面向超大平面机器人喷涂变速度涂层厚度分布模型.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 :本文引用格式:季剑波,徐江敏面向超大平面机器人喷涂变速度涂层厚度分布模型机床与液压,():,():收稿日期:基金项目:工业和信息化部技术船舶科研项目()作者简介:季剑波(),男,硕士研究生,研究方向为轨迹规划。:。通信作者:徐江敏(),男,硕士,高级实验师,研究方向为先进制造技术。:。面向超大平面机器人喷涂变速度涂层厚度分布模型季剑波,徐江敏,(江苏科技大学海洋装备研究院,江苏镇江;江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江)摘要:针对船舶分段大平面 字形喷涂轨迹加减速段涂层厚度不均匀的问题,提出一种考虑 字形喷涂轨迹加减速段动态优化喷枪流量的方法,从而改善整个超大
2、平面的漆膜涂层厚度不均匀的问题。分析导致船舶分段超大平面两端涂层厚度明显增厚原因;在不考虑存在加减速区间的基础上建立喷枪涂层厚度分布模型,优化喷涂速度与喷涂间距,使得在考虑加减速区间时匀速段的涂层厚度满足要求;最后建立喷枪动态变流量涂层厚度分布模型,从而使得整个超大平面的涂层厚度的均匀性达到最优。以某船舶分段超大平面为例,加减速区间的加减速类型为等加速等减速,通过数值模拟与实验的方法验证了该方法的有效性与可行性。关键词:船舶分段大平面;加减速段;涂层厚度分布模型;喷枪动态变流量中图分类号:,(,;,):,:;前言喷涂机器人作为一种先进的自动化喷涂设备,被广泛应用于汽车等领域的喷涂作业中。然而目
3、前喷涂机器人应用在船舶分段喷涂作业中普及率比较低,主要的原因有船舶分段尺寸大、结构多样且一般为单件喷涂,所以大型船舶分段的喷涂主要还是采用人工的方式进行。这样的涂装方式存在着工作效率低、漆膜厚度不均匀、喷涂工人劳动强度大等缺点。针对这些情况,喷涂机器人在船舶行业中的应用近些年越来越被学者关注。目前喷涂机器人喷涂轨迹的编程主要有 种方式:即人工示教编程与离线编程。人工示教编程主要依靠示教工人的工作经验进行喷涂轨迹的示教,这样的示教方法存在着工作效率低、示教周期长等诸多问题。所以现在离线编程已经逐渐代替人工示教编程,其中喷涂轨迹的参数优化成为了众多学者研究的热点之一。曾勇等人针对不规则平面边界约束
4、的膜厚均匀性优化问题,通过优化喷涂倾角来改善边界约束喷涂后的均匀性。马淑梅等针对船舶曲面的漆膜均匀性问题,通过优化喷涂速率、喷涂高度以及轨迹间距,从而改善了漆膜厚度的均匀性。王毅等人针对空气喷枪在大平面表面喷涂时交界区涂层厚度不均匀的问题,对交界区的横向搭接率进行了优化,最终改善了交界区漆膜膜厚的均匀性。蔺梦圆等针对喷涂机器人轨迹规划过程中喷涂质量低的问题,以漆膜厚度的理论值与实际值的方差为目标函数,优化相应的参数,从而改善了喷涂的质量。刘雪梅等针对大型船舶外板表面喷涂的自动化作业,优化了平面的喷涂轨迹,求解了最佳的喷涂搭接率。基于以上内容,可以发现目前各学者研究的主要侧重点为:通过优化喷涂轨
5、迹的参数,使得喷枪匀速喷涂。但未考虑到在实际的喷涂作业中喷枪在轨迹的首末端存在加减速,使得规划的速度与实际的喷涂速度不一致,从而导致首末端涂层厚度不均匀的问题进一步恶化。并且通过一些学者的研究发现喷涂速度的不均匀对于漆膜厚度的均匀性存在较大的影响。所以本文作者针对此问题开展以下研究:首先,字形喷涂轨迹在使用优化的喷涂速度进行喷涂时,不考虑存在加减速的情况下,分析涂层厚度均匀性分布的情况;其次,通过建立不考虑存在加减速时动态涂层厚度分布模型,优化喷涂速度与喷涂间距;第三,建立存在加减速时的喷枪动态变流量喷涂厚度分布模型,最后通过开展数值模拟与喷涂实验验证该方法的有效性与可行性。问题的描述与分析目
