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1、江苏大学硕士学位论文喷涂机器人轨迹设计与优化姓名：谢明宏申请学位级别：硕士专业：农业电气化与自动化指导教师：赵德安20080610江苏大学硕士学位论文摘 要喷涂机器人目前已广泛应用于车身内外表面的喷涂，但由于影响喷涂机器人喷涂效果的因素众多，因而如何找到更加精确的油漆空间分布数学模型，以及提出更好的喷枪轨迹优化算法和控制策略都是近年来喷涂机器人研究领域所关注的热点。本文首先介绍了喷涂机器人的研究现状和发展趋势，对喷涂机器人轨迹优化的意义和背景作了简要的阐述，并对喷涂机器人离线编程系统作了初步研究。对于喷涂机器人喷枪最优轨迹规划问题(0TPP)，本文在介绍了平面和规则曲面上的喷枪轨迹优化方法后，
2、利用已有的涂层累积速率数学模型，以采样点上的涂层厚度方差最小为优化目标，对沿指定空间路径的喷枪轨迹优化问题进行研究；通过对简单的平面和规则曲面的喷枪轨迹优化问题的分析后，提出自由曲面的喷枪轨迹优化问题，通过分析喷涂过程中各个可控参数对喷涂效果的影响，建立自由曲面上涂层厚度数学模型，选取时间最小和涂层厚度方差最小作为目标函数，对沿指定空间路径的喷枪轨迹进行优化；随着现代制造技术的发展，车身的构造已经变的相当的复杂，因此这里简单的介绍了复杂曲面的喷枪轨迹优化问题，按照曲面拓扑结构建立评价函数，对曲面进行分片操作，从而实现大面积复杂曲面上的自动轨迹优化。最后通过对逆向工程中的曲面造型技术的研究，详细
3、地介绍了曲面造型技术中的点云数据的获取与处理，并在此基础上进行曲线拟合和曲面重建，为喷涂机器人的离线编程系统提供物体的造型。结合本课题的要求，对脸盆形状的工件进行造型，并在此基础上生成喷涂机器人喷枪的运行轨迹。仿真实验表明：本文中所设计的喷枪轨迹优化方法可以在机器人江苏大学硕士学位论文的实际喷涂控制中获得较好的效果。本课题得到江苏省高技术研究项目(BG2006023)的资金资助。关键词：机器人，仿真，轨迹优化，自由曲面，曲面造型，逆向工程江苏大学硕士学位论文ABSTRACTIn the int锄ational a11d domestic mid lacquer aJld surfhce laa
4、驴erpainting lines，Pamting R()bot has been used in auto_bodys inner andouter painting，but Painting Robots painting process is ve巧complicatcd，aIld multifold factors can innuence the painting e腩ctsS0 it become af0cus mat how to find oil paim more accurate spacial-distribmingmathematical models， and adV
5、ance better仃ajectory optimizationarithmetic a11d control strategies in the recent yearsIn this paper，the research status and deVelopment nend of PaintingRobot are presented firstl弘then，the signmcance and background of峨jectory optilllization on Painting Robot are eXpatiated，and the o昏lineprogramming
6、s)，stem ofPaiming Robot is studied dementarilyFirstly，immduce the t喇ectory opti商zation撕thInetic used in thesinlple plane aIld reglllar su渤ces； secondly， utilize the materialdeposition rate mathematical model to research me印pointed spacialpaths 0TPP，、礼ich choose the minimum of coat thicl(11ess V撕abil
7、ity asoptimizing object；thirdly，by analyzing the OTPP on the simple plane andregl】1ar赋faces，a“ance me OTPP on矗ee curved su渤ce；founhly，byanalyzing the controllable par锄etersinfluence 0n paiming e仃ccts in mepainting process，establish the coat thickness math啪atical model on the舶e curved sumces；lasny，as
8、 the auto-bodys confo衄ation has becomeconsiderable complicated in the deVelopment of modem manufacturenow，the p印er in仃oduces t11e OTPP on the complex cun，ed su哟ces，found estimating如nction based on complex curved surfacestopology，and a complex curved surface is divided into several patches，so canactu
