非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法
2023-10-06 02:10:09 2
專利名稱：非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法
技術領域：
本發明涉及噴塗機器人自動噴塗過程中，針對多面體工件進行噴塗作業時的噴槍軌跡優化方法。
背景技術：
噴塗機器人是一種非常重要的先進塗裝生產裝備，在國內外廣泛應用於汽車等產品的塗裝生產線。對於諸如汽車、電器及家具等產品，其表面的噴塗效果對質量有相當大的影響。在自動噴塗操作中，噴塗機器人的機械手圍繞待塗工件表面來回移動，適當的軌跡和其它過程參數的選擇都能使生產成本得到節約。噴塗機器人的噴塗效果與物體表面形狀密切相關。對於諸如汽車、電器及家具等產品，其表面的噴塗效果對質量有相當大的影響。 實際生產中，噴塗機器人噴塗作業的優化目標主要有兩個一是工件表面的塗層儘量均勻； 二是噴塗時間儘量短。然而，這兩個優化目標(效果和效率)通常是相互制約的。如何在保證噴塗效果的前提下，儘量提高噴塗效率是噴塗機器人軌跡優化問題中的難點之一。近年來，隨著噴塗機器人的廣泛應用，機器人噴塗已基本上能滿足工業生產的需要。但由於製造工業的不斷發展，出現了許多非規則多面體工件。由於多面體的結構複雜多變，採用一般的Bezier曲面和B樣條曲面造型方法很難對非規則多面體上表面進行處理。目前，大多數噴塗機器人軌跡優化方法只適用於二維平面或曲面上的噴塗作業，不適用於三維多面體上的噴塗作業。對三維多面體進行噴塗作業的系統還不能進行軌跡優化， 存在工作效率低、機器人位置和速度控制精度低、噴塗效果不理想等缺點，從而使得表面塗層不均勻，產品不能達到較高的工藝水平。因此非規則多面體工件上的噴槍軌跡優化設計是機器人軌跡規劃問題中的又一個難點。公開號CN 101239346提供了一種複雜曲面上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，可實現對複雜曲面的工件進行噴塗作業時的機器人自動噴塗，但該方法對於非規則多面體並不適用。公開號CN101367076A提供了一種非規則平面多邊形的靜電噴塗機器人變量噴塗方法，但該方法只能用於二維平面上，不能應用於三維多面體上。因此，在實際生產中噴塗非規則多面體工件時，產品外觀質量不能得到進一步提升，而且不能實現複雜、多面上的全自動噴塗。機器人噴塗工件的主要部分後仍需人工進行噴塗，費時、費力、費料，且工人仍處於有害環境中。
發明內容
本發明正是為了解決上述問題，目的在於提供一種專門的針對非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，在保證噴塗效果和噴塗效率的前提下，以實現機器人對非規則多面體的自動噴塗，滿足實際工業生產的需要。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是本發明非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，將多面體工件的CAD數據輸入GID軟體，通過GID網格圖形輸出功能對多面體的每個面進行三角劃分，計算每個三角面的法向量，按照相鄰三角面之間拓撲結構連接生成若干個較大的片，建立「長方體模型」並生成多面體每個面上的噴塗路徑；以實際塗層厚度與理想塗層厚度方差為目標函數，在非規則多面體的每個面上採用黃金分割法求解塗層重疊區域寬度的最優值；為提高噴塗效率，利用無方向的連接圖表示曲面上的噴槍軌跡優化組合，並採用改進的粒子群算法進行求解。所述生成噴槍路徑的方法如下首先沿垂直於「長方體模型」右側方向作若干個距離為1的切平面，即得到切平面與曲面片的若干段相交線；然後再在相交線上平均地作出距離為d的一組點，d即為兩條噴塗路徑之間的距離，該距離的大小可人為設定或通過優化計算得出；最後將這些點沿「長方體模型」右側方向連接起來，從而生成噴槍空間路徑，其中 1取R/2 R，R為噴槍噴塗半徑。所述利用無方向的連接圖表示曲面上的噴槍軌跡優化組合的方法如下用一個無方向的連接圖G(V，Ε, R，ω :Ε — Z+)表示噴槍軌跡優化組合，其中V表示頂點集，E表示邊集，R表示E的任意一個子集，ω表示邊的權即實際噴槍軌跡的長度，在無方向的連接圖G 中求出一條經過所有邊且只經過一次的具有最短距離的迴路；M= (ClijI是由圖G中不在同一條邊上的頂點i和頂點j之間的最短軌跡所組成的集合，i，j = 1，2，. . .，η，η為多面體面的個數。採用改進的粒子群算法進行求解的方法如下Stepl初始化初始化粒子位置= (ZnA2,..., ),i = 1,2,... ,m ；初始化每個粒
子的速度vf = (vn A2,...,V^), i = 1,2,.. .，m ；選擇速度最大閾值ε和最大迭代次數Nmax，迭代次數k = 0 ； St印2測量每個粒子的適應值，表示為Aw，令P;0) = ；St印3迭代次數k — k+Ι ；更新速度vf ；更新位置4+1 ；St印4測量Zi的適應值，表示為Df MD(k) =Xnm(DlDl^Dkm)，更新屍;^和；
