一种基于表面曲率的喷涂机器人自动路径生成方法技术

本发明专利技术公开了基于表面曲率的喷涂机器人自动路径生成方法，包括以下步骤：步骤一：测算待喷涂工件曲面各处的高斯曲率；步骤二：对待喷涂工件曲面分别采用基于高斯曲率的改进分水岭算法和投影近似分割法进行分割处理，得到多个表面曲率平缓、拓扑简单的子曲面；步骤三：在一子曲面上采用测地线方法选定种子曲线，并根据喷枪喷出的涂料在待喷涂工件表面的沉积分布模型优化当前路径速度和相邻行程间距，生成下一条偏置路径；步骤四：对其他子曲面分别采用步骤三的方法，得到下一条偏置路径，生成待喷涂工件表面全覆盖的优化喷涂路径。该方法基于喷涂工件曲面表面曲率，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及喷涂机器人制造
，具体来说，设及一种基于表面曲率的喷涂 机器人自动路径生成方法。
技术介绍
机器人已经广泛应用于自动化工业中，喷涂机器人作为机器人技术与喷涂工艺相 结合的产物，主要用于喷涂工业生产中，但人工示教的方法编程周期长，往往需要Ξ到五个 月时间才能完全规划好喷枪路径，而编程时间是恰恰是将喷涂机器人广泛推向市场的关键 问题。运时自动编程技术与喷涂机器人的结合很好地解决了运个问题，于是喷涂机器人离 线轨迹规划技术成了研究热点。 W机器人代替人工劳力，W离线编程代替人工示教，目的除了可W减少喷涂周期 和材料浪费，最重要的是期望在工件表面获得更加均匀的涂料涂层，即均匀覆盖。在喷涂生 产中，完成规划喷涂路径任务，使得整个曲面表面被完全覆盖，并且获得均匀的涂层，运个 任务被称为均匀覆盖问题。 对均匀覆盖问题的影响因素有很多，除了喷枪模型的影响，工件曲面表面的状况 对其有直接的影响。现有成熟的喷涂机器人离线轨迹规划应用软件大多局限于曲面几何单 一（近似平面）、拓扑简单（无孔桐）的工件。而现实生产中，曲面大多是复杂的，运里必须 对工件曲面进行曲面分割，分割成多个曲面几何单一，拓扑简单的子曲面，然后在子曲面上 进行路径规划。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：针对各种复杂 多样的待喷涂工件，缺乏一种统一的喷涂机器人工艺流程算法，如何解决复杂曲面分割问 题，如何优化喷涂轨迹来满足工件曲面的完全均匀覆盖，从而推进喷涂工业的自动化进程， 提高喷涂制造业的生产率水平，并降低生产成本。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于表面曲率的喷涂机器人 自动路径生成方法，该方法基于喷涂工件曲面表面曲率，针对各种复杂的喷涂工件，提供 了一套自动生成优化喷涂轨迹的工艺，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。[000引技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术实施例采用的技术方案为： -种基于表面曲率的喷涂机器人自动路径生成方法，该生成方法包括W下步骤： 步骤一：根据待喷涂工件的S化格式模型，测算待喷涂工件曲面各处的高斯曲率； 步骤二：对待喷涂工件曲面分别采用基于高斯曲率的改进分水岭算法和投影近似 分割法进行分割处理，得到多个表面曲率平缓、拓扑简单的子曲面； 步骤Ξ:在一子曲面上采用测地线方法选定种子曲线，并根据喷枪喷出的涂料在 待喷涂工件表面的沉积分布模型优化当前路径速度和相邻行程间距，生成下一条偏置路 径； 步骤四：对其他子曲面分别采用步骤Ξ的方法，得到下一条偏置路径，生成待喷涂 工件表面全覆盖的优化喷涂路径。 作为优选例，所述的步骤一具体为：首先从工件模型库中导入待喷涂工件模型，该 模型采用Ξ角形网络化模型，数据格式采用S化格式，并且采用Ξ角网格逼近近似的方法 计算待喷涂工件表面各处的高斯曲率。 作为优选例，所述的计算待喷涂工件曲面各处的高斯曲率的过程为： 步骤101)计算曲面中顶点Vi周围极小区域的面积之和Am(Vi):设Να)表示WVi 为顶点的Ξ角形总数，{Vi, V2,. . .