一种曲面喷涂轨迹规划方法技术

一种曲面喷涂轨迹规划方法，该方法首先生成等间距的平行扫描面，计算扫描面与三角形面片相交形成的扫描点坐标；其次基于坐标平移变换矩阵，确定出所有扫描点对应的平行段轨迹点；根据过渡段优化理论，选择合适的过渡段轨迹形式，并确定过渡段轨迹点坐标；基于复杂曲面涂层厚度分布模型，计算工件表面计算点的涂层厚度以及工件涂层的平均厚度、标准差和误差等涂层质量指标；重复上述过程直至涂层质量指标满足涂层的均匀性要求，得到优化后的喷涂轨迹。本发明专利技术有助于减小复杂曲面涂层厚度均匀性误差，对于提高零件喷涂质量具有重要作用。本发明专利技术适用于采用喷涂机器人对航空结构件等复杂自由曲面进行喷涂时的轨迹规划。

A trajectory planning method for curved surface spraying

A method of surface spraying trajectory planning is presented in this paper, which firstly generates parallel scanning surfaces with equal spacing and calculates the coordinates of scanning points formed by the intersection of scanning surfaces and triangular surfaces; secondly, based on coordinate translation transformation matrix, the trajectory points of parallel segments corresponding to all scanning points are determined; and then, according to the optimization theory of transition segments, the appropriate passing points are selected. Based on the thickness distribution model of complex curved surface coatings, the coating thickness at the calculated points on the workpiece surface and the coating quality indexes such as the average thickness, standard deviation and error of the workpiece coatings are calculated. The optimized spray trajectory is obtained. The invention is helpful to reduce the thickness uniformity error of complex curved surface coating and plays an important role in improving the spraying quality of parts. The invention is suitable for trajectory planning when spraying complex free-form surfaces such as aeronautical structures with spraying robots.

