一种面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法技术

本发明专利技术公开了一种面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法，首先将风机叶片模型的表面网格化；然后构建喷涂系统进行初次分片，将风机叶片模型中的三角片进行聚类整合并遍历；对大曲率曲面和小曲率曲面进行算法提取和分片造型；形成不同曲率面片的分片模型；根据建立的匀速喷涂模型和分片模型，以双边协作的机器人的防碰撞、运动学约束作为约束条件，以喷涂质量最优化、喷涂效率最优化、工作时间均衡化为目标建立喷涂轨迹多目标优化模型，求出轨迹间距和喷涂速度的Pareto最优解；求得切平面和三角网格的交点，沿交点的法向偏置一个喷枪高度h的轨迹点，将轨迹点优化并按顺序连接得到喷涂路径。本发明专利技术提高了风机叶片的喷涂效率和涂层质量。效率和涂层质量。效率和涂层质量。

【技术实现步骤摘要】
一种面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法


[0001]本专利技术涉及自动化控制
中的机器人喷涂轨迹优化方法，尤其涉及一种面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法。

技术介绍

[0002]风电行业在现阶段依旧以人工喷涂为主。目前针对风电自动化喷涂的研究较少。尽管目前有面向风机叶片的机器人喷涂工作站，但是人工示教的方式居多，基于离线编程的喷涂轨迹规划技术应用较少，导致人力成本不必要的浪费和工作时间变长。虽然现阶段存在双边协作机器人的喷涂模式，但由于叶片体积较大且膜厚均匀性要求较高，在此模式下协作机器人的任务分配和喷涂工艺参数的优化仍需进一步完善。
[0003]在喷涂之前，通常需要对工件的表面进行分片处理，但针对如风机叶片的大型复杂工件的实际加工工况较少。现有的喷涂工艺未对大型工件特征和工件表面曲率变化产生的影响进行探究，从而忽略了不同面片的路径规划对膜厚质量的影响。
[0004]在机器人喷涂过程中，喷涂高度、轨迹间距和喷涂速度是调节喷涂膜厚质量的轨迹参数。目前的喷涂方式无法保证这些变量达到一个最优平衡解，从而难以保证叶片表面涂膜质量的均匀性。
[0005]现有技术中，专利技术专利《一种用于喷涂机器人的分层喷涂轨迹规划方法》(申请号201210286821.7)采用分层轨迹规划方法，针对工件的几何和拓扑特征分别应用双背离角法和投影法将复杂曲面分割为若干简单子曲面，但该方法没有考虑机器人运动范围和工件形状对分片结果的影响。专利技术专利《一种曲面喷涂轨迹规划方法》(申请号201810438437.1)在根据曲率划分区域后，利用切片算法获得与面域的交线轨迹，再通过法向量的偏移获得喷涂轨迹，该方法没有考虑双边协作机器人喷涂轨迹优化，因此也未对双边协作机器人的喷涂效率、喷涂质量等因素进行研究。专利技术专利《一种玩具模型表面喷涂系统及方法》(申请公告号CN 115945324A)建立了一种针对玩具模型表面的喷涂系统及方法，在确定喷涂路径后，通过异尺度配准算法和手眼转换矩阵配准实际喷涂位置。该方法在解决了小型复杂工件的加工工艺问题，受制于视觉相机的范围限制，不适用于大型复杂工件。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对大型风机叶片在喷涂工艺中喷涂效率低下，难以实现规模化、标准化生产的问题，本专利技术提出一种面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法，优化了面向风机叶片的喷涂过程，在满足膜厚的条件下提高了生产效率、缩减了生产成本。
[0007]技术方案：本专利技术面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法包括以下步骤：
[0008](1)将风机叶片模型的表面网格化处理，获取STL文件，对STL文件的模型信息存储和提取；
[0009](2)构建风机叶片模型的喷涂系统，对风机叶片模型进行初次分片，基于k
‑
means
聚类算法将风机叶片模型中的三角片进行聚类整合并遍历；根据不同曲率的成膜误差规律进行最终分片处理，对大曲率曲面和小曲率曲面进行算法提取和分片造型；最后输出拟合二次曲面的各个参数，形成不同曲率面片的分片模型；
[0010](3)建立空气喷枪的匀速喷涂模型，并采用经典β分布模型，分析厚度计算误差和三角片的离散步长、三角片的弦高之间的关系；
[0011](4)根据建立的匀速喷涂模型和分片模型，建立一个双边协作的机器人的工作单元；以双边协作的机器人的防碰撞、运动学约束作为约束条件，以双边协作的机器人的喷涂质量最优化、喷涂效率最优化、工作时间均衡化为目标建立喷涂轨迹多目标优化模型，求出轨迹间距和喷涂速度的Pareto最优解；
[0012](5)根据轨迹间距及喷涂直径，选择光栅型路径，沿着叶素方向等距离切片；求得切平面和三角网格的交点，沿交点的法向偏置一个喷枪高度h的轨迹点，将轨迹点优化并按顺序连接得到喷涂路径。
[0013]步骤(2)中，根据风机叶片模型的布局及双边协作的机器人的运动空间对风机叶片模型进行初次分片。
[0014]步骤(2)中的聚类整合包括以下步骤：
[0015](2.1)建立风机叶片模型的三角网格表达式：
[0016]M＝(T
i
；i＝1,2,...m)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0017]其中，M为叶片表面中三角片的总个数，T
