专利名称：一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法
技术领域：
本发明涉及喷涂机器人先进制造产业技术领域，特别是涉及一种针对复杂工件曲面的分层喷涂轨迹规划工艺算法。
背景技术：
喷涂机器人作为工业机器人技术基础上发展的一种特种机器人，它是机器人技术与喷涂工艺相结合的产物，主要用于工业生产中的喷涂作业。喷涂机器人作为智能化的装备，不会受有毒有害物质影响，而且喷涂效果稳定，同时还具备可编程性，可以对其进行编程以完成不同工件的喷涂，因而极大地提高了喷涂效率和喷涂质量，已经被广泛应用于现在制造业之中。传统的喷涂机器人主要是“示教-再现”型机器人，机器人的喷涂轨迹主要靠“人 工示教”的方式来规划。这种“示教-再现”的轨迹规划方法，操作简单，易于实现，但该方法也存在如下缺点(1)喷枪喷涂轨迹的优劣严重依赖工人的经验，难以结合喷涂工件的几何特征和喷枪参数获得最佳喷涂轨迹，造成涂料、能源等的浪费，增加了经济成本；(2)在示教过程中，机器人不能用于生产，且示教周期长，降低了机器人的生产效率；(3)人工示教过程中，工人必须处于有毒有害的环境之中，严重损害工人的身体健康。为解决传统喷涂机器人的缺点，业界开始探寻喷涂机器人的离线轨迹规划技术。该技术利用计算机软硬件建立喷涂机器人及其工作环境的模型，采用先进的轨迹规划算法，并结合人工交互方式，在虚拟的工作场景中，对机器人的轨迹进行规划与优化，并进行可视化的仿真与验证，从而可以在不需要实际机器人参与的情况下，生成最优的喷涂轨迹，以提高喷涂质量与喷涂效率。然而，就目前业界研究而言，当前的喷涂机器人离线轨迹规划技术存在的主要缺点在于缺乏一种有效的、统一的、自适应的智能化喷涂机器人工艺流程算法，能够针对各种复杂多样的待喷涂工件，在缺少甚至是完全没有人工干预的情况下，自动生成满足一定工艺指标或质量要求的优化喷涂轨迹，从而真正实现喷涂过程的自动化，提高喷涂制造业的生产率水平，并降低生成成本，保证整体的经济效益。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供了一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，该方法提供了针对各种具有复杂构型的喷涂工件自动生成优化喷涂轨迹的工艺流程算法，具有较强的适应性，能够提高复杂工件的喷涂质量和喷涂效率，并节省涂料成本。本发明采用的技术方案为一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，包括以下步骤首先设计了一种实验方法对喷涂过程进行建模，通过引入高斯混合涂层累积速率模型以拟合涂层分布情况；然后采用分层轨迹规划方法，针对工件的几何和拓扑特征分别应用双背离角法和投影法将复杂曲面分割为若干简单子曲面；并建立相应的喷涂轨迹优化模型，采用数值方法求解行程参数以生成子片内的喷涂轨迹；最后采用分布估计算法对各子片轨迹进行优化组合。其具体步骤包括(I)喷涂过程的实验建模通过喷涂实验获得所使用喷枪的3D涂层厚度分布数据，并采用基于高斯混合模型对获得的涂层厚度生长率进行精确描述，其参数的拟合采用基于L-M的数值计算方法实现。(2)复杂工件表面的分层分割首先基于几何尺寸进行子片划分，重点考虑工件表面的弯曲程度，采用双背离角算法将复杂 工件曲面分割为一个个近似平面的曲面；其次是在几何尺寸(曲面曲率)划分的基础上，结合工件的拓扑特性(连通性，即孔洞、禁止喷涂区域等特殊情况)，采用投影法将其进一步分割，划分为拓扑结构简单的工件曲面，以便于处理工件存在孔洞的情况，从而节省涂料成本。(3)各简单子曲面内的喷涂轨迹规划根据所建立的涂层累积速率模型，以涂层期望厚度和涂层均匀性为混合优化目标，建立相应的优化模型，然后采用黄金分割搜索法求解得到喷涂速度和行程间距，在此基础上采用包围盒投影方法获得优化的简单子片内喷涂轨迹点。(4)各子片喷涂路径的优化组合将喷涂机器人多路径组合规划问题建模为广义旅行商问题(GTSP)，然后采用基于分布估计的智能计算方法求解，包括选择优势种群、建立概率模型、随机采样等操作，从而实现在问题空间中的全局寻优，将各子片离散路径进行优化组合以生成最终的喷涂机器人喷枪优化轨迹。有益效果与现有技术相比，本发明的有益效果是提供了一套完整的喷涂机器人离线轨迹规划工艺解决方案，能够针对各种具有复杂构型的喷涂工件自动生成优化喷涂轨迹，实现喷涂机器人的高效喷涂并节省涂料和人工成本，以提高喷涂机器人的喷涂效率，保证喷涂机器人的喷涂质量。该算法无需人工干预，具有良好的适应性和实用性，可广泛应用与诸如汽车、船舶等大型复杂工件的喷涂制造环节，满足日益发展的喷涂机器人制造行业的需要。
