一点的涂膜厚度要求满足T

以目标涂膜厚度T

根据正交实验原理，分别固定H、r和α三个参数中的两个，以第三个参数为自变量，边界约束距离为函数，分别分析喷枪位姿和喷涂路径曲率半径对边界约束距离的影响规律，由于边界处的喷涂路径是通过边界曲线内缩一个边界约束距离生成的，这里设边界曲线曲率半径为r

图4、图5和图6分别表示了边界曲线曲率半径、喷涂倾角和喷涂高度对边界约束距离的影响规律曲线。

由图4、图5和图6可知，在喷枪位姿固定不变的前提下，边界约束距离随边界曲线曲率半径总体呈幂函数变化关系，其中当边界曲线曲率半径大于400mm时，边界约束距离随边界曲线曲率半径几乎呈线性变化关系。在喷涂高度和边界曲线曲率半径固定不变的前提下，边界约束距离随喷涂倾角呈线性变化关系。在喷涂倾角和边界曲线曲率半径固定不变的前提下，边界约束距离随喷涂高度亦呈线性变化关系。

根据图4、图5和图6，可阐明不同边界曲线曲率半径下的喷枪位姿对边界约束距离的影响规律，如图7所示，由此可在喷枪位姿的可变范围内，预测出不规则平面上任意曲率半径边界处的边界约束距离最小值和最大值，分别令其为d

对于任意的不规则平面而言，其边界曲线可近似看作是若干个直线段和圆弧段的组合，由上述分析可知，边界曲线中若有N个不同曲率半径的边界段，在喷枪位姿固定不变的前提下，理论上则有N个边界约束距离值，为了在边界处生成光滑连续的喷涂路径，可在边界处取统一的边界约束距离值。

为了确保边界处任何位置的涂膜厚度均能满足质量要求，在获得所有边界段边界约束距离值的取值范围基础上，取其中的最小值作为统一边界约束距离值，如下式所示：

在边界曲线曲率半径方向上，将面片边界曲线向面片内部统一偏置边界约束距离d

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。