专利名称：一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法
技术领域：
本发明涉及喷涂机器人制造产业中的喷枪路径自动规划方法，具体涉及一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法。
背景技术：
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非常大的影响。喷漆作业中采用喷漆机器人可以提高产品质量和稳定性，减少漆料和能量的消耗，避免了人工喷漆时工人始终处于有毒环境而造成急性或慢性中毒，提高了劳动生产效率。因此，喷涂机器人在制造业中的应用越来越得到人们的重视。早期的喷涂机器人是“示教再现”型的。先由操作人员“示教”喷枪操作全过程，机器人控制器记忆示教操作顺序，在作业中重现这种操作动作，其缺点是喷涂效果主要取决于个人的示教经验。为解决早期喷涂机器人的缺点，人们开始探索离线路径规划技术。该 技术根据计算机仿真系统具有的感知性、交互性、自主性等特点，利用计算机软硬件建立离线仿真模型，采用人工交互的方式建立喷涂路径，并进行可视化仿真与验证。然而目前的研究主要是在人工干涉的前提下生成经过一定优化的喷涂路径，但喷涂效果并不是最优的。纵观上述现有的喷涂路径规划技术，在喷涂生产实际应用中存在着一定的缺陷，主要表现在1)缺乏一种针对各种不同喷枪类型的涂层分布进行精确建模的统一方法，导致所建立的涂层累积速率模型不够准确，从而制约了最终的喷涂质量；2)现有喷涂路径规划方法大多针对某个具体的工业喷涂生产过程而开发，因而适用面较窄，通用性差，缺乏一种能针对不同的复杂工件表面的几何特征以自适应生成最优喷涂路径的方法，从而制约喷涂机器人喷涂效率的进一步提闻。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，该方法提供了针对各种工件模型自动生成优化喷涂路径的工艺算法，能够有效的解决喷涂过程精确建模以及工件表面路径自动生成的问题，从而提高喷涂效率，减少涂料浪费，保护环境。本发明采用的技术方案为一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，包括以下步骤首先针对所使用的喷枪设计喷涂实验，根据涂层厚度测量自适应地选择参数化涂层累积模型拟合逼近；由此建立多行程喷涂优化模型并采用二分法迭代求解相应的最优喷枪路径参数；然后提出最长边参考路径算法以自动生成工件的喷涂行程，并添加过渡路径构成完整的喷涂路径；最后针对工件表面的复杂曲面特征采用可变行程方法对路径进一步优化调整。其具体步骤包括(I)喷涂过程精确建模针对使用的不同喷枪类型，设计相应静止喷涂实验并采集涂层厚度数据，然后根据涂层厚度分布的对称性分别引入β曲线模型和椭圆双β曲线模型对涂层累积速率模型进行表示，并采用基于Levenberg-Marquard算法的非线性最小二乘方法拟合逼近真实的涂层分布。(2)最优路径参数求解以曲面喷涂点的涂层厚度与期望涂层厚度之间的方差和最小为目标函数，根据采用的涂层累积速率模型和实际工艺要求建立相应的多行程喷涂优化模型以及约束条件，然后采用基于二分法的数值迭代算法求解得到最优的路径参数，即行程间距和喷枪行进速度。(3)喷涂路径的自动生成求取曲面的边界，并按照关键点分割算法，将边界分割成多条近似线段组成的多边形；求取边界中最长的边，并作为路径的起始参考边；求取曲面的平均法向量以及最长边的平均方向向量；确定同时平行于法向量和方向向量的平面，并确定一平面簇，取平面簇与曲面的交线；在交线之间采用圆弧过度路径连接起来，从而获得完整的喷枪路径。(4)喷涂路径的优化调整确定起始路径；根据涂层厚度优化模型以及曲面的几何形状，确定下一条路径；采取同样的方法获取曲面上其他区域的路径；将获取的路径连接起来，获取完整的路径。 有益效果与现有的技术相比，本发明能够提供一整套针对多喷枪自适应建模的自动路径生成方法，实现喷涂机器人在无人干涉前提下的高效喷涂，克服当前喷涂机器人喷涂效率提高的瓶颈，提高涂料的利用率，降低生产成本，从而实现经济效益的最大化。该方法相比现有方法而言具有更好的适应性，可广泛用于各种不同的喷涂生产工件的生产过程，具备很好的实用性和应用前景。