图I为分层喷涂轨迹规划方法流程示意图；图2为喷涂过程示意图；图3为双背离角分片示意图；图4为投影法分片算法示意图；图5为多行程喷涂示意图；图6为黄金分割法求解最优行程参数流程图；图7为包围盒投影法示意图；图8为基于分布估计的子片轨迹组合算法流程图。
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。如图I所示，依据本发明的喷涂轨迹规划方法包括以下步骤I、喷涂过程的实验建模喷枪所形成的涂层累积厚度分布模型对于整个喷涂生产质量来说起着至关重要的作用。本步骤针对可能影响喷涂过程的不同喷涂参数，设计相应的喷涂实验对喷枪所形成的涂层分布情况进行测量，引入高斯和模型对涂层生长率进行表示，采用L-M方法拟合得到精确的涂层生长率模型，以此作为后继步骤的基础。具体的实施步骤包括( I)喷涂实验及数据采集实际喷涂过程中影响涂料在工件表面的涂层分布的因素很多，试图建立考虑了所有影响因素的理想喷涂模型是不现实的。本发明所建立的喷涂模型首先保证了来自喷枪结构、涂料特性、涂料浓度、雾化气压、喷幅气压等参数由专家进行设定，在喷涂过程中保持不变；喷枪的高度采取喷枪说明书中推荐的最优参数；喷枪的方向为垂直于喷涂工件表面。由此在外部环境稳定的条件下，涂料的分布情况可近似视为不变。在实验中所采取的模型为静止喷涂的涂层生长率模型，该模型相较于一般的运动喷涂模型而言具有更好的适应性和更为广泛的应用范围。如图2所示，图中h为喷枪的高度，在实验中保持不变，且喷枪总是垂直于喷涂面4为涂层分布区域，一般为对称的圆形。在实验中通过PLC控制喷枪的开关时间，进行了多次不同时间间隔的喷涂实验，确定涂层 的分布范围(即圆形喷涂区域S的半径R)，并采用网格化对涂层分布范围进行划分和采样，利用非接触式膜层测厚仪测量获得了各网格采样点的厚度分布数据。(2)涂层累积生长率的表示模型由于喷枪种类、结构的不同，涂层分布形式各种各样，有涂层中间凸起、平坦、凹陷甚至不对称等多种情况。为了建立一个统一的喷涂模型处理不同喷枪类型带来的涂层分布模型的差异，本发明引入如下式所示的高斯和模型= /(x,v,fl(0,0 = 寸(I)
dt ,:=1 其中s表示工件上任意点，可由(x，y)表示；a(t)表示喷枪的位置和方向；q(s，t)为t时刻s点的涂层累积厚度；t为时间;r 二如1 +y2 ,Wi, ri； σ ^为待辨识参数，i=l, 2，…，N。该模型的主要优点在于一是当N趋向于无穷时，该函数可以获得任意精度的逼近，因此该模型的近似精度可通过设定不同的N进行控制；二是该模块可用于表示中心凹陷、斜对称等特殊喷枪情况，这种特殊情况的处理能力对于静电旋杯式喷枪来说是非常重要的。为了平衡模型的精度和复杂度，本发明采用3个高斯函数之和来建模(N=3)，可得分布模型如下式所示
(r+^)2r2dqiJ)=fir,p) = \ \\ψ 2σ +w2e + w^e 2n^ r<R(2)
0other其中R为涂层半径；O1, Q2)τ为待辨识的模型参数。当r大于R时涂层的累积速率很小，故不做考虑。(3)基于L-M数值方法的涂层模型拟合针对采用的高斯和模型，根据实验数据拟合得到相应的模型参数。本发明采用基于L-M的非线性最小二乘法对式(2)所示的高斯和模型进行迭代拟合，以得到模型参数的Wi, ri； Oi辨识结果。输入为拟合函数/ = /(〃,/ )，具体迭代步骤如下第一步设置P的初值，计算初始矩阵Z ；
第二步计算误差矩阵f、雅各比矩阵J以及误差矩阵的模F ；第三步计算Hessian矩阵H和梯度g ；第四步计算步并判断F是否小于收敛值ε ；第五步计算p_new p+H_lm,并计算增益比P ；第六步判断P是否大于0，并更新迭代值；第七步判断F是否小于收敛值ε，如果符合则迭代结束，否则返回第四步，并更新系数U，V以及H_lm。2、复杂工件表面的分层分割针对工件表面可能存在的复杂曲面形状，根据其几何特征和拓扑特征分别采用双 背离角法和投影法进行曲面的划分，将其分割为近似平面的简单子曲面，从而可采用分而治之的思想分别对各子片进行处理，以简化问题的讨论。( I)基于几何特征的分片方法如图3所示，根据导入的STL工件模型，其喷涂表面采用三角形进行近似。定义相邻两个子片间的夹角为背离角，由此来近似工件表面的几何特征(即曲面的曲率)，从而采用基于区域生长的双背离角分片算法完成工件表面的初步划分分片，该算法的基本思想是以一个三角面为中心，向周围区域扩张生长，在生长的过程中保证在一个子片内任意相邻三角片间法向量夹角小于β th (子片内相邻三角面法向量的最大夹角值)，且片内任意两个三角面的法向量夹角小于(子片内任意两个三角面的法向量的最大夹角值)，记单个三角面法向量为Ni，则所得子片应符合下式要求Si= ITj I acos-1 (Nj, Nk) ( β th, acos-1 (Nj, Nm) ( β max,其中 Tj, Tk 相邻} (3)由此可将复杂工件表面划分为若干近似平面的简单曲面。