基于涂层厚度模型的机器人喷涂轨迹规划研究.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 :本文引用格式:齐淑林,郑权,赵晨辉,等基于涂层厚度模型的机器人喷涂轨迹规划研究机床与液压,():,():收稿日期:作者简介:齐淑林(),男,工程师,主要从事轨道车辆涂装工艺及自动化技术应用工作。:。通信作者:郑权(),男,硕士研究生,主要从事机器人自动化加工工作。:。基于涂层厚度模型的机器人喷涂轨迹规划研究齐淑林,郑权,赵晨辉,孙禹,夏海渤,姜代荀(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛;无锡中车时代智能装备研究院有限公司,江苏无锡;华中科技大学,湖北武汉)摘要:为了实现大型复杂曲面的喷涂轨迹规划,提出一种基于涂层厚度模型的高铁白车身机器人喷涂轨迹规划方
2、法。基于静态涂层厚度的椭圆双 分布模型,分析喷涂的累计涂层厚度分布规律,提出一种用于评估相对不均匀性的指标,并基于 指标,通过轨迹重叠的方式保证了涂层厚度的一致性。通过曲曲面的分割与合并,实现了喷涂区域的划分,同时基于包围盒法确定了机器人喷涂路径点空间坐标信息。实验结果表明:基于涂层厚度模型的轨迹规划方法能够有效保证喷涂效果的均匀性,并成功应用于高铁白车身的机器人喷涂加工,显著提升了喷涂质量与效率。关键词:机器人喷涂;轨迹规划;曲面分割;涂层厚度模型中图分类号:,(,;,;,):,:;前言高铁涂装是高铁制造过程中的一道重要工序,以满足轨道车辆美观、平整和色彩等需求。长期以来,喷涂这项工作均由人
3、工来完成。但是人工喷涂具有效率低、喷涂表面一致性差等诸多缺点,同时喷涂现场的恶劣环境容易对工人的身体健康造成巨大的安全隐患。随着机器人技术的发展,在越来越多的领域,机器人自动喷涂逐渐代替了人工喷涂。且相较于人工作业,机器人自动喷涂精度高、效率高、稳定性好,且能够连续作业。在机器人喷涂过程中,喷涂轨迹的规划对喷涂质量具有较大的影响,目前机器人喷涂轨迹规划主要有人工示教和自动轨迹规划。而人工示教对操作人员技术水平要求高,且难以实现对复杂大型构件轨迹的手动示教,因此相关学者对轨迹的自动规划做了大量的研究。于 年提出基于 的离线编程系统,根据给定的工件 模型生成了离线喷涂路径。、于 年根据喷涂实验建立
4、了涂层厚度分布模型,提出了平面喷涂的轨迹优化方法,并通过实验进行了验证。、通过视觉技术实现了点到点之间的半自动离线规划和编程。黄勇、徐爽通过对 进行二次开发,完成了针对固定工件喷涂的华数 机器人离线编程。张昆等人针对机器人奇异点开发了针对移动悬挂箱喷涂的离线编程系统。综上所述,目前针对平面和一些直纹曲面的喷涂轨迹优化取得了一定的进展,但是复杂曲面的喷涂轨迹优化较为复杂,特别是大型复杂曲面的轨迹规划问题鲜有研究。且国内外对于轨迹规划的研究大部分都集中于特定的机器人上,对于国产埃夫特喷涂机器人在相关领域的应用研究较少。因此针对高铁车身这种大型复杂曲面,需要建立一个具有普适性的泛化模型进行轨迹规划,
5、并在优化模型的同时确保其精确性。针对大型复杂曲面的喷涂轨迹规划问题,本文作者对喷涂的累计涂层厚度分布规律进行了分析,提出 指标以优化轨迹间距,同时通过曲面分割法实现了保留曲面边界信息的待加工曲面划分,并基于包围盒模型完成了多曲面复杂加工表面的喷涂路径规划。最后通过高铁白车身喷涂实验验证了文中所提离线喷涂轨迹规划方法的有效性。涂层厚度分布模型的建立喷涂涂层厚度分布模型主要研究工件表面形成的漆膜厚度分布规律,能够比较直观地表达待加工表面的理想喷涂效果。因此,为了确定机器人的最佳喷涂路径,首先需要针对该工艺方法建立合适的喷涂涂层厚度分布模型。静态喷涂涂层厚度双 分布模型以漆雾为椭圆锥形建立有限范围模
6、型,综合考虑待加工表面曲率、喷枪距离等因素,结合混气喷枪的特性,使用椭圆双 分布对静态喷涂涂层厚度进行建模。如图 所示,当喷枪轴线垂直于工件平面时,漆雾落在工件表面的椭圆形区域内,设其长半轴和短半轴分别为、。图 喷枪工作示意 喷枪喷出的漆雾呈椭圆锥形,在与喷枪距离为 处取一截面,如图 所示。在截面的椭圆形区域内建立坐标系,假设在沿 轴方向和沿 轴方向的涂层累计速率分别服从参数为 和 的双 分布,则可以计算出椭圆范围内任一点 的涂层积累速率。图 有效喷涂区域示意 已知平面点 涂层积累速率 最大,点 涂层累计速率为 ()则点 的涂层累计速率为 ()其中:。则该椭圆区域内任一点(,)的涂层累计速率为
7、 ()()式 中:;参数、取决于喷枪预设的扇幅离工件表面的距离。由上述公式计算可得椭圆双 分布模型如图所示。图 椭圆双 模型分布 :();()第 期齐淑林 等:基于涂层厚度模型的机器人喷涂轨迹规划研究 连续喷涂累计涂层厚度分布模型在实际喷涂作业中,机器人通常沿预设的轨迹和速度行走,待加工表面每个点喷涂的时间各不相同。因此需建立机器人连续喷涂的涂层厚度分布模型。如图 所示,点 是工件表面上一点,、是椭圆形扇幅上两点,喷枪沿 轴负方向运动。点 从与 接触时开始喷涂,至与 接触时结束喷涂。设点 横坐标为,喷枪移动速度为。喷枪作用在 点时间内的运动距离为 ()图 喷枪行走路径示意 则点 喷涂时间为()
8、由此可得,喷雾扇形中 处的等效涂层累计速率 为 ()()()其中:积分 (),()()。则点 处涂层厚度为 ()取 、中心涂层厚度为单位厚度,通过 模拟可得到连续喷涂涂层厚度分布如图 所示。图 连续喷涂涂层厚度分布模型 喷涂轨迹规划 最优相邻喷涂轨迹间距的确定油漆成膜厚度和漆膜的均匀性是喷涂质量最重要的评价指标。只有达到了足够的漆膜厚度,油漆才能发挥充分的保护作用。同时,漆膜厚度越均匀,工件表面越美观,工件的抗腐蚀性能也越好。为了获得膜厚均匀的喷涂效果,相邻喷涂轨迹之间需要有一定的重叠区域,如图 所示。图 相邻喷枪轨迹示意 为了对不同轨迹间距影响下的涂层厚度均匀性进行评价,引入如下两个指标:(
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