i
是三角网格第i个三角数；
[0018](2.2)求取风机叶片上的平均法向量和最大偏角法向量计算公式如下：
[0019][0020][0021]其中，表示第i个三角片的法向量，S
i
表示第i个三角面片的面积，i表示划分三角片数量；从离散化的三角片中找出一个三角片作为种子三角片；
[0022](2.3)确定三角片法向量是否小于阈值角θ
th
，若小于，则添加至面片组；若大于阈值角θ
th
，则寻找新的种子三角片；
[0023](2.4)遍历完所有三角片。
[0024]步骤(2)中的拟合二次曲面的步骤如下：
[0025](a)对叶片的根部用圆柱二次曲面进行拟合，形成二次曲面；
[0026](b)对大曲率曲面和小曲率曲面进行算法提取和分片造型，承接步骤(2.3)将叶片网格化后将三角网格连接成曲面；
[0027](c)判断面片的几何形状参数是否满足涂层累积偏差和涂料覆盖半径，若满足，则定义为大曲率曲面；若不满足，则定义为小曲率曲面。
[0028]步骤(3)中的匀速喷涂模型T(x)的表达式如下：
[0029][0030]R为空气喷枪在平面上形成的喷涂区域的半径，r为点L到x轴的垂直距离，式中K是最大涂层累积速率，K0为调正系数，v为移动速度，β为累积速率系数。
[0031]步骤(4)的过程如下：
[0032](4.1)建立一个双边协作的机器人的工作单元；
[0033](4.2)建立双边协作的机器人的约束条件，对空间重合率进行计算；
[0034](4.3)根据叶片喷涂膜厚度要求建立喷涂轨迹多目标优化模型U
min
：
[0035][0036]其中，U
k
为各目标函数，表示各个优化目标的平均水平，C
k
表示各个优化目标的权重，v
min
为喷涂速度最小值，v
max
为喷涂速度最大值。
[0037]步骤(4.2)中的约束条件包括双边干涉约束w1和空间可达性约束w2。
[0038]步骤(4.3)中,采用MOTDO算法对该喷涂轨迹多目标优化模型求解，过程如下：
[0039](4.3.1)在目标的搜索空间中为轨迹参数构建地图模型，设定优化轨迹参数值h和v并对种群初始化；
[0040](4.3.2)设置初始种群数量及目标函数，通过如下矩阵行建模，U
k
为各目标函数，u
k
为第k个变量的候选值，m为给定变量的个数；
[0041][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将风机叶片模型的表面网格化处理，获取STL文件，对STL文件的模型信息存储和提取；(2)构建风机叶片模型的喷涂系统，对风机叶片模型进行初次分片，基于k
‑
means聚类算法将风机叶片模型中的三角片进行聚类整合并遍历；根据不同曲率的成膜误差规律进行最终分片处理，对大曲率曲面和小曲率曲面进行算法提取和分片造型；最后输出拟合二次曲面的各个参数，形成不同曲率面片的分片模型；(3)建立空气喷枪的匀速喷涂模型，并采用经典β分布模型，分析厚度计算误差和三角片的离散步长、三角片的弦高之间的关系；(4)根据建立的匀速喷涂模型和分片模型，建立一个双边协作的机器人的工作单元；以双边协作的机器人的防碰撞、运动学约束作为约束条件，以双边协作的机器人的喷涂质量最优化、喷涂效率最优化、工作时间均衡化为目标建立喷涂轨迹多目标优化模型，求出轨迹间距和喷涂速度的Pareto最优解；(5)根据轨迹间距及喷涂直径，选择光栅型路径，沿着叶素方向等距离切片；求得切平面和三角网格的交点，沿交点的法向偏置一个喷枪高度h的轨迹点，将轨迹点优化并按顺序连接得到喷涂路径。2.根据权利要求1所述的面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法，其特征在于：步骤(2)中，根据风机叶片模型的布局及双边协作的机器人的运动空间对风机叶片模型进行初次分片。3.根据权利要求1所述的面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法，其特征在于：步骤(2)中的聚类整合包括以下步骤：(2.1)建立风机叶片模型的三角网格表达式：M＝(T
i
；i＝1,2,...m)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，M为叶片表面中三角片的总个数，T
i
是三角网格第i个三角数；(2.2)求取风机叶片上的平均法向量和最大偏角法向量计算公式如下：计算公式如下：其中，表示第i个三角片的法向量，S
i
表示第i个三角面片的面积，i表示划分三角片数量；从离散化的三角片中找出一个三角片作为种子三角片；(2.3)确定三角片法向量是否小于阈值角θ
th
，若小于，则添加至面片组；若大于阈值角θ
th
，则寻找新的种子三角片；(2.4)遍历完所有三角片。4.根据权利要求3所述的面向风机叶片双边协作的机器人喷涂轨迹优化方法，其特征
在于：步骤(2)中的拟合二次曲面的步骤如下：(a)对叶片的根部用圆柱二次曲面进行拟合，形成二次曲面；(b)对大曲率曲面和小曲率曲面进行算法提取和分片造型，承接步骤(2.3)将叶片网格化后将三角网格连接成曲面；(c)判断面片的几何形状参数是否满足涂层累积偏差和涂料覆盖半径，若满足，则定义为大曲率曲面；若不满足，则定义为小曲率曲面。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：曾勇，陈洪博，赵雪雅，颜斌，黄言根，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：