9、alize autoImtic tr两ectory optimization on b培complicated curvedsurfhcesFinallyby stud姐ng the sculpt techn0109y on cued surfaces in也eIU江苏大学硕士学位论文reVerse engineering，introduce how to gain and dispose the Point CloudData in the sculpt tecllnology，then，do the cur、，e fitting and the surfacereconstmction i
10、n order to pmvide the object sculpt for the ofr-1ineprogr猢ing system of Painting RobotCombine the tasks requircmentto sculpt to the wofk which is the basin sh印e，and create the nozzlestrackComputer si枷lation shows t11at tlle t喇ecto哕 optimizationarithmetic can gain co蹦ng efrects in the process ofpaint
11、ingKeywords：R-obot；Si砌lations；Optimization of Trajecto巧；Frce-fonnSu怕ces；Su怕ces Modeling；ReVerse Engineering学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 。不保密l d。学位论文储签名：讯骖夯，签字
12、日期：刀叼年占月，r日聊躲压C参凄签字日期：泐8年易月心日独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者躲 像 碱旁日期：夕闪6年 6月 ，f日江苏大学硕士学位论文第一章绪论11国内外喷涂机器人发展及应用概况随着汽车制造工艺的发展，传统的人工喷涂方式已经不能满足汽车生产线的要求，喷涂机器人作为一种先进的涂装生产装备，能避免危害工人健康，提高经济
13、效益(如节省油漆)和喷涂的质量，由于具有可编程能力，所以喷涂机器人能适用于各种场合。近20年来机器人技术发展迅速，以1985年至1995年喷涂机器人主要技术指标的变化为例：驱动方式从液压驱动方式改变为电力驱动；喷涂速率从800唧s提高到1200Is；绝对精度(相对于一点)从4唧提高到l哪；动态跟踪精度从25哪提高到6吣；机器人机械手臂的动态加速过程更加平稳快速。在1984年，人们开始提出了对机器人进行离线编程，并设想计算机图形化仿真机器人的工作过程。1986年，AK1ein”1把此项技术应用于喷涂机器人，并提出基于cAD的喷涂机器人离线编程系统。同样，借助此系统用户可以交互式设计和仿真喷枪(杯
14、)与机器人的运动轨迹。1991年，Suk_Han Suh“1等人在总结他人成果的基础上，研制成功集软、硬件于一体的喷涂机器人离线编程系统(IRPs)样机，此系统能够完成物体建模、参数设置、自动轨迹生成，分析仿真和硬件驱动诸多功能。其轨迹优化方法是通过求解以漆膜厚度均匀性和喷漆时间之间的加权为目标泛函极值问题，自动生成喷枪的最优轨迹。随后，JKAntonio”3和RRamabhadran则具体讨论了喷枪(杯)轨迹的优化问题，提出了以工件表面上每点的漆膜厚度与整个表面漆膜平均厚度之间的方差为目标泛函，并考虑了喷枪(杯)的空间路径、速度曲线、移动方式、开口角等参数对喷涂效果的影响，在此基础上探讨了加
15、入喷涂过程中的约束条件后，用数值方法求解优化轨迹的可能性，使喷涂机器人离线编程技术进一步实用化。近年来， zak一等人使用工件扫描方法获得工件的CAD数据后，探讨了喷涂机器人三维空间轨迹的设计方法。2002年，chen“”等人使用三角划分的方法江苏大学硕士学位论文对工件进行造型，利用平面上的喷涂模型对涂层重叠区域宽度进行优化后，生成喷枪空间路径，并在曲率变化较小的曲面上实现了沿指定空间路径的喷涂机器人喷枪轨迹的优化。2003年，Atkar1等人指出起始喷涂轨迹的选取以及喷涂间距的测量方法对涂层厚度的一致性、系统的循环次数和涂料利用率的影响，提出利用GaussBonnet定理对工件表面进行分片的
16、方法进行喷涂轨迹规划。2004年，Sheng“。等人提出使用曲面分片的方法实现在复杂曲面上的喷涂作业，并通过建立带约束条件的优化目标函数，完成复杂曲面的分片工作。同年，Chen“”等通过实验的方法推出平面上的涂层累积速率模型后，建立了曲面上的空气喷涂数学模型。2005年，sheng“”等人提出了复杂自由曲面上的喷涂机器人喷枪路径规划方法，通过建立优化目标函数来设计喷涂机器人喷枪的路径模式和走向，从而为复杂自由曲面上的喷涂机器人轨迹优化研究奠定了基础。在国内，20世纪80年代中期，一些塑胶厂已经引进了机器人生产线以便实现喷漆生产的自动化，但是，当时他们需要国外的设备供应商制作夹具和编写程序。而且喷涂机器人一旦发生故障，维修费用十分昂贵，所以大部分厂家使用了一段时间后就停用了。正是看到喷涂机器人在推广和应用上的巨大潜力，江苏大学率先开展了对喷涂机器人喷枪轨迹优化和离线编程方法的研究工作，对喷涂机器人离线编程系统的组成与结构进行了分析和
