专利名称：非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法
技术领域：
本发明涉及喷涂机器人自动喷涂过程中，针对多面体工件进行喷涂作业时的喷枪轨迹优化方法。
背景技术：
喷涂机器人是一种非常重要的先进涂装生产装备，在国内外广泛应用于汽车等产品的涂装生产线。对于诸如汽车、电器及家具等产品，其表面的喷涂效果对质量有相当大的影响。在自动喷涂操作中，喷涂机器人的机械手围绕待涂工件表面来回移动，适当的轨迹和其它过程参数的选择都能使生产成本得到节约。喷涂机器人的喷涂效果与物体表面形状密切相关。对于诸如汽车、电器及家具等产品，其表面的喷涂效果对质量有相当大的影响。 实际生产中，喷涂机器人喷涂作业的优化目标主要有两个一是工件表面的涂层尽量均勻； 二是喷涂时间尽量短。然而，这两个优化目标(效果和效率)通常是相互制约的。如何在保证喷涂效果的前提下，尽量提高喷涂效率是喷涂机器人轨迹优化问题中的难点之一。近年来，随着喷涂机器人的广泛应用，机器人喷涂已基本上能满足工业生产的需要。但由于制造工业的不断发展，出现了许多非规则多面体工件。由于多面体的结构复杂多变，采用一般的Bezier曲面和B样条曲面造型方法很难对非规则多面体上表面进行处理。目前，大多数喷涂机器人轨迹优化方法只适用于二维平面或曲面上的喷涂作业，不适用于三维多面体上的喷涂作业。对三维多面体进行喷涂作业的系统还不能进行轨迹优化， 存在工作效率低、机器人位置和速度控制精度低、喷涂效果不理想等缺点，从而使得表面涂层不均勻，产品不能达到较高的工艺水平。因此非规则多面体工件上的喷枪轨迹优化设计是机器人轨迹规划问题中的又一个难点。公开号CN 101239346提供了一种复杂曲面上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，可实现对复杂曲面的工件进行喷涂作业时的机器人自动喷涂，但该方法对于非规则多面体并不适用。公开号CN101367076A提供了一种非规则平面多边形的静电喷涂机器人变量喷涂方法，但该方法只能用于二维平面上，不能应用于三维多面体上。因此，在实际生产中喷涂非规则多面体工件时，产品外观质量不能得到进一步提升，而且不能实现复杂、多面上的全自动喷涂。机器人喷涂工件的主要部分后仍需人工进行喷涂，费时、费力、费料，且工人仍处于有害环境中。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题，目的在于提供一种专门的针对非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，在保证喷涂效果和喷涂效率的前提下，以实现机器人对非规则多面体的自动喷涂，满足实际工业生产的需要。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，将多面体工件的CAD数据输入GID软件，通过GID网格图形输出功能对多面体的每个面进行三角划分，计算每个三角面的法向量，按照相邻三角面之间拓扑结构连接生成若干个较大的片，建立“长方体模型”并生成多面体每个面上的喷涂路径；以实际涂层厚度与理想涂层厚度方差为目标函数，在非规则多面体的每个面上采用黄金分割法求解涂层重叠区域宽度的最优值；为提高喷涂效率，利用无方向的连接图表示曲面上的喷枪轨迹优化组合，并采用改进的粒子群算法进行求解。所述生成喷枪路径的方法如下首先沿垂直于“长方体模型”右侧方向作若干个距离为1的切平面，即得到切平面与曲面片的若干段相交线；然后再在相交线上平均地作出距离为d的一组点，d即为两条喷涂路径之间的距离，该距离的大小可人为设定或通过优化计算得出；最后将这些点沿“长方体模型”右侧方向连接起来，从而生成喷枪空间路径，其中 1取R/2 R，R为喷枪喷涂半径。所述利用无方向的连接图表示曲面上的喷枪轨迹优化组合的方法如下用一个无方向的连接图G(V，Ε, R，ω :Ε — Z+)表示喷枪轨迹优化组合，其中V表示顶点集，E表示边集，R表示E的任意一个子集，ω表示边的权即实际喷枪轨迹的长度，在无方向的连接图G 中求出一条经过所有边且只经过一次的具有最短距离的回路；M= (ClijI是由图G中不在同一条边上的顶点i和顶点j之间的最短轨迹所组成的集合，i，j = 1，2，. . .，η，η为多面体面的个数。采用改进的粒子群算法进行求解的方法如下Stepl初始化初始化粒子位置= (ZnA2,..., ),i = 1,2,... ,m ；初始化每个粒
子的速度vf = (vn A2,...,V^), i = 1,2,.. .，m ；选择速度最大阈值ε和最大迭代次数Nmax，迭代次数k = 0 ； St印2测量每个粒子的适应值，表示为Aw，令P;0) = ；St印3迭代次数k — k+Ι ；更新速度vf ；更新位置4+1 ；St印4测量Zi的适应值，表示为Df MD(k) =Xnm(DlDl^Dkm)，更新尸;^和；
