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自由曲 面多变量连续喷涂机器人工艺参数及步骤

近年来,喷涂机器人因其喷涂效率高、轨迹精度高、重复性好等特点而得到了广泛 的应用,随着机器人喷涂应用领域的拓展和深入,工件形状越来越复杂,对喷涂厚度和均匀 性的要求也越来越高,如何合理规划机器人喷涂轨迹,优化工艺参数,充分挖掘机器人的潜 能,提高喷涂作业质量,成为喷涂机器人要面对的重要课题。


传统的机器人喷涂方法将在整个喷涂作业过程中工艺参数保持恒定不变作为基 本原则,以保证喷涂质量的稳定性,方法是:在喷涂开始前,调节空气调压阀精确设定雾化 和喷幅压力,调节涂料调压阀设定喷枪流量,由喷涂机器人携带自动喷枪以垂直于工件表 面、恒定的喷涂距离和喷涂速度对工件表面进行连续喷涂。而事实上,现代先进喷涂机器人 不但可实现喷涂速度的连续控制,还配备了齿轮泵或气动比例阀等装置,可以实现喷枪流 量的实时调节。而且,在喷涂复杂型面产品或内腔、拐角等区域时,为了防止发生碰撞,客观 上也很难保证喷涂距离的恒定。因此,若能够将喷涂距离、喷枪流量、喷涂速度等重要工艺 参数均作为变量进行组合优化,在喷涂过程中实现动态调节,可以极大的增加喷涂轨迹的 优化空间,对于确保喷涂作业安全、提高机器人喷涂作业效率和喷涂质量具有明显的价值 和意义。


针对传统机器人喷涂方法中将工艺参数视为常量,限制了喷涂轨迹优化空 间的局限性,提出了一种多参数时变机器人喷涂方法,将喷涂距离、喷涂速度和喷枪流量等 工艺参数视作变量,在将待喷涂表面和喷涂路径离散化的基础上,通过多变量喷涂模型和 自由曲面涂层厚度预测方法获得每段子路径上的工艺参数,实现了喷涂过程中工艺参数的 实时改变和动态优化,可以有效改善复杂曲面的喷涂厚度和均匀度控制精度。


方法包括以下步骤:

 1) 建立以多种喷涂工艺参数为模型自变量的自由曲面多变量喷涂模型; 

2) 将待喷涂表面离散化为点云,将原始喷涂路径离散化为若干段微小子路径,为每段 子路径的时变喷涂工艺参数进行初始化赋值,基于所提多变量喷涂模型对初始涂层厚度分 布进行预测; 

3) 基于涂层厚度分布预测结果,以涂层厚度、均匀性为优化目标对每段子路径上的时 变喷涂工艺参数进行优化,最终得到待喷涂表面的多参数时变喷涂路径。多参数时变机器人喷涂方法,以喷枪流量、喷涂 距离、喷涂速度为时变喷涂工艺参数。

多参数时变机器人喷涂方法自由曲 面多变量喷涂模型是以喷枪流量、喷涂距离、喷涂速度为模型自变量的自由曲面椭圆双3 多变量涂层沉积速率模型:

其中,T (X,y, z)是喷枪雾锥范围内自由曲面上任意一点S的涂层沉积速率,(X,y, z) 在点S在喷幅中心局部坐标系OXYZ下的坐标,局部坐标系OXYZ以喷枪喷幅中心O为坐标 原点,以喷枪轴线方向为Z轴,以喷枪前进方向为X轴,^nas是基准涂层沉积率系数,Citl是基 准喷涂流量,Cltl是基准喷涂距离,%,Idci分别是基准喷涂距离下的喷幅椭圆长短轴长度,q是 当前喷枪流量,d是当前喷涂距离" 0是S与喷枪喷嘴连线与喷幅中心局部坐标 系Z轴的夹角,a是点S表面法矢n(s)与喷幅中心局部坐标系Z轴的夹角,P2为3 分布系数; q。,' %和k可通过喷涂实验测得,@ r P 2和<_可通过在不同工艺参数下进行多次 平板直行喷涂实验,测得涂层剖面厚度分布数据后通过最小二乘拟合获得:其中爲)是根据所提模型推导出的涂层厚度关于P2和1的函数表达 式,flc)是实测出的中心距为C处的涂层剖面厚度,[vmin,v_]是许用喷涂速度调节范围, [dmin,dmax]是许用喷涂距离调节范围,[qmin,q max]是许用喷枪流量调节范围,[Pmin, U是 3参数优化取值范围,[ti,t2]是基准涂层沉积系数取值范围; 点S是否处于喷枪雾锥范围内的判断公式是

4. 涂 层厚度预测方法是: 首先,犾取待嗔涂表面和其原始嗔涂路径,将待嗔涂表面尚散化为点z?,用Q = [si,...,si,...,sJ 表不,si(l

5. 步骤3)中每 段子路径上的可变喷涂工艺参数优化方法为: 首先,对时变喷涂工艺参数进行初始化赋值,令每段微小子路径A Sjl < j

路径上的喷涂距离进行优化,方法是:对于第j段子路径 A S X (I < j < m),根据路径起始点坐标、法矢和初始喷涂距离Cltl计算喷枪位置,利用成熟 碰撞检测算法进行干涉检查,判断喷枪是否与待喷涂表面、周围环境存在干涉,如是,则在 喷枪有效喷涂距离内增大或减少喷涂距离后再次进行干涉检查,反复执行上述步骤直到消 除干涉,得到每段微小子路径上的最优喷涂距离; 进而,对全部喷涂路径上的喷涂流量进行优化,方法是:在优化喷涂距离的基础上,基 于所提涂层厚度分布预测方法计算出待喷涂表面的平均厚度*并根据

计算出整个喷涂表面上全部子路径的最优喷涂流量q,其中f〇为期望涂层厚度,喷枪 流量调节范围[qmin,qmax]由喷涂实验确定; 最后,对每段微小子路径上的喷涂速度进行两步式优化,方法是:


第一步,利用所提涂 层厚度分布预测方法计算出喷枪流量优化后待喷涂表面的平均厚度Pn,如果仍然没有得 到期望涂层厚度,则通过对整个喷涂表面上全部子路径的喷涂速度V进行初步优化,其中喷涂速度调节范围 [Vmin,VmaJ由嗔涂机器人性能决定; 

第二步,利用所提涂层厚度分布预测方法计算出初步喷涂速度优化后待喷涂表面上所 有离散点的厚度〇 i (I < i < n),通过求解带不等式约束的最小二乘问题对优化每一段子路径A S < j < m)上的喷涂速度以改善涂层均匀性,其中a_为 喷枪许用加速度的最大值,由喷涂机器人性能决定。


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