【技术实现步骤摘要】
一种曲面喷涂轨迹规划方法
本专利技术涉及一种曲面喷涂轨迹规划方法，特别适用于采用喷涂机器人对航空结构件等复杂自由曲面进行喷涂时的轨迹规划，属于工业机器人领域。
技术介绍
为了满足隐身保护要求，航空零部件表面通常为复杂自由曲面，喷涂涂层的厚度和均匀性等质量对零部件性能有重要影响。喷涂机器人是喷涂领域重要的自动加工装备，而喷涂轨迹自动规划是喷涂机器人离线编程系统的核心技术，决定了零部件的涂层质量及性能。喷涂轨迹自动规划技术相对于人工示教法具有提高喷涂效率和涂层质量，降低劳动强度，减少涂料浪费成本等诸多优点，国内外学者对喷涂轨迹自动规划技术展开了广泛研究。但是，喷涂轨迹的规划涉及到诸多影响因素如涂层沉积率模型、喷涂速度、喷枪与工件表面间距离和轨迹间距离等，且复杂自由曲面的喷涂工件使得轨迹自动规划问题更具挑战。文献1“ShengW.H,ChenH.P,XiN,TanJ.D.Optimaltoolpathplanningforcompoundsurfacesinsprayformingprocesses.In:ProcofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.NewOrleans,2004,45-50.”公开了一种基于三角网格化CAD模型的轨迹规划方法，将曲面CAD模型进行三角网格化处理，并通过建立带约束条件的优化目标函数，结合涂层厚度许用误差，根据三角面片间的拓扑结构关系对曲面进行分片规划，并规定规划后面片的边界中至少有一条边界包含曲面的边界信息，以规划后面片的平均法向量作为喷枪的喷射方向，从而完成复杂曲面的喷涂轨迹规划。然而，该方法将一系列三角形面片进行平面近似化处理时存在误差，没有考虑到相邻三角形面片之间过渡段的喷涂轨迹形式，而过渡段的轨迹对涂层厚度均匀性有重要影响。文献2“Atkar,P.N.,Greenfield,A.,Conner,D.C.,Choset,H.,Rizzi,A.A.HierarchicalSegmentationofSurfacesEmbeddedinR3forAuto-BodyPainting.IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.2006,572-577.”公开了一种基于种子曲线的轨迹规划方法，根据曲率的变化对曲面进行分片处理，形成一系列“简单”曲面，在其上运用微分几何学选择种子曲线，其次根据优化偏移曲线与种子曲线之间的距离得到偏移曲线，进而完成喷涂轨迹规划。然而，该方法仅适用于挤压面，并不适用于复杂自由曲面的喷涂轨迹规划。目前还没有普遍适用于复杂自由曲面工件的喷涂轨迹自动规划方法，针对复杂自由曲面工件的特点，提出一种广泛有效的喷涂轨迹自动规划方法对提高工件涂层质量、推动喷涂机器人离线编程系统的实用化进程具有重要意义。
技术实现思路
为了解决现有复杂曲面喷涂涂层厚度不均匀、轨迹自动规划效率低等问题，本专利技术提供了一种基于过渡段优化算法的复杂曲面喷涂轨迹规划方法。本专利技术的技术方案如下：一种曲面喷涂轨迹规划方法，包括如下步骤：1)输入工件STL模型，建立工件坐标系，记录各三角形面片的顶点坐标及面片法向量n，输入包括相邻喷涂轨迹间距b、喷涂高度h、喷涂速度v、喷涂流量Q、喷涂雾锥张角α的工艺参数；2)生成等间距的平行扫描面，各扫描面与工件表面相交形成扫描线，计算扫描线与三角形面片相交形成的扫描点的坐标；3)对于每一个三角形面片，将其扫描点沿着面片法向量n的方向偏移喷涂高度h，从而确定喷涂轨迹的平行段轨迹点，且喷涂轨迹的喷枪法向量m与面片法向量n大小相等、方向相反；4)确定过渡段轨迹：计算相邻三角形面片单元夹角β，判断β和面片夹角阈值βT是否满足如下关系：β≤βT若是，则采用直线过渡段连接相邻平行段轨迹；若否，则采用下凸圆弧过渡段连接相邻平行段轨迹；5)根据过渡段轨迹形式计算轨迹点坐标和法向量，若为直线过渡段，则轨迹的喷枪法向量垂直于该直线过渡段并指向工件表面；若为下凸圆弧过渡段，则轨迹的喷枪法向量沿圆弧径向指向工件表面，按照顺序依次连接平行段轨迹点和过渡段轨迹点即得到工件的喷涂轨迹。优选地，在步骤5之后还依次包括步骤6和步骤7，6)根据曲面涂层沉积率模型建立曲面涂层厚度分布模型，从而计算工件表面各个计算点的涂层厚度以及包括整个工件涂层的平均厚度、标准差和误差的涂层质量指标；7)设定曲面涂层厚度要求的最大标准差为Em，最大误差为δm，判断涂层厚度是否满足E≤Em,δ≤δm，若否，则修改相邻喷涂轨迹间距的参数，重复步骤2)～步骤7)；若是，则结束运算，按顺序整理所有平行段和过渡段轨迹点的位姿信息，得到优化后的喷涂轨迹。优选地，在步骤3中，基于坐标平移变换矩阵，确定出所有扫描点对应的平行段轨迹点。优选地，涂层质量指标中的平均厚度标准差E和误差δ的计算公式分别为：其中∑Fzm为复杂曲面涂层厚度的总和，A为复杂曲面的总面积。优选地，基于抛物线平面涂层沉积率模型，单条喷涂轨迹沉积的涂层厚度计算公式为：其中，Q是喷涂流量；v是喷涂速度；η为涂层沉积效率；R为喷枪雾锥模型中涂层底面半径，而且x∈[0,R]，x为工件上某点的水平坐标。