图I为算法总体流程图；图2 为Levenberg-Marquardt 算法流程图；图3为平面喷涂示意图；图4为最长边参考路径法路径规划不意图；图5为最长边参考路径法流程图；图6为路径调整不意图；图7为路径调整流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。图I为本发明所提出的用于喷涂机器人的多喷枪自适应喷涂路径自动规划流程示意图。如图I所示，依据本发明喷涂路径自动生成方法包括以下步骤I、喷涂过程精确建模在离线路径规划方法中，关键问题是如何建立涂层累积厚度精确数学模型，这对整个喷涂生产质量起决定性作用。本步骤针对可能影响喷涂过程的不同喷涂参数，设计相应的静止喷涂实验，并使用膜厚仪对喷枪所形成的涂层厚度分布情况进行测量，根据喷枪的喷涂区域为圆形或者椭圆形，分别引入圆形β曲线模型和椭圆双β曲线模型对涂层累积速率模型进行表示，采用Levenberg-Marquardt算法拟合涂层厚度数据得到精确的涂层累积速率模型，以此作为后继步骤的基础。其具体实施步骤如下
( I)喷涂实验及数据采集表I涂层分布影响因素
权利要求
1.一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，其特征在于，包括以下步骤(1)首先针对所使用的喷枪设计喷涂实验，根据涂层厚度测量自适应地选择参数化涂层累积模型拟合逼近； (2)由此建立多行程喷涂优化模型并采用二分法迭代求解相应的最优喷枪路径参数； (3)然后提出最长边参考路径算法以自动生成工件的喷涂行程，并添加过渡路径构成完整的嗔涂路径； (4)最后针对工件表面的复杂曲面特征采用可变行程方法对路径进一步优化调整。
2.根据权利要求I所述的一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，其特征在于所述步骤(I)具体如下针对使用的不同喷枪类型，设计相应静止喷涂实验并采集涂层厚度数据，然后根据涂层厚度分布的对称性分别引入卢曲线模型和椭圆双卢曲线模型对涂层累积速率模型进行表示，并采用基于Levenberg-Marquard算法的非线性最小二乘方法拟合逼近真实的涂层分布。
3.根据权利要求I所述的一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，其特征在于所述步骤(2)具体如下以曲面喷涂点的涂层厚度与期望涂层厚度之间的方差和最小为目标函数，根据采用的涂层累积速率模型和实际工艺要求建立相应的多行程喷涂优化模型以及约束条件，然后采用基于二分法的数值迭代算法求解得到最优的路径参数，即行程间距和喷枪行进速度。
4.根据权利要求I所述的一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，其特征在于所述步骤(3)具体如下求取曲面的边界，并按照关键点分割算法，将边界分割成多条近似线段组成的多边形；求取边界中最长的边，并作为路径的起始参考边；求取曲面的平均法向量以及最长边的平均方向向量；确定同时平行于法向量和方向向量的平面，并确定一平面簇，取平面簇与曲面的交线；在交线之间采用圆弧过度路径连接起来，从而获得完整的嗔枪路径。
5.根据权利要求I所述的一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，其特征在于所述步骤(4)具体如下确定起始路径；根据涂层厚度优化模型以及曲面的几何形状，确定下一条路径；采取同样的方法获取曲面上其他区域的路径；将获取的路径连接起来，获取完整的路径。
全文摘要
本发明公开了一种多喷枪自适应建模的喷涂路径自动生成方法，首先针对所使用的喷枪设计喷涂实验，根据涂层厚度测量自适应地选择参数化涂层累积模型拟合逼近；由此建立多行程喷涂优化模型并采用二分法迭代求解相应的最优喷枪路径参数；然后提出最长边参考路径算法以自动生成工件的喷涂行程，并添加过渡路径构成完整的喷涂路径；最后针对工件表面的复杂曲面特征采用可变行程方法对路径进一步优化调整。本发明可针对不同的喷枪自适应建立相应的精确喷涂模型，并由此自动生成复杂工件曲面上的最优喷涂路径，在保证涂层均匀性的前提下，提高喷涂制造产业的工作效率和涂料的利用率，改善喷涂质量和产品的美观度，从而能够取得很好的经济和社会效益。
文档编号B05B13/02GK102909148SQ20121028639
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者周波, 戴先中, 孟正大, 樊少卿 申请人:东南大学