一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法与流程

本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及到一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法。

背景技术

热喷涂技术是表面工程的重要课题之一，也是工业产品制造业的一种重要的表面保护技术。热喷涂是利用某种热源(如电弧、燃烧火焰等)将粉状、丝状或棒状的材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面与基体材料结合而形成具备各种功能表面的涂层技术。

热喷涂技术应用早期，在对工件表面进行喷涂时，主要由操作工手持喷枪进行作业，由于喷涂材料熔化、喷射过程中，常伴有高温、高压、噪声、弧光、有毒气体等，会对人体健康产生不良影响；同时，由于操作工手持喷枪进行喷涂，对喷涂运动轨迹的控制精确度较低，涂层质量也难以保证。随着自动化技术的发展，手持喷涂逐步为机器人或特定的自动喷涂工装夹持喷涂所取代。

目前，在热喷涂领域，基于平面以及小曲率曲面的喷涂机器人轨迹规划技术已经进行了深入的研究，对于球面等大曲率或者不规则曲面进行轨迹规划以期得到均匀性较好的涂层涉及较少。实际生产中，有些工业零件的曲面曲率较大，利用传统的喷涂方法即将曲面分片造型成若干平面的方法既繁琐，又很难保证涂层的性能，严重影响涂层的均匀性和美观的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法。

本发明所采用的技术方案是：一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：选择喷涂的球形曲面工件以及喷涂粉末材料；

步骤二：基于球体曲面半径建立所要喷涂的球形工件的模型以及球体曲面坐标系，用来描述基体上涂层在法线方向上的厚度；基于热喷涂过程中喷涂粉末在工件表面的沉积具有概率分布的特征，涂层的分布基本都是呈中间厚边缘薄的趋势，采用高斯模型作为经验公式建立涂层厚度的数学模型，并绘制涂层轮廓；

步骤三：基于球坐标系中的参数喷枪沿着减小的方向作匀加速运动，并以同样的加速度大小沿着增大的方向作匀减速运动，即喷枪始终沿着球体曲面的经线进行匀变速的喷涂；

步骤四：基于球体曲面的半径以及高斯分布的分布范围，选择能够保证相邻经线上的涂层进行叠加的最大的角度，即单道涂层弧长对应的角度作为喷枪喷涂的旋转角度，完成整个表面的喷涂；

步骤五：基于数值分析和计算的方法求解和拟合出该旋转角度下基体法线方向上涂层的厚度以及最终的涂层轮廓；

步骤六：以单道涂层弧长对应的角度作为最大喷枪旋转角度，依次减小，重复第四步到第五步，研究不同喷枪旋转角度下的涂层厚度以及涂层轮廓；

步骤七：针对不同喷枪旋转角度下得到的涂层轮廓，计算并分析对应的涂层在法线方向上的厚度和涂层的均匀性，基于涂层厚度要求，在实际允许的涂层厚度误差范围内选择喷枪旋转角度的最大值；

步骤八：基于上一步得到的最佳的喷枪旋转角度，生成机器人喷涂轨迹，并在虚拟仿真环境中完成喷枪轨迹的仿真，形成喷涂机器人的程序语言；

步骤九：根据上述的步骤以及确定的喷涂轨迹，对实物进行热喷涂。

进一步地，所述的步骤二中，球形曲面工件上的涂层轮廓模型在matlab中建立。

进一步地，所述的步骤二中，涂层厚度的数学模型方程为：

式中，r—径向距离，即坐标原点到涂层上任意一点的距离；

—仰角，即原点与涂层上任意一点连线与正z轴之间的夹角；

θ—方位角，即原点与涂层上任意一点连线在xy平面的投影线与正x轴之间的夹角；

σ--标准偏差，代表高斯分布数据的离散程度；

r—球体的半径；

a--影响涂层厚度的常系数，由喷涂距离和喷枪移动的速度等因素决定；

v0--喷枪的初始速度；

a—喷枪的加速度大小；

α—喷枪沿经线移动时转过的弧度。

进一步地，根据已知的涂层厚度数学模型，在涂层轮廓所处的区间依次选取3000-5000个参数θ和的值，使用插值法计算分析各位置处涂层的法向厚度。

进一步地，所述的步骤五中，分别将每个位置处的涂层厚度在法线方向上进行叠加，拟合出最终的涂层轮廓。

进一步地，所述的步骤九中，在对实物工件进行喷涂的时候，要根据所要求的涂层厚度，计算所要喷涂的次数。

本发明所计算的涂层厚度始终是在法向上的涂层厚度，通过控制喷枪始终沿着球体的经线进行匀变速运动，再以选择的角度作为喷枪的最佳旋转角度，依次转过该角度，直至完成整个工件表面的喷涂，较好地保证涂层的均匀性。本发明不仅局限于球形表面的热喷涂，也适用于其他大曲率曲面工件的热喷涂。本发明提出的喷涂方案降低了成本，对提高作业效率具有重要意义和应用价值。