优选地，将平面涂层厚度修正为曲面涂层厚度的公式为其中，M为与喷枪法向量垂直的平面上的任意一点；M'为复杂曲面上与M有相同倾角的点；l为M'与喷枪中心点之间的垂直距离；h为喷涂高度；θ表示l与喷枪中心对应竖直方向的夹角；为面片微元A2的法向量；λ为与M'P的夹角；FM′为点M'的涂层厚度；FM为点M的涂层厚度。优选地，在步骤6中，运用等间距的计算点截取平面与STL模型相交形成S个涂层厚度计算点，对于每一个计算点s的涂层厚度，都采用如下方法计算：首先将喷涂轨迹离散成T个离散点，其次判断该计算点s是否在第t个离散点的喷枪雾锥范围内，即若则按照权利要求5和6中所述的曲面涂层沉积率的公式计算涂层厚度，若则沉积的涂层厚度为0，从而得到第t个离散点对计算点s贡献的涂层厚度，分别计算各离散点对该计算点s贡献的涂层厚度，所有离散点对该计算点s贡献的涂层厚度之和即为该计算点s的涂层厚度。优选地，喷涂方式选用高压静电喷涂。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本专利技术充分考虑了自动喷涂加工过程中喷涂涂层的厚度和均匀性等质量对零部件性能的影响，基于过渡段优化算法的轨迹规划方式综合考虑了工件模型相邻三角形面片夹角和喷涂工艺参数对涂层质量的影响，涂层厚度均匀性相比现有技术更为优秀，适用于采用高压静电喷枪对航空复杂曲面零部件进行自动喷涂时的涂层质量提高，具有广阔的应用前景。同时，对整个复杂曲面涂层厚度的精准预测也可以为工艺人员制定零件加工工艺提供必要的参考信息。附图说明图1是表示本专利技术实施例的曲面喷涂轨迹规划方法的工作流程图；图2是表示本专利技术实施例的待喷涂复杂曲面工件STL模型示意图；图3是表示本专利技术实施例的STL模型局部放大俯视示意图；图4是表示本专利技术实施例的扫描面与三角形面片形成扫描点的示意图；图5是表示本专利技术实施例的平行段轨迹点的生成示意图；图6是表示本专利技术实施例的过渡段轨迹形式示意图；图7是表示本专利技术实施例的不同夹角的相邻三角形面片在三种过渡段中对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种曲面喷涂轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：1)输入工件STL模型，建立工件坐标系，记录各三角形面片的顶点坐标及面片法向量n，输入包括相邻喷涂轨迹间距b、喷涂高度h、喷涂速度v、喷涂流量Q、喷涂雾锥张角α的工艺参数；2)生成等间距的平行扫描面，各扫描面与工件表面相交形成扫描线，计算扫描线与三角形面片相交形成的扫描点的坐标；3)对于每一个三角形面片，将其扫描点沿着面片法向量n的方向偏移喷涂高度h，从而确定喷涂轨迹的平行段轨迹点，且喷涂轨迹的喷枪法向量m与面片法向量n大小相等、方向相反；4)确定过渡段轨迹：计算相邻三角形面片单元夹角β，判断β和面片夹角阈值βT是否满足如下关系：β≤βT若是，则采用直线过渡段连接相邻平行段轨迹；若否，则采用下凸圆弧过渡段连接相邻平行段轨迹；5)根据过渡段轨迹形式计算轨迹点坐标和法向量，若为直线过渡段，则轨迹的喷枪法向量垂直于该直线过渡段并指向工件表面；若为下凸圆弧过渡段，则轨迹的喷枪法向量沿圆弧径向指向工件表面，按照顺序依次连接平行段轨迹点和过渡段轨迹点即得到工件的喷涂轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种曲面喷涂轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：1)输入工件STL模型，建立工件坐标系，记录各三角形面片的顶点坐标及面片法向量n，输入包括相邻喷涂轨迹间距b、喷涂高度h、喷涂速度v、喷涂流量Q、喷涂雾锥张角α的工艺参数；2)生成等间距的平行扫描面，各扫描面与工件表面相交形成扫描线，计算扫描线与三角形面片相交形成的扫描点的坐标；3)对于每一个三角形面片，将其扫描点沿着面片法向量n的方向偏移喷涂高度h，从而确定喷涂轨迹的平行段轨迹点，且喷涂轨迹的喷枪法向量m与面片法向量n大小相等、方向相反；4)确定过渡段轨迹：计算相邻三角形面片单元夹角β，判断β和面片夹角阈值βT是否满足如下关系：β≤βT若是，则采用直线过渡段连接相邻平行段轨迹；若否，则采用下凸圆弧过渡段连接相邻平行段轨迹；5)根据过渡段轨迹形式计算轨迹点坐标和法向量，若为直线过渡段，则轨迹的喷枪法向量垂直于该直线过渡段并指向工件表面；若为下凸圆弧过渡段，则轨迹的喷枪法向量沿圆弧径向指向工件表面，按照顺序依次连接平行段轨迹点和过渡段轨迹点即得到工件的喷涂轨迹。2.根据权利要求1所述的曲面喷涂轨迹规划方法，其特征在于，在步骤5之后还依次包括步骤6和步骤7，6)根据曲面涂层沉积率模型建立曲面涂层厚度分布模型，从而计算工件表面各个计算点的涂层厚度以及包括整个工件涂层的平均厚度、标准差和误差的涂层质量指标；7)设定曲面涂层厚度要求的最大标准差为Em，最大误差为δm，判断涂层厚度的标准差E和误差δ是否满足E≤Em,δ≤δm，若否，则修改相邻喷涂轨迹间距的参数，重复步骤2)～步骤7)；若是，则结束运算，按顺序整理所有平行段和过渡段轨迹点的位姿信息，得到优化后的喷涂轨迹。3.根据权利要求1所述的曲面喷涂轨迹规...

【专利技术属性】
技术研发人员：关立文，陈璐，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11