jjik-l) _ jjik)St印5若^—^ ^且k < Nfflax,則跳轉到乂印3 ；若k彡Nfflax,循環停止，輸出計算結果。本發明具有很強的實用性，能夠實現對非規則多面體工件的機器人自動噴塗，可提高噴塗機器人工作效率以及產品的品質。
圖1長方體模型示意圖；圖2多面體任意一個面上的噴槍空間路徑示意圖；圖3平面上的噴塗示意圖；圖4無方向的連接圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施方式對本發明進一步說明。本發明實施步驟由多面體上噴塗機器人噴槍空間路徑的生成、多面體每個面上的噴槍軌跡優化、噴槍軌跡優化組合三大部分組成，具體實施方式
如下。1多面體上噴塗機器人噴槍空間路徑的生成
多面體上噴塗機器人噴槍空間路徑具體步驟如下(1)由工件CAD模型確定非規則多面體，在GID7. 2軟體中輸入非規則多面體CAD 圖形後，通過GID網格圖形輸出功能，得到非規則多面體的三角網格圖形(允許誤差2mm，每一個網格稱為三角面或三角片)。多面體的每個面進行三角網格劃分後可以用數學表達式表示為
權利要求
1.一種非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，其特徵在於將多面體工件的 CAD數據輸入GID軟體，通過GID網格圖形輸出功能對多面體的每個面進行三角劃分，計算每個三角面的法向量，按照相鄰三角面之間拓撲結構連接生成若干個較大的片，建立「長方體模型」並生成多面體每個面上的噴塗路徑；以實際塗層厚度與理想塗層厚度方差為目標函數，在非規則多面體的每個面上採用黃金分割法求解塗層重疊區域寬度的最優值；為提高噴塗效率，利用無方向的連接圖表示曲面上的噴槍軌跡優化組合，並採用改進的粒子群算法進行求解。
2.根據權利1所述的非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，其特徵在於 所述生成噴槍路徑的方法如下首先沿垂直於「長方體模型」右側方向作若干個距離為1的切平面，即得到切平面與曲面片的若干段相交線；然後再在相交線上平均地作出距離為d 的一組點；最後將這些點沿「長方體模型」右側方向連接起來，從而生成噴槍空間路徑，其中 1取R/2 R，R為噴槍噴塗半徑，d即為兩條噴塗路徑之間的距離，該距離的大小可人為設定或通過優化計算得出。
3.根據權利1所述的非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，其特徵在於 所述利用無方向的連接圖表示曲面上的噴槍軌跡優化組合的方法如下用一個無方向的連接圖G(V，E，R，ω —Z+)表示噴槍軌跡優化組合，其中V表示頂點集，E表示邊集，R表示 E的任意一個子集，ω表示邊的權即實際噴槍軌跡的長度，在無方向的連接圖G中求出一條經過所有邊且只經過一次的具有最短距離的迴路；M= (ClijI是由圖G中不在同一條邊上的頂點i和頂點j之間的最短軌跡所組成的集合，i，j = 1，2，. . .，η，η為多面體面的個數。
4.根據權利1和權利3所述的非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，其特徵在於，採用改進的粒子群算法進行求解的方法如下Stepl初始化初始化粒子位置ζ, = (ZnA2,...,i = 1,2,... ,m ；初始化每個粒子的速度vf = (vn A2,...,V^), i = 1,2,.. .，m ；選擇速度最大閾值ε和最大迭代次數Nmax，迭代次數 k = 0;Step2測量每個粒子的適應值，表示為Aw，令P = ；St印3迭代次數k — k+Ι ；更新速度vf ；更新位置ζ=1 ；St印4測量Zi的適應值，表示為Df MD(k) =Xnm(DlDl^Dkm)，更新凡(Q)和； jjik-l) _ jjik)St印5若^—^k且k Nmax，循環停止，輸出計算結果。
全文摘要
一種非規則多面體上的噴塗機器人噴槍軌跡優化方法，根據多面體工件的CAD數據多面體的每個面進行三角劃分，計算每個三角面的法向量，按照相鄰三角面之間拓撲結構連接生成若干個較大的片，建立「長方體模型」並生成多面體每個面上的噴塗路徑。以實際塗層厚度與理想塗層厚度方差為目標函數，在非規則多面體的每個面上採用黃金分割法求解塗層重疊區域寬度的最優值。為提高噴塗效率，利用無方向的連接圖表示曲面上的噴槍軌跡優化組合問題，並採用改進的粒子群算法進行求解。從而保證了噴塗質量，同時又提高了噴塗效率。
文檔編號G06F19/00GK102500498SQ201110355488
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者曾慶軍, 李春華, 王彪, 章飛, 陳偉 申請人:江蘇科技大學