基于bézier曲线曲面的自动喷涂轨迹优化概述

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1、基于Bézier曲线曲面的自动喷涂轨迹优化概述第一章绪论1.1课题研究背景和意义自动喷涂设备作为一种高端智能制造装备，在工业生产中的研究与应用也越来越广泛。自动喷涂设备是自动地对金属和非金属表面覆盖保护层或装饰层，以智能化代替人工劳力的专用工具。自动喷涂设备主要优点包括：(1)应用范围广，能够适用于各种场合，喷涂效果好，效率高；（2)可实现数字化系统控制，可存储程序资料，改变喷涂参数，实现图形化显示界面；（3)喷涂调试过程方便，程序编写是以工件某一个表面作为一个整体程序段，避免了以往繁琐的程序清单；（4)配合工件旋转式底盘或台链式输送机，可获得局效率高品质的

2、产品。在所有自动喷涂设备中，最为常用的就是喷涂机器人（spraypaintingrobot)，它是在经过编程系统编程后，伺服电机驱动机械臂的各个关节进行运动，通过末端执行器自动喷出涂料或者是其他加工材料的工业机器人。国外对喷涂机器人的研究较早，目前已进入产业化阶段。在我国，喷涂机器人系统方面的研究起步较晚，现在国内的制造企业在生产中基本上还是引进国外喷涂机器人。2014年最新统计资料显示，现阶段国外进口的喷涂机器人已经占到国内市场90%以上，瑞士ABB、日本发那科、安川、德国库卡四家公司合计占据约80%的市场份额。图1.1是应用在汽车制造工业中的瑞士ABB多

3、机器人自动喷涂生产线。以前的自动喷涂设备多采用人工示?编程方式，示教编程在技术实现上比较简单，但费力、效率低下且精度差。目前，离线编程方式已经成为自动喷涂设备中最为常用的编程方式。在自动喷涂设离线编程系统中，先对喷涂工件进行造型，再通过建立合适的喷涂模型并对末端执行器运动轨迹进行优化，从而保证涂层厚度的均匀性，减少涂料总量，降低喷涂成本，提高喷涂效率，最后在离线编程系统中进行仿真并将程序下载到喷涂设备本体中进行喷涂作业。..1.2自动喷涂轨迹优化技术研究发展自动喷涂设备离线编程系统的结构主要包含以下六大模块[3]:工件造型模块、参数设置模块、轨迹生成模块、运

4、动轨迹生成模块、分析仿真模块和喷涂设备程序生成模块，自动喷涂设备离线编程系统结构如图1.2所示。在实际工业生产中，工件曲面造型是在自动喷涂离线编程中的第一步。为了保证后面的喷涂轨迹优化工作的顺利完成，如何对千变万化的喷涂工件表面进行分析，寻找到一种合适的曲面造型方法并快速得到工件曲面的CAD数据是十分重要的。工件曲面造型完成之后，下面的工作就是进行参数设置并对自动喷涂轨迹进行规划。由于喷涂作业的特殊性，自动喷涂设备离线编程系统中轨迹生成模块远比一般的数控自动化系统轨迹生成模块要复杂，其喷涂轨迹与被涂工件表面形状、静电电压、末端执行器运动轨迹、运动速度、末端执

5、行器参数、喷涂距离、油漆流量、整流空气等诸多因素有关。因此，在现有技术水平下使用直接方法找出一条比较理想的最优喷涂轨迹是十分困难的事情。由于在笛卡尔坐标系中，喷涂轨迹上的离散点是一个六维向量（包括位置和方向），且喷涂模型中的影响参数较多。在此情况下，如果直接用数学式子表示自动喷涂轨迹优化问题会十分复杂，且求解过程也十分繁琐与困难，容易导致系统实时性变差。因此，对于自动喷涂轨迹优化工作而言，通常采取的方法就是先找到工件表面上的自动喷涂空间路径，再找出沿指定空间路径的最优时间序列，即末端执行器以怎样的速度沿指定空间路径喷涂作业时，工件表面涂层厚度一致性最高且喷涂

6、时间最短。由此可见，使用合适的方法规划出自动喷涂空间路径是自动喷涂轨迹优化工作的基础，且喷涂空间路径的优劣直接影响了最终的喷涂效果和效率。.第二章喷涂工件Bézierr曲面造型研究2.1预备知识在实际工业生产中，工件曲面造型是自动喷涂轨迹优化工作的第一步。喷涂工件的表面结构千变万化，可能简单也可能十分复杂，因此现在还没有一套能够适用于各种喷涂工件的曲面造型方法。为了保证后面的喷涂轨迹优化工作顺利完成，对待喷涂工件表面几何特征进行分析，寻找到一种合适的曲面造型方法就显得尤为重要。现在，工业生产中实际使用的喷涂工件曲面造型方法，主要有以下三类：该方

7、法是指在离线编程系统数据库中已经有了工件的CAD模型数据，在对该CAD数据迸行简单处理后，获取工件表面的形状数据，就可以规划出自动喷涂轨迹。具体操作时，主要是直接使用三角网格划分法对工件曲面进行造型。该方法的优点是：在现有的各种数学方法和工程CAD软件的支持下，建模方法比较简单，三角划分比较容易实现且对每个三角面的位置和面积数据等都比较揚于分析[76_78]。而缺点是不能反映出喷涂工件的相关材料特性，由于喷涂涂料的沉积模型特性与工件材质有一定关系，因此为了得到更为精确的喷涂模型，有时需要考虑工件材质问题；另一缺点是工件曲面进行三角划分后，网格数据容易出现错误

8、，例如丢失网格或重叠网格计算等等，并且工件曲面越大，