一种基于大型复杂曲面模型的机器人喷涂轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于大型复杂曲面模型的机器人喷涂轨迹规划方法，步骤为：首先是数模离线规划：对工件模型进行区域划分，确定各子区域对应的机器人位置；采用基于STL文件平行切片算法确定各子区域喷枪轨迹；生成机器人运动程序；最后对机器人运动程序进行运动分析、干涉检查。若未通过，需重新划分区域、确定各子区域对应的机器人位置，若通过，进入实际喷涂规划部分。实际喷涂规划：利用视觉系统确定实际工件的位姿，对离线规划结果进行相应坐标变换，并对变换后的运动程序进行仿真分析，最终完全通过即可进行实际喷涂，否则重新对离线规划结果进行适当调整。采用本方法能够提高大型复杂曲面喷涂的效率、降低成本且易于实现工艺参数变更。

A spray trajectory planning method of robot based on large complex surface model

【技术实现步骤摘要】
一种基于大型复杂曲面模型的机器人喷涂轨迹规划方法
本专利技术涉及一种机器人喷涂轨迹规划方法，具体涉及一种针对大型复杂曲面的喷涂轨迹规划方法。
技术介绍
科技日新月异，劳动力成本逐年上涨，机器人的需求也随之增加。尤其在喷涂行业，机器人喷涂广泛用于汽车、模具、铸件等产品的涂装。经过这么多年的技术革新，用于汽车车身涂装生产线的喷涂机器人系统已经可以达到自动化需求，其最终表面质量也已经得到很好的保证。然而，具有大型复杂表面的铸件喷涂处理方面仍旧有待提高，尤其是风能行业所用铸件的喷涂，多采用人工喷涂的方法。人工喷涂即操作者握持喷枪对工件进行喷涂。人工喷涂劳动强度大，一个有经验能保证喷涂质量合格的工人需要较长的培训周期。考虑到人工喷涂的可重复性低、对工人身体伤害大、培训周期长、成本高等特点，许多企业都使用机器人喷涂。机器人喷涂一般都采用示教模式。即操作者提前规划喷涂路径，通过示教器操控机器人到达预定位置，并保存成相应的指令程序，之后可根据这些程序重复自动喷涂。对于平面等简单表面此方式可以满足要求，但是在面对复杂的曲面时，不可避免地出现示教过程复杂、耗时较长，对操作者技能要求高，对工件摆放位置的限定等缺点。离线编程系统的出现，克服传统的人工示教模式的诸多缺点，操作人员可以利用相应的喷涂机器人厂商提供的离线编程软件，离线编制机器人喷涂轨迹程序，然后导入到机器人控制器以实现重复喷涂任务。现有的离线编程软件所产生的喷涂轨迹依据离线示教得到。即利用离线编程软件系统自带的机器人模型以及导入的工件模型，根据喷涂工件的形状，离线示教控制点，再结合机器人的运动指令编写机器人运动程序。这个过程也耗费时间，并且要求操作员了解机器人的运动特性、熟悉喷涂工艺等相关知识，操作门槛较高。目前喷涂机器人喷涂轨迹自动规划系统已被提出。这种系统一般都有喷枪模型、工艺参数模块、轨迹规划模块、轨迹优化模块、机器人程序生成模块，运动仿真模块等。可根据不同的工艺参数，快速生成不同的喷涂程序。而且，结合仿真模块可以做干涉检查、喷涂效果预估等。尤其在应对规则曲面、较大面积的简单自由曲面，相较于传统的示教模式表现出极大的效率优势。但在应对大型复杂表面喷涂作业任务时，往往表现不足。大型复杂表面需要分区域进行喷涂任务。可采用外部轴联动来弥补机器人工作空间有限的现实不足，但随着外部轴的增加，联动控制难度与成本也会大幅度提高。而且一般自动喷涂设备都需要针对不同工件配备专门的定位工装夹具，产品更新时需重新设计工装，这些都会增加成本。当模型具有复杂曲面时，具体到每一个子区域其轨迹规划的难度也会增加，并且这一部分往往和喷涂方案紧密联系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种针对大型复杂曲面机器人喷涂轨迹自动规划方法，该方法具有基于模型、受空间位置变动影响较小、生成轨迹的工艺参数便于更改等特点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：基于大型复杂曲面模型的机器人喷涂轨迹规划方法，首先进行数模离线规划，然后进行实际喷涂规划；所述的数模离线规划流程具体步骤如下：步骤一、按照实际喷涂采用的X、Y、Z三