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1、江苏大学硕士学位论文喷涂机器人喷枪空间轨迹研究姓名：孙国朋申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：戴立玲;卢章平20100604江苏大学硕士学位论文，：），江苏大学硕士学位论文），：，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口。学位论文作者签名：孙孔矿指导教师签名：辆袱砂础年月厂日砑年莎
2、月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，均已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。江苏大学硕士学位论文第一章绪论喷涂工序是机电产品生产过程中的重要一环。喷涂机器人是一种重要的先进涂装生产设备，在国内外广泛应用于汽车等产品的涂装生产线，在大规模的涂装生产线上，用于喷涂工件的喷枪通常被置于机器人的手臂上，即由喷涂机器人去完成对工件的喷枪轨迹。喷涂机器人的喷涂效果与物体表面形状、喷枪参数等诸多因
3、素有关。对于诸如汽车、电器及家具等产品，其表面的喷涂效果对质量有很大影响。产品表面的色泽在一定程度上取决于涂层厚度，要求涂层必须有足够的厚度以遮盖底漆或工件表面本身所具有的原始色彩。如果表面上的涂层厚度不能保持一致，产品表面会产生溶剂的凸起引起表面不光滑。一方面，涂层厚的地方在使用的过程中会有皲裂倾向，另一方面也导致油漆的浪费。因此，应该尽量减少工件表面的涂层厚度的差异。喷涂机器人编程中最普遍的方法是“人工示教法，即由工人握住装有喷枪的机器人前臂进行喷涂实验，控制机器人的计算机记录下机器人各关节参数，以便机器人随后能独立地重复示教的轨迹运动。这种方法虽然简单易行，但是存在着很多的缺点：喷涂效果
4、的好坏和工人的经验有关。人工示教法费时、费力、费物。示教过程中仍以人工为主，并未实现机器人代替人工的目的，使工人仍处于有害的环境中。随着世界各国对环境保护和人体健康的日益重视，人们开始研究喷涂机器人的离线编程技术，企图利用计算机自己寻找能产生最佳喷涂效果的喷枪轨迹，然后再转化为机器人运动轨迹。离线编程技术机器人离线编程系统（，简称）系统是机器人编程语言的拓展。它依托于计算机图形学的成果，首先建立机器人及其工作环境的模型，再利用某些算法，通过对图形的控制和操作，在离线情况下进行轨迹规划。机器人编程系统已经被证明是一个有力的工具【。江苏大学硕士学位论文与传统的在线示教编程相比，离线编程具有以下优点
5、：）可使用高级计算机语言对复杂任务进行编程；）使用范围广，可以对各种机器人进行编程；）可使编程者远离危险的工作环境；）便于修改机器人程序；）可以减少机器人的非工作时间，对下一个任务进行编程时，机器人仍可不中断当前的工作；）便于和系统结合，做到机器人一体化。示教编程通常适用于外形简单、规则的喷涂工件。对于复杂曲面外形的喷涂工件，示教编程方法难以精确的控制喷枪的轨迹。与示教编程方法不同，通过离线编程系统对喷涂机器人喷枪轨迹进行规划，使计算机自动找出能产生最佳的喷枪运动轨迹，再将该轨迹转换为机器人的运动程序代码，从而可以实现喷涂机器人的自动喷涂，以解决示教编程的不足。通常喷涂机器人编程系统主要包括以
6、下六大模块：物体造型模块，参数设置模块、喷枪轨迹生成模块、机器人运动轨迹生成模块、分析与仿真模块、机器人轨迹生成模块，如图所示。物体造型模块其它系统蕊磊标囊翟形面参致设置模块霪竺墓薹生成模块一一一、机器人运动孰迹生成模块分析与仿支模块一，祷意番？王苎机器人运动孰迹数据库一一机嚣人程序生成模块图卜喷涂机器人编程系统体系结构）物体造型模块一般采用计算机辅助几何设计（，简称江苏大学硕士学位论文）对物体进行造型。喷涂作业中经常遇到工件表面一般是自由曲面，可用多种方法对这种表面造型。如法、法、法、样条法和非均匀有理样条法等。除此之外，还可以通过标准图形接口直接把其他格式的系统的模型转换过来；或者通过实物
7、测量获得工件的数据信息，然后逆向构建模型。经过造型后，系统系统数据库中就存放了工件的模型，为喷枪轨迹生成模块提供工件数据信息。）参数设置模块用于设定喷枪的开口角、流量、喷射距离、漆膜厚度与允许偏差、喷枪走向、喷涂时间等参数和要求，并将传送到喷枪轨迹生成模块。）喷枪轨迹生成模块该模块主要完成喷枪轨迹的生成与优化，是整个系统的核心。根据前个模块所传来的工件模型与喷涂过程中所需的各种参数，由具体的算法自动生成能够产生最佳的喷涂效果的喷枪轨迹。）机器人轨迹生成模块本模块主要功能是根据机器人逆向运动学原理【】，将上一模块所生成的喷枪运动轨迹转换成喷枪机器人各关节的运动轨迹，从而为分析与仿真模块提供仿真数
8、据。）分析与仿真模块本模块根据前面各模块传来的工件模型、各种参数、喷枪轨迹和机器人的运动轨迹，将喷枪沿某一指定路径喷涂工件比表面的覆盖情况进行图形化显示，并以列表的形式列出工件表面上涂层的平均厚度及偏差数据；也可以用等高线配以不同色彩的方式在计算机屏幕上显示出涂料的空间分布效果图。在此过程中，用户可以检查机器人各关节的运动是否满足其约束条件、是否发生机器手相撞工件的情况，以便反复修改喷枪参数、路径，最终得到最佳的喷涂效果，从而可以将机器人的喷枪估计输出到轨迹数据库，提交给机器人程序生成模块。）机器人程序生成模块将机器人的运动轨迹转换成能识别的运动程序代码。江苏大学硕士学位论文喷涂机器人喷枪轨迹
9、规划的研究现状与发展趋势喷涂机器人喷枪轨迹规划研究现状喷涂机器人喷枪轨迹规划发展到现在，已经出现了大量的不同实现方法。根据研究方法的不同，主要有以下不同的分类：）按照数据格式的不同，可以分为基于模型的喷枪规划【、基于格式的喷枪轨迹规划以及基于点云数据格式的轨迹规划：）按照轨迹生成方式的不同，可以分为交互式离线编程（离线示教法）和自动生成轨迹【】；）按照曲面的难易程度不同，可以分为常规曲面和平面的喷涂轨迹规划、自由曲面的喷枪轨迹规划】；）按照喷枪喷雾形状不同可以分为圆锥形【。和扇形体【；）按照模型不同，可以分为有限范围和无限范围。有限模型包括分段函数表示，均匀厚度模型、变厚度模型川和分布模型引，无限模型包括高斯分布模型【和柯西分布模型【。以下主要介绍基于模型的喷枪轨迹规划的理论发展现状，总结各种方法的应用范围及喷涂机器人离线编程系统的发展方向。基于格式的喷枪轨