双背离角算法的具体步骤如下第一步设置Pth和βΜΧ;第二步获取面积最大的三角形Tseed作为种子三角形构建子片Si ；第三步选取Si的任意一个相邻子片Tj,若无法找到相邻子片，则转第六步，否则计算两者背离角β ;第四步若β ,j小于最大背离角β th，则转第五步；否则转第二步；第五步计算Tj与Si内所有三角面的夹角，求得最大值。若该最大值小于β_，则将Tj并入Si,否则转第二步；第六步若所有子片划分完毕，则算法结束，否则转第二步。(2)基于拓扑特征的分片方法曲面拓扑分片主要是为了解决曲面中存在孔洞或者禁止喷涂区域的问题。通过曲面拓扑分片，将曲面分成没有孔洞且拓扑结构简单的子片，从而可节省涂料，降低喷涂成本，避免禁止喷涂区域受到影响。本发明首先对孔洞的大小进行判断，当孔洞面积小于喷枪单个喷炬的喷涂面积的1/4时则作为小孔洞予以忽略处理。否则孔洞较大，无法忽略，则采用投影法进行进一步分片处理。该算法的基本思想是首先将曲面投影，转化为平面；再采用关键点近似方法，将曲面投影的内外边界都近似为多变形；然后对该近似平面进行单元片划分；最后将单元片进行优化组合，获得合理的子片划分，并映射回原曲面。该算法分片过程如图4所示，具体步骤如下
第一步对曲面沿其平均法向量反方向进行投影，转化为二维平面，计算公式如下
权利要求
1.一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤 (1)首先设计了一种实验方法对喷涂过程进行建模，通过引入高斯混合涂层累积速率模型以拟合涂层分布情况； (2)然后采用分层轨迹规划方法，针对工件的几何和拓扑特征分别应用双背离角法和投影法将复杂曲面分割为若干简单子曲面； (3)建立相应的喷涂轨迹优化模型，采用数值方法求解行程参数以生成子片内的喷涂轨迹； (4)最后采用分布估计算法对各子片轨迹进行优化组合。
2.根据权利要求I所述的一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，其特征在于所述步骤(I)具体为通过喷涂实验获得所使用喷枪的3D涂层厚度分布数据，并采用基于高斯混合模型对获得的涂层厚度生长率进行精确描述，其参数的拟合采用基于L-M的数值计算方法实现。
3.根据权利要求I所述的一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，其特征在于所述步骤(2)具体为首先基于几何尺寸进行子片划分，重点考虑工件表面的弯曲程度，采用双背离角算法将复杂工件曲面分割为一个个近似平面的曲面；其次是在几何尺寸划分的基础上，结合工件的拓扑特性，采用投影法将其进一步分割，划分为拓扑结构简单的工件曲面，以便于处理工件存在孔洞的情况。
4.根据权利要求I所述的一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，其特征在于所述步骤(3)具体为根据所建立的涂层累积速率模型，以涂层期望厚度和涂层均匀性为混合优化目标，建立相应的优化模型，然后采用黄金分割搜索法求解得到喷涂速度和行程间距，在此基础上采用包围盒投影方法获得优化的简单子片内喷涂轨迹点。
5.根据权利要求I所述的一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，其特征在于所述步骤(4)具体为将喷涂机器人多路径组合规划问题建模为广义旅行商问题，然后采用基于分布估计的智能计算方法求解，包括选择优势种群、建立概率模型、随机采样等操作，从而实现在问题空间中的全局寻优，将各子片离散路径进行优化组合以生成最终的喷涂机器人喷枪优化轨迹。
全文摘要
本发明公开了一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法，首先设计了一种实验方法对喷涂过程进行建模，通过引入高斯和涂层累积速率模型以拟合涂层分布情况；然后采用分层轨迹规划方法，针对工件的几何和拓扑特征分别应用双背离角法和投影法将复杂曲面分割为若干简单子曲面，并建立相应的喷涂轨迹优化模型，采用数值方法求解行程参数以生成子片内的喷涂轨迹；最后采用分布估计算法对各子片轨迹进行优化组合。本发明方法改进了喷涂机器人的喷涂生产工艺，能够实现各种复杂工件曲面上的喷涂机器人轨迹优化生成，在满足涂层期望厚度的前提下提高了涂层分布的均匀性，降低了涂料的浪费，从而有利于提高喷涂制造业的生产效率和经济效益。
文档编号G06F19/00GK102831306SQ20121028682
公开日2012年12月19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