自由度移动平台与机器人的装配关系以及喷涂工具与机器人的装配关系，在CAD软件中建X、Y、Z三自由度移动平台模型、机器人模型和喷枪工具模型；其中，机器人模型的基座与三自由移动平台沿竖直方向设置的Z轴底部固连，实现三自由度移动平台模型带动机器人模型沿X、Y、Z三个方向上的移动，喷涂工具模型装配在机器人模型末端法兰上；步骤二、在CAD软件建立待喷涂工件模型，并建立待喷涂工件模型的工件坐标系P-xyz，所述的工件坐标系的原点可以建立在工件模型的几何中心上，所述工件坐标系的方向与三自由度移动平台的X、Y、Z方向一致；然后在待喷涂工件模型上选取有利于相机识别出的特征线，把特征线在工件坐标系P-xyz下的位姿PF记录在计算机的数据库中；步骤三、在CAD软件中不断调整机器人模型在工件坐标系下的位置，并拖动机器人模型的各关节，将待喷涂工件模型表面顺次进行分片处理形成若干喷涂子区域，使得每一片喷涂子区域与一个机器人位置相对应，且在该对应位置下机器人末端安装的喷枪工具模型能够覆盖该喷涂子区域，最终把待喷工件模型表面完整分片，且不同的喷涂子区域之间的曲率变化较为平缓；然后，记录每个喷涂子区域的排列顺序以及与该喷涂子区域对应的机器人自身的基础坐标系在工件坐标系P-xyz下的位姿PR；最后，利用CAD软件把待喷涂工件模型按照喷涂子区域分别另存为STL格式的喷涂子区域模型文件；步骤四、把STL格式的各喷涂子区域模型文件加载到计算机的轨迹规划模块，所述的轨迹规划模块是基于STL文件的分层切片技术编写的处理程序；所述的轨迹规划模块执行以下步骤：第一步，将根据喷涂实验并结合喷涂经验确定的喷涂工艺参数写入到数据库中，所述的喷涂工艺参数具体包括：喷涂轨迹间隔、喷涂方向、喷涂高度、喷涂速度和喷涂工具尺寸参数；第二步，对加载的各喷涂子区域模型的STL文件的内容进行解析；第三步，加载数据库中的喷涂轨迹间隔及喷涂方向参数；第四步，沿设定的喷涂方向对各个喷涂子区域模型依次进行平行间隔切片处理，将各切面处的外轮廓点生成切面轮廓点序列，所述的切面轮廓点序列中的各外轮廓点记录为由位置与方向构成的六维位姿矢量，各切面间距等于喷涂轨迹间隔；第五步，以各喷涂子区域为单元，将每个单元的各切面轮廓点序列按照切片次序保存至数据库的该单元目录下；步骤五、计算机的轨迹优化模块以各喷涂子区域为单元加载数据库中的各喷涂子区域的切面轮廓点序列，所述的轨迹优化模块执行以下步骤：第一步，依次对各切面轮廓点序列进行优化处理，去除冗余点；第二步，以各喷涂子区域为单元，保存去除冗余点后的各切面轮廓点序列；第三步，以各喷涂子区域为单元，对优化后的各切面轮廓点序列按切片次序把各切面轮廓点序列首尾连接，形成各喷涂子区域在工件坐标系下的喷涂轨迹点序列，并保存在数据库；步骤六、计算机的机器人程序生成模块按各喷涂子区域为单元，加载数据库中各喷涂子区域的喷涂轨迹点序列，所述机器人程序生成模块执行以下步骤：第一步、加载数据库中喷涂高度、喷涂速度参数和喷涂工具尺寸参数；第二步，根据喷涂方向、喷涂高度、喷涂速度以及喷涂工具尺寸参数，对各喷涂子区域的喷涂轨迹点序列添加机器人实际进行喷涂采用的动作指令以及工具坐标系构建指令生成与各喷涂子区域对应的机器人喷涂运动程序，工具坐标系三主轴方向与机器人自带的末端法兰坐标系的方向一致；第三步，以各喷涂子区域为单元，把与各喷涂子区域对应的机器人喷涂运动程序保存至数据库；步骤七、将与各喷涂子区域对应的机器人喷涂运动程序导入到运动仿真模块，检查机器人本体、三自由度移动平台以及喷涂房间内其他物体间是否存在碰撞；如果通过检查，则进入实际规划流程；否则，重复步骤三重新调整喷涂子区域，然后重复步骤四至步骤六，直到通过干涉检查；所述的实际喷涂规划流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于大型复杂曲面模型的机器人喷涂轨迹规划方法，其特征在于：首先进行数模离线规划，然后进行实际喷涂规划；/n所述的数模离线规划流程具体步骤如下：/n步骤一、按照实际喷涂采用的X、Y、Z三自由度移动平台与机器人的装配关系以及喷涂工具与机器人的装配关系，在CAD软件中建X、Y、Z三自由度移动平台模型、机器人模型和喷枪工具模型；其中，机器人模型的基座与三自由移动平台沿竖直方向设置的Z轴底部固连，实