本发明的有益效果是：基于一种球形曲面表面的均匀热喷涂方法，可以有效提高涂层的均匀性，解决在喷涂作业中当工件表面是非完整球面等大曲率曲面而造成的工件无法进行旋转喷涂的问题。同时也降低了实操的成本，提高了作业效率。

本发明针对球面上涂层在法向上的厚度，开展基于球面上涂层均匀分布的研究，构建涂层厚度模型；控制喷枪沿着球面经线作匀变速运动，确定喷枪的旋转角度，控制喷枪依次转过该角度，直至完成整个球面工件表面的热喷涂，以期得到均匀性较好的涂层。由于机器人喷涂在国防与民用工业领域的广泛应用，本项技术将具有广阔的市场前景和经济效益。

附图说明

图1是本发明一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的球面模型示意图；

图2是本发明一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立喷枪沿一条经线进行匀变速运动生成的涂层轮廓示意图；

图3是本发明实施例中一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的基于喷枪旋转角度0.30rad生成的涂层轮廓示意图；

图4是本发明实施例中一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的基于喷枪旋转角度0.30rad所拟合的涂层厚度在法线方向叠加的涂层轮廓示意图；

图5是本发明实施例中一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的基于喷枪旋转角度0.15rad生成的涂层轮廓示意图；

图6是本发明实施例中一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的基于喷枪旋转角度0.15rad所拟合的涂层厚度在法线方向叠加的涂层轮廓示意图；

图7是本发明实施例中一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的基于喷枪旋转角度0.10rad生成的涂层轮廓示意图；

图8是本发明实施例中一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法所建立的基于喷枪旋转角度0.10rad所拟合的涂层厚度在法线方向叠加的涂层轮廓示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例属于本发明保护的范围。

一种曲面均匀热喷涂的机器人轨迹规划方法，包括如下步骤(以下面一组参数为例)：

(1)喷涂所用的粉末是一种粒度范围在40-75μm的nicrbsi粉末，被喷涂球形工件为不锈钢球，球面半径r＝100mm；影响涂层厚度系数a＝22，喷枪到基体的距离h＝120mm,喷枪初速度即在球面赤道面上的速度v0＝113mm/s,喷枪加速度大小a＝100mm/s²。

(2)基于球体的半径r＝100mm，喷涂距离h＝120mm以及喷枪在基体上形成的涂层的弧长l＝30mm，选择能够保证相邻经线上的涂层进行叠加的最大的角度0.3rad作为喷枪喷涂的旋转角度,为了获得较大的涂层厚度，设定喷涂次数等于4。

(3)构建所要喷涂的球形工件的模型，并建立球坐标系，描述基体上涂层在法线方向上的厚度。

(4)基于热喷涂过程中喷涂粉末在工件表面的沉积具有概率分布的特征，涂层的分布基本都是呈中间厚边缘薄的趋势，采用高斯模型作为经验公式建立涂层厚度的数学模型，并绘制涂层轮廓。

(5)基于球坐标系中的参数喷枪沿着减小的方向作匀加速运动，即喷枪沿着球体的一条经线由赤道面进行匀加速运动，涂层轮廓的数学模型：

(6)根据步骤(5)的计算公式，带入步骤(1)和(2)中的数据，在涂层轮廓所处的区间选取3600个参数θ和的值，使用插值法计算分析各位置处涂层的法向厚度。

(7)当喷枪沿着一条经线喷涂之后，控制喷枪围绕球心旋转0.3rad，并以同样的加速度大小沿着增大的方向作匀减速运动，直至完成整个基体表面的喷涂。

(8)分别将每个位置处的涂层厚度在法线方向上进行累加，拟合出最终的涂层轮廓。

(9)选择旋转角度为0.15rad，设定喷涂次数等于4，重复步骤(7)到步骤(8)。

(10)选择旋转角度为0.10rad，设定喷涂次数等于2，重复步骤(7)到步骤(8)。

(11)分析计算各个拟合的最终涂层轮廓最大以及最小的法向厚度，基于涂层厚度要求以及实际允许的涂层厚度误差，选择最佳的喷枪旋转角度。

(12)导出影响该喷涂轨迹的参数，如喷涂距离，喷枪相对于基体的速度，喷枪的旋转角度等，形成喷涂机器人的程序语言。

(13)根据上述的步骤以及确定的喷涂轨迹，对实物进行喷涂。

基于上述发明，可以有效提高涂层的均匀性，解决在喷涂作业中当工件表面是非完整球面等大曲率曲面而造成的工件无法进行旋转喷涂的问题。同时也降低了实操的成本，提高了作业效率。

以上所述是本发明的优选实施方式。