，Vww}表示与顶点Vi相邻的顶点集合，各个Ξ角形V iVjVju 中包含的极小区域面积为Sj(Vi)，j= 1，2,…，N(i)，则[001引设a、b为与顶点V谨接的两条边的长度，C为与顶点V1相对的边的长度；顶点V1 所在角的角度为ZA;ZB和ZC为与顶点Vi相对的两个角的角度，分如下情况处理： 当包含顶点S角形V iVjVw是锐角S角形时， 当包含顶点Vi的Ξ角形V iViVw是直角或纯角Ξ角形时，分Ξ种情况处理：[001引当ZA是纯角时：；Sv表示根据 Ξ个顶点坐标通过海伦公式计算得到Ξ角形Viv,vw的面积； 当ZB是纯角时， 当ZC是纯角时， 步骤102)计算顶点Vi所在的所有Ξ角形顶角的角度Θ,表示第j个Ξ角 形中顶点Vi所在角的度数，且与亏表示由点Vi到点V,的向量， '嗦>如1表示由点Vi至Ij点VW的向量； 步骤103)根据式（1)计算顶点Vi的高斯曲率Κ(ν1): 作为优选例，所述步骤二具体包括：步骤201)针对工件表面的几何特征，采用基于高斯曲率的改进Ξ维分水岭算法 将工件表面分割为若干表面曲率平缓的子片； 步骤202)针对工件表面的拓扑特征，采用投影近似分割法将子片划分为表面曲 率平缓且拓扑简单的子曲面。 作为优选例，所述的步骤201)具体包括： 步骤2011)计算并标记极小值：将步骤一得到的各顶点的高斯曲率作为高度的函 数，并在所有顶点中寻找并标记曲率的局部极小值点，该局部极小值点处的高斯曲率低于 相邻的所有顶点的高斯曲率；[002引步骤20。）寻找高度函数曲面分布中的每一个曲率变化较小的平坦区域，该平坦 区域内所包含顶点的高斯曲率差值小于预设高斯曲率阔值，并将其分类并标记为曲率均值 较小的低谷区域和曲率均值较大的高原区域； 步骤2013)对各高原区域进行遍历最速下降处理，W完成曲面的初步分割：选取 一高原区域的边界点作为下降起始点，然后该点沿着一条路径曲率下降，直到到达之前标 记的某个极小值点或低谷区域；如果遇到另一个高原区域，合并两个高原区域，将合并后得 到的高原区域继续下降，直到到达极小值点或低谷区域；划分得到一个包含该下降子路径 中所有顶点的子曲面，对该子曲面所在区域及其包含的所有顶点标记识别标签，然后重复 上述过程，直至整个曲面中所有顶点均标记识别标签，完成曲面的初步分割，形成子曲面； 步骤2014)区域整合，形成子片：首先计算每个区域的分水岭深度，分水岭深度为 该区域最低点和该区域边界最低点之差；如果该区域的分水岭深度低于预定深度阔值时， 那么将该区域和具有区域边界最低点的邻域合并，得到新的区域，并相应地更新区域信息； 重复此步骤，直到所有区域的分水岭深度都高于或等于预定深度阔值，各区域对应为一个 分割后得到的子片。 作为优选例，所述的步骤202)具体包括： 步骤2021)对曲面进行投影，投影的方向为该曲面的平均法向量的反方向，将曲 面转化为二维平面； 步骤2022)对曲面边界进行关键点近似，将曲面转换为多边形； 步骤2023)在获得多边形之后，对边界进行判断，获取外部边界和孔桐； 步骤2024)延长内外边界的每一条边界线段，将多边形划分为单元片； 步骤2025)在获得单元片之后，利用区域生长算法将单元片组合成子片；[003引步骤2026)将步骤202?组合的子片映射回原曲面，获得最终的子曲面。 作为优选例，所述的第Ξ步具体包括： 步骤301)选择喷涂模型：采用楠圆双β模型，如式似所示：[00川式似 其中，（X，y)表示喷涂点S的坐标；f(S,a(t),t)表示喷涂点S处的涂层累积速率； a(t)表示喷涂轨迹；dm。、表示单位时间涂层累积最大厚度；a表示楠圆长半轴长度，b表示楠 圆短半轴长度；01表示楠圆双β模型的第一指数参数，β2表示楠圆双β模型的第二指 数参数； 步骤302)选择种子曲线： 种子曲线相对位置的选择：对于零高斯曲率的曲面，任意选一个测地线作为种子 曲线，其偏移得到的新行程也为测地线；对于非零高斯曲率的曲面，测地线偏移得到的新路 径行程不一定为测地线，根据Gauss-B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面曲率的喷涂机器人自动路径生成方法，其特征在于：该生成方法包括以下步骤：步骤一：根据待喷涂工件的STL格式模型，测算待喷涂工件曲面各处的高斯曲率；步骤二：对待喷涂工件曲面分别采用基于高斯曲率的改进分水岭算法和投影近似分割法进行分割处理，得到多个表面曲率平缓、拓扑简单的子曲面；步骤三：在一子曲面上采用测地线方法选定种子曲线，并根据喷枪喷出的涂料在待喷涂工件表面的沉积分布模型优化当前路径速度和相邻行程间距，生成下一条偏置路径；步骤四：对其他子曲面分别采用步骤三的方法，得到下一条偏置路径，生成待喷涂工件表面全覆盖的优化喷涂路径。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周波，吴宝举，戴先中，孟正大，徐龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32