现三自由度移动平台模型带动机器人模型沿X、Y、Z三个方向上的移动，喷涂工具模型装配在机器人模型末端法兰上；/n步骤二、在CAD软件建立待喷涂工件模型，并建立待喷涂工件模型的工件坐标系P-xyz，所述的工件坐标系的原点可以建立在工件模型的几何中心上，所述工件坐标系的方向与三自由度移动平台的X、Y、Z方向一致；/n然后在待喷涂工件模型上选取有利于相机识别出的特征线，把特征线在工件坐标系P-xyz下的位姿PF记录在计算机的数据库中；/n步骤三、在CAD软件中不断调整机器人模型在工件坐标系下的位置，并拖动机器人模型的各关节，将待喷涂工件模型表面顺次进行分片处理形成若干喷涂子区域，使得每一片喷涂子区域与一个机器人位置相对应，且在该对应位置下机器人末端安装的喷枪工具模型能够覆盖该喷涂子区域，最终把待喷工件模型表面完整分片，且不同的喷涂子区域之间的曲率变化较为平缓；/n然后，记录每个喷涂子区域的排列顺序以及与该喷涂子区域对应的机器人自身的基础坐标系在工件坐标系P-xyz下的位姿PR；/n最后，利用CAD软件把待喷涂工件模型按照喷涂子区域分别另存为STL格式的喷涂子区域模型文件；/n步骤四、把STL格式的各喷涂子区域模型文件加载到计算机的轨迹规划模块，所述的轨迹规划模块是基于STL文件的分层切片技术编写的处理程序；/n所述的轨迹规划模块执行以下步骤：/n第一步，将根据喷涂实验并结合喷涂经验确定的喷涂工艺参数写入到数据库中，所述的喷涂工艺参数具体包括：喷涂轨迹间隔、喷涂方向、喷涂高度、喷涂速度和喷涂工具尺寸参数；/n第二步，对加载的各喷涂子区域模型的STL文件的内容进行解析；/n第三步，加载数据库中的喷涂轨迹间隔及喷涂方向参数；/n第四步，沿设定的喷涂方向对各个喷涂子区域模型依次进行平行间隔切片处理，将各切面处的外轮廓点生成切面轮廓点序列，所述的切面轮廓点序列中的各外轮廓点记录为由位置与方向构成的六维位姿矢量，各切面间距等于喷涂轨迹间隔；/n第五步，以各喷涂子区域为单元，将每个单元的各切面轮廓点序列按照切片次序保存至数据库的该单元目录下；/n步骤五、计算机的轨迹优化模块以各喷涂子区域为单元加载数据库中的各喷涂子区域的切面轮廓点序列，所述的轨迹优化模块执行以下步骤：/n第一步，依次对各切面轮廓点序列进行优化处理，去除冗余点；/n第二步，以各喷涂子区域为单元，保存去除冗余点后的各切面轮廓点序列；/n第三步，以各喷涂子区域为单元，对优化后的各切面轮廓点序列按切片次序把各切面轮廓点序列首尾连接，形成各喷涂子区域在工件坐标系下的喷涂轨迹点序列，并保存在数据库；/n步骤六、计算机的机器人程序生成模块按各喷涂子区域为单元，加载数据库中各喷涂子区域的喷涂轨迹点序列，所述机器人程序生成模块执行以下步骤：/n第一步、加载数据库中喷涂高度、喷涂速度参数和喷涂工具尺寸参数；/n第二步，根据喷涂方向、喷涂高度、喷涂速度以及喷涂工具尺寸参数，对各喷涂子区域的喷涂轨迹点序列添加机器人实际进行喷涂采用的动作指令以及工具坐标系构建指令生成与各喷涂子区域对应的机器人喷涂运动程序，工具坐标系三主轴方向与机器人自带的末端法兰坐标系的方向一致；/n第三步，以各喷涂子区域为单元，把与各喷涂子区域对应的机器人喷涂运动程序保存至数据库；/n步骤七、将与各喷涂子区域对应的机器人喷涂运动程序导入到运动仿真模块，检查机器人本体、三自由度移动平台以及喷涂房间内其他物体间是否存在碰撞；如果通过检查，则进入实际规划流程；否则，重复步骤三重新调整喷涂子区域，然后重复步骤四至步骤六，直到通过干涉检查；/n所述的实际喷涂规划流程具体步骤如下：/n步骤一、启动三自由度平台的控制模块对三自由度移动平台进行原点标定，具体过程为：将三自由度平台移动至喷涂间的某一位置处记为三自由度移动平台的原点，并将该位置作为喷漆间的全局坐标系G-xyz的原点，全局坐标系G-xyz的三主轴方向与三自由度移动平台的X、Y、Z方向一致，然后将待喷涂工件放置在喷涂间；/n步骤二、启动视觉系统对工件的特征线进行拍照，获取所述的特征线在全局坐标系G-xyz下的位姿GF；然后，视觉系统将位姿GF发送给计算机中坐标转换模块；/n步骤三，坐标转换模块首先加载数据库中保存的工件坐标系P-xyz下各喷涂子区域对应的机器人基础坐标系的位姿PR、各喷涂子区域对应的机器人...

