一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，涉及信号处理技术领域。步骤一：建立喷枪帽三维模型以及基于圆柱面静态喷涂的控制域，进行数值模拟实验并采集数值模拟实验数据；步骤二：数据分析，分析不同圆柱直径变位姿喷涂下的涂膜厚度规律，得出变位姿喷枪可调范围；步骤三：建立喷枪数学模型，结合喷枪位姿可调范围，进行喷涂实验；步骤四：收集实验涂膜数据，根据变位姿喷枪数学模型，采用Trust

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法


[0001]本专利技术涉及数控喷涂
，具体为一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法。

技术介绍

[0002]目前，随着自动化技术与信息技术的快速发展，机器人喷涂已逐渐取代人工喷涂，被广泛应用在汽车、航空、航天和船舶等领域的涂装制造中，阐明喷涂成膜规律并构建涂膜厚度分布预测模型，是实现基于离线编程的喷涂机器人数控喷涂轨迹规划的基础。
[0003]随着计算流体力学的发展，利用计算流体力学结合实验数据来计算涂膜厚度在理论上可适用于各种条件下的喷涂成膜过程仿真，Conner Zhao等人针对平面分析静电旋杯的移动速率对涂膜分布的影响规律，建立了静电空气喷涂涂膜厚度分布的数学模型，但所建模型并未考虑喷枪位姿对涂膜分布的影响规律，且只适用于静电旋杯喷枪不能适用于空气喷枪，一旦喷枪改变，模型将不再适用，由于空气喷涂气场、雾场和靶场是影响涂料转移和成膜质量的重要因素，为此，学者们试图揭示出三场作用下的空气喷涂成膜机理及特性，如Fogliati考虑气场和雾场的影响，采用拉格朗日法对涂料在平面上的转移和成膜过程进行了仿真，Barry针对空气喷涂射流冲击过程中空气流量、喷涂高度等参数对涂膜沉积的影响，运用可实现性k
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ε湍流模型对单一射流冲击目标平面的过程进行了仿真，Garbero等人研究发现涂料的粘度越高，雾化液滴撞击固体表面的反弹或飞溅现象越少，基于这一结论，Tafuri等人通过记录液滴撞击表面的位置和质量，得到涂膜厚度分布图，然而，这些研究均是针对平面喷涂展开的，尚未研究靶场为曲面时对成膜规律的影响，因此研究不够全面，陈雁等人分别运用欧拉
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欧拉法和欧拉
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拉格朗日法研究了不同大小圆弧面和球面喷涂的成膜机理及特性，然而，上述研究成果只是在喷枪垂直于表面且位置固定不变的情况下获得的，尚未考虑喷枪位姿参数发生变化时对成膜规律的影响，其研究结果远不能满足复杂曲面变量喷涂的需要。
[0004]因此，急需阐明喷枪位姿对复杂曲面喷涂成膜规律的影响，针对上述问题提出一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，以解决上述
技术介绍
中提出现有在窗帘安装轨道时，因高度的问题无法准确将轨道固定在规定位置上，需要通过工人攀高后手扶操作，降低工作效率同时易出现摔倒等安全隐患的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，包含以下步骤：
[0007]步骤一：建立喷枪帽三维模型以及基于圆柱面静态喷涂的控制域，进行数值模拟实验并采集数值模拟实验数据；
[0008]步骤二：数据分析，分析不同圆柱直径变位姿喷涂下的涂膜厚度规律，得出变位姿喷枪可调范围；
[0009]步骤三：建立喷枪数学模型，结合喷枪位姿可调范围，进行喷涂实验；
[0010]步骤四：收集实验涂膜数据，根据变位姿喷枪数学模型，采用Trust
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Region优化算法对实验数据进行拟合，得到圆柱面变位姿模型待识别参数，进行多元线性回归分析，得到圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度预测模型。
[0011]基于上述步骤一中所述建立喷枪帽三维模型型以及仿真控制域，具体步骤如下：
[0012]步骤一(1)：首先建立空气喷枪喷帽模型，喷帽中心是涂料孔，涂料孔外侧是环形的中心雾化孔，中心雾化孔两侧分别排列两个辅助雾化孔，空气帽两侧牛角形结构上分别布置两个扇面控制孔；
[0013]步骤一(2)：根据改变圆柱直径与变位姿喷涂的需要，本次研究针对不同直径的圆柱面采用变位姿喷涂方式进行数值模拟，圆柱直径分别为D1、D2、D3，根据喷枪工艺要求，允许喷涂高度可调范围为H1～H2，并预设喷涂角度调节范围为α1～α2，对于不同的喷涂高度、喷涂角度以及圆柱直径，需要设置不同的控制域进行模拟计算。
[0014]基于上述步骤一中所述对基于圆柱面静态变位姿喷涂的数值模拟计算的方法包括如下步骤：
[0015]步骤一(3)：对喷雾流场设置两个相，第一相为气相，代表喷雾流场中的空气，第二相为液相，代表流场中的涂料液滴，涂料选用商用水性漆，经过测量仪器测出其密度与粘度，根据数值模拟边界条件及所需参数，分别对气相质量流量、液相质量流量、液相初始速度、液相入口处体积率、湍流强度、水力直径、喷枪雾化压力、重力、操作压力、静态喷涂时间进行设置；