6、前针对船舶分段超大平面(如图 所示)的喷涂常用的轨迹为 字形轨迹,理论上通过建立动态喷涂厚度分布模型优化其参数,就可以使得超大平面涂层厚度的均匀性效果比较好。但事实上按照优化的喷涂参数进行喷涂,会导致超大平面两端涂层厚度明显偏厚且不均匀,如图 所示。导致这一现象的主要原因是使用优化的喷涂参数进行喷涂时,在 字形轨迹的首末端存在加减速段,如图 所示。一般的六自由度机器人进行喷涂时,在轨迹的首末端加减速段区间比较小,这种现象不是特别明显。然而针对船舶分段的超大平面进行喷涂时,一般的六自由度机器人无法胜任,需要特定的喷涂设备进行喷涂,这就使得存在加减速段的区间明显增加,使原来的动态涂层厚度分布模型在
7、这一区间内部不适用,从而导致船舶分段超大平面两端的膜厚明显增厚。因此文中通过建立考虑加减速区间的喷枪动态变流量厚度分布模型来弥补这一缺陷。图 船舶分段超大平面 图 涂层厚度分布实测值 图 字形喷涂轨迹的速度划分示意 未考虑加减速区间的喷枪涂层厚度分布模型的建立 静态喷涂模型为了更好地理解喷涂机器人喷枪相对于船舶分段大平面的喷涂工作方式,将喷枪在船舶分段大平面的喷涂过程简化,如图 所示。机床与液压第 卷图 喷枪喷涂示意 由于静态垂直涂层生长率模型研究已较为成熟,文中不做过多阐述。设一喷枪的静态垂直喷涂涂层生长率模型为椭圆双贝塔模型,其进行喷枪瞬时定点垂直喷涂于大平面时形成的喷涂区域为一个标准的椭
8、圆形,椭圆形长短轴方向的涂层生长率均满足贝塔分布如图 所示,椭圆形区域内任意一点的厚度可以表示为(,)()()()()()其中:为椭圆区域内的生长率的最大值;为椭圆形长半轴的长度;为椭圆形短半轴的长度;、分别为长短轴的 分布系数。图 椭圆双贝塔模型 为了简化计算,取,则(,)()()()根据参考文献可知,当喷枪匀速直线进行喷涂时,则有公式:()其中:为生长率系数;为喷涂时喷枪的流量;为喷枪嘴中心垂直于喷涂表面的距离。喷枪动态模型的建立当喷枪沿着单条直线轨迹匀速进行喷涂时,在喷枪喷幅范围内部任意一点 所扫掠过的厚度为(,),喷枪在直线路径轨迹上的动态喷涂速度为,扫掠所花的时间为,为点 在单条轨迹
9、上面的投影,为点 到 在 轴上投影的距离,为喷炬的长半轴的长度,为喷炬的短半轴的长度,其示意如图 所示。图 喷枪沿直线喷涂轨迹的动态喷涂 任意一点所经过的距离 为 ()()在喷涂速度为 下,任意一点所花的时间 为()故喷枪沿直线轨迹动态喷涂的漆膜厚度可以表示为(,)(,)()相邻喷涂轨迹下漆膜均匀性的轨迹间距与喷涂速度的优化船舶分段大平面的喷涂轨迹如图 所示,由于椭圆双贝塔模型漆膜厚度的生长率满足 分布,喷涂出的效果呈现出中间厚、两边薄的特性。为了保证喷涂漆膜厚度的均匀性,在进行喷涂的过程中要考虑 条相邻的轨迹间距,使得喷枪喷出的椭圆形喷炬在长半轴方向以一定的距离 进行叠加,以满足漆膜厚度均匀
10、性的要求,以及优化出合适的喷涂速度,从而使得漆膜涂层厚度在不考虑加减速区间时的均匀性满足要求。条相邻的喷涂轨迹椭圆形喷炬的叠加示意如图 所示。()由于在匀速直线进行喷涂时,方向的轨迹涂层厚度可以视为一致,故令 代入式(),喷枪沿直线轨迹动态喷涂的漆膜厚度可以表示为()()()第 期季剑波 等:面向超大平面机器人喷涂变速度涂层厚度分布模型 则点 的厚度为()()()()()()其中:()、()分别表示相邻轨迹上点 喷涂扫掠过的涂层厚度,()与()的公式分别为()()()()()()其中:()()()()()其中:、分别表示相邻喷涂路径上喷枪在点 处的喷涂时间;、表示喷涂点 到相邻两条喷涂轨迹喷枪
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