【技术特征摘要】
1.基于大型复杂曲面模型的机器人喷涂轨迹规划方法，其特征在于：首先进行数模离线规划，然后进行实际喷涂规划；
所述的数模离线规划流程具体步骤如下：
步骤一、按照实际喷涂采用的X、Y、Z三自由度移动平台与机器人的装配关系以及喷涂工具与机器人的装配关系，在CAD软件中建X、Y、Z三自由度移动平台模型、机器人模型和喷枪工具模型；其中，机器人模型的基座与三自由移动平台沿竖直方向设置的Z轴底部固连，实现三自由度移动平台模型带动机器人模型沿X、Y、Z三个方向上的移动，喷涂工具模型装配在机器人模型末端法兰上；
步骤二、在CAD软件建立待喷涂工件模型，并建立待喷涂工件模型的工件坐标系P-xyz，所述的工件坐标系的原点可以建立在工件模型的几何中心上，所述工件坐标系的方向与三自由度移动平台的X、Y、Z方向一致；
然后在待喷涂工件模型上选取有利于相机识别出的特征线，把特征线在工件坐标系P-xyz下的位姿PF记录在计算机的数据库中；
步骤三、在CAD软件中不断调整机器人模型在工件坐标系下的位置，并拖动机器人模型的各关节，将待喷涂工件模型表面顺次进行分片处理形成若干喷涂子区域，使得每一片喷涂子区域与一个机器人位置相对应，且在该对应位置下机器人末端安装的喷枪工具模型能够覆盖该喷涂子区域，最终把待喷工件模型表面完整分片，且不同的喷涂子区域之间的曲率变化较为平缓；
然后，记录每个喷涂子区域的排列顺序以及与该喷涂子区域对应的机器人自身的基础坐标系在工件坐标系P-xyz下的位姿PR；
最后，利用CAD软件把待喷涂工件模型按照喷涂子区域分别另存为STL格式的喷涂子区域模型文件；
步骤四、把STL格式的各喷涂子区域模型文件加载到计算机的轨迹规划模块，所述的轨迹规划模块是基于STL文件的分层切片技术编写的处理程序；
所述的轨迹规划模块执行以下步骤：
第一步，将根据喷涂实验并结合喷涂经验确定的喷涂工艺参数写入到数据库中，所述的喷涂工艺参数具体包括：喷涂轨迹间隔、喷涂方向、喷涂高度、喷涂速度和喷涂工具尺寸参数；
第二步，对加载的各喷涂子区域模型的STL文件的内容进行解析；
第三步，加载数据库中的喷涂轨迹间隔及喷涂方向参数；
第四步，沿设定的喷涂方向对各个喷涂子区域模型依次进行平行间隔切片处理，将各切面处的外轮廓点生成切面轮廓点序列，所述的切面轮廓点序列中的各外轮廓点记录为由位置与方向构成的六维位姿矢量，各切面间距等于喷涂轨迹间隔；
第五步，以各喷涂子区域为单元，将每个单元的各切面轮廓点序列按照切片次序保存至数据库的该单元目录下；
步骤五、计算机的轨迹优化模块以各喷涂子区域为单元加载数据库中的各喷涂子区域的切面轮廓点序列，所述的轨迹优化模块执行以下步骤：
第一步，依次对各切面轮廓点序列进行优化处理，去除冗余点；
第二步，以各喷涂子区域为单元，保存去除冗余点后的各切面轮廓点序列；
第三步，以各喷涂子区域为单元，对优化后的各切面轮廓点序列按切片次序把各切面轮廓点序列首尾连接，形成各喷涂子区域在工件坐标系下的喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪鹰，竹永伟，肖聚亮，杜红灯，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12