jjik-l) _ jjik)St印5若^—^ ^且k < Nfflax,则跳转到乂印3 ；若k彡Nfflax,循环停止，输出计算结果。本发明具有很强的实用性，能够实现对非规则多面体工件的机器人自动喷涂，可提高喷涂机器人工作效率以及产品的品质。
图1长方体模型示意图；图2多面体任意一个面上的喷枪空间路径示意图；图3平面上的喷涂示意图；图4无方向的连接图。
具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。本发明实施步骤由多面体上喷涂机器人喷枪空间路径的生成、多面体每个面上的喷枪轨迹优化、喷枪轨迹优化组合三大部分组成，具体实施方式
如下。1多面体上喷涂机器人喷枪空间路径的生成
多面体上喷涂机器人喷枪空间路径具体步骤如下(1)由工件CAD模型确定非规则多面体，在GID7. 2软件中输入非规则多面体CAD 图形后，通过GID网格图形输出功能，得到非规则多面体的三角网格图形(允许误差2mm，每一个网格称为三角面或三角片)。多面体的每个面进行三角网格划分后可以用数学表达式表示为
权利要求
1.一种非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，其特征在于将多面体工件的 CAD数据输入GID软件，通过GID网格图形输出功能对多面体的每个面进行三角划分，计算每个三角面的法向量，按照相邻三角面之间拓扑结构连接生成若干个较大的片，建立“长方体模型”并生成多面体每个面上的喷涂路径；以实际涂层厚度与理想涂层厚度方差为目标函数，在非规则多面体的每个面上采用黄金分割法求解涂层重叠区域宽度的最优值；为提高喷涂效率，利用无方向的连接图表示曲面上的喷枪轨迹优化组合，并采用改进的粒子群算法进行求解。
2.根据权利1所述的非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，其特征在于 所述生成喷枪路径的方法如下首先沿垂直于“长方体模型”右侧方向作若干个距离为1的切平面，即得到切平面与曲面片的若干段相交线；然后再在相交线上平均地作出距离为d 的一组点；最后将这些点沿“长方体模型”右侧方向连接起来，从而生成喷枪空间路径，其中 1取R/2 R，R为喷枪喷涂半径，d即为两条喷涂路径之间的距离，该距离的大小可人为设定或通过优化计算得出。
3.根据权利1所述的非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，其特征在于 所述利用无方向的连接图表示曲面上的喷枪轨迹优化组合的方法如下用一个无方向的连接图G(V，E，R，ω —Z+)表示喷枪轨迹优化组合，其中V表示顶点集，E表示边集，R表示 E的任意一个子集，ω表示边的权即实际喷枪轨迹的长度，在无方向的连接图G中求出一条经过所有边且只经过一次的具有最短距离的回路；M= (ClijI是由图G中不在同一条边上的顶点i和顶点j之间的最短轨迹所组成的集合，i，j = 1，2，. . .，η，η为多面体面的个数。
4.根据权利1和权利3所述的非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，其特征在于，采用改进的粒子群算法进行求解的方法如下Stepl初始化初始化粒子位置ζ, = (ZnA2,...,i = 1,2,... ,m ；初始化每个粒子的速度vf = (vn A2,...,V^), i = 1,2,.. .，m ；选择速度最大阈值ε和最大迭代次数Nmax，迭代次数 k = 0;Step2测量每个粒子的适应值，表示为Aw，令P = ；St印3迭代次数k — k+Ι ；更新速度vf ；更新位置ζ=1 ；St印4测量Zi的适应值，表示为Df MD(k) =Xnm(DlDl^Dkm)，更新凡(Q)和； jjik-l) _ jjik)St印5若^—^k且k < Nmax，则跳转到乂印3 ；若k > Nmax，循环停止，输出计算结果。
全文摘要
一种非规则多面体上的喷涂机器人喷枪轨迹优化方法，根据多面体工件的CAD数据多面体的每个面进行三角划分，计算每个三角面的法向量，按照相邻三角面之间拓扑结构连接生成若干个较大的片，建立“长方体模型”并生成多面体每个面上的喷涂路径。以实际涂层厚度与理想涂层厚度方差为目标函数，在非规则多面体的每个面上采用黄金分割法求解涂层重叠区域宽度的最优值。为提高喷涂效率，利用无方向的连接图表示曲面上的喷枪轨迹优化组合问题，并采用改进的粒子群算法进行求解。从而保证了喷涂质量，同时又提高了喷涂效率。
文档编号G06F19/00GK102500498SQ201110355488
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者曾庆军, 李春华, 王彪, 章飞, 陈伟 申请人:江苏科技大学