[0016]步骤一(4)：采集数值模拟实验数据：对于喷涂到圆柱壁面上的涂料液滴，以喷枪喷锥方向为Z向，圆柱面周向方向为X向，圆柱面轴向方向为Y向建立坐标系，分别对圆柱壁面上X方向和Y方向采集数值模拟数据点。
[0017]基于上述步骤二中所述不同圆柱直径变位姿喷涂下的涂膜厚度规律分析方法包括如下步骤：
[0018]步骤二(1)：首先对圆柱直径、喷涂高度及喷涂角度采用控制变量的方法分析涂膜厚度变化的规律，即控制其中两个量不变，研究另外一个量对涂膜厚度变化的影响规律，喷涂高度、喷涂角度以及圆柱直径都会对涂膜厚度分布产生影响。
[0019]步骤二(2)：通过静态喷涂实验发现，涂膜分布曲线中最大涂膜厚度过低将导致流平性较差，而过大的涂膜厚度又将导致工件表面流挂的产生，上述两种情况都会影响涂膜质量，考虑到实验用涂料的粘度，为确保涂膜质量，这里将最大涂膜厚度设置在T1～T2范围内，根据上述数值模拟结果，并规定喷涂高度的调节范围为H1～H2，可采用灰色预测及拟合插值的方法，获得在该涂膜厚度范围内喷涂角度的可调范围；
[0020]步骤二(3)：通过分析不同直径圆柱在不同喷涂高度下得到的喷涂角度的变化规律，可获得最大涂膜厚度范围内随喷枪位姿的变化关系
[0021]基于上述步骤三中所述建立喷枪数学模型步骤如下：
[0022]步骤三(1)：假设静态喷涂过程中喷涂工艺参数和喷涂环境恒定不变，圆柱面喷涂示意图如图1所示，S点为喷涂区域内任意一点，r为喷枪喷涂中心点到点S的距离，R为喷涂
半径，θ为点S与喷枪的连线与喷枪中心线的夹角，为喷枪的张角，α为喷枪的喷射倾角；
[0023]当喷枪在平面上垂直喷涂时，建立高斯和模型，其表达公式如下：
[0024][0025]其中公式中ω
i
，r
i
，σ
i
为待辨识参数，i＝1，2,
…
，N。当N趋向于无穷时，该函数可以逼近任意形式的分布，但随着N的增大，模型的复杂性也急剧增大，本次采用三个高斯核函数之和的形式进行建模；
[0026][0027]如图2所示，在喷涂范围内任意选取一点S，平面P1为基准平面，平行于P1且经过点S的平面P2为工作平面，喷枪垂直喷射方向喷出圆形区域C1、C2交于P1、P2，H和H
S
分别为垂直于喷涂平面P1和P2的高度，根据微分几何面积放大定理可得：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：建立喷枪帽三维模型以及基于圆柱面静态喷涂的控制域，进行数值模拟实验并采集数值模拟实验数据；步骤二：数据分析，分析不同圆柱直径变位姿喷涂下的涂膜厚度规律，得出变位姿喷枪可调范围；步骤三：建立喷枪数学模型，结合喷枪位姿可调范围，进行喷涂实验；步骤四：收集实验涂膜数据，根据变位姿喷枪数学模型，采用Trust
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Region优化算法对实验数据进行拟合，得到圆柱面变位姿模型待识别参数，进行多元线性回归分析，得到圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度预测模型。2.根据权利要求1所述的基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，其特征在于：基于上述步骤一中所述建立喷枪帽三维模型型以及仿真控制域，具体步骤如下：步骤一(1)：首先建立空气喷枪喷帽模型，喷帽中心是涂料孔，涂料孔外侧是环形的中心雾化孔，中心雾化孔两侧分别排列两个辅助雾化孔，空气帽两侧牛角形结构上分别布置两个扇面控制孔；步骤一(2)：根据改变圆柱直径与变位姿喷涂的需要，本次研究针对不同直径的圆柱面采用变位姿喷涂方式进行数值模拟，圆柱直径分别为D1、D2、D3，根据喷枪工艺要求，允许喷涂高度可调范围为H1～H2，并预设喷涂角度调节范围为α1～α2，对于不同的喷涂高度、喷涂角度以及圆柱直径，需要设置不同的控制域进行模拟计算。3.根据权利要求1所述的基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，其特征在于：基于上述步骤一中所述对基于圆柱面静态变位姿喷涂的数值模拟计算的方法包括如下步骤：步骤一(3)：对喷雾流场设置两个相，第一相为气相，代表喷雾流场中的空气，第二相为液相，代表流场中的涂料液滴，涂料选用商用水性漆，经过测量仪器测出其密度与粘度，根据数值模拟边界条件及所需参数，分别对气相质量流量、液相质量流量、液相初始速度、液相入口处体积率、湍流强度、水力直径、喷枪雾化压力、重力、操作压力、静态喷涂时间进行设置；步骤一(4)：采集数值模拟实验数据：对于喷涂到圆柱壁面上的涂料液滴，以喷枪喷锥方向为Z向，圆柱面周向方向为X向，圆柱面轴向方向为Y向建立坐标系，分别对圆柱壁面上X方向和Y方向采集数值模拟数据点。4.根据权利要求1所述的基于圆柱面变位姿喷涂涂膜厚度的预测建模方法，其特征在于：基于上述步骤二...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾勇，刘久轩，赵雪雅，韩德庆，陈洪博，戴尧，卢倩，
申请(专利权)人：盐城工学院技术转移中心有限公司，
类型：发明
国别省市：