[发明专利]一种基于片间盲区优化工艺的复杂曲面均匀喷涂制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及喷涂机器人先进制造产业技术领域，特别是涉及一种针对复杂工件曲面的基于片间盲区优化工艺的喷涂制造方法。

背景技术

传统的喷涂作业主要通过喷涂工人手持喷枪进行人工喷涂完成，其喷涂质量容易受到喷涂工人经验、情绪等的影响，难以保持稳定。同时喷涂环境中容易挥发大量有害的气体会严重影响喷涂工人的身心健康。而喷涂机器人作为在机器人技术基础上结合喷涂工艺发展起来的先进涂装设备，能够不受喷涂环境的影响，通过编程完成不同工件的喷涂作业，保证喷涂质量的一致性，减少涂料的损耗，从而极大地提高喷涂效率，降低产品的生产成本，因此广泛用于船舶、航天、汽车、家电等产品的喷涂作业中。

早期的喷涂机器人的应用主要采用“示教-再现”的方式进行，这种方式简单易实现，但也存在一些难以克服的缺点：1）喷涂质量严重依赖喷涂工人的经验，生成的喷枪轨迹难以和工件形状、喷枪模型等参数结合起来，很难获得最佳喷涂轨迹；2）在示教的过程中，喷涂机器人长时间处于停产的阶段，降低了生产效率；3）人工示教需要经过进行多次重复的喷涂实验，浪费了大量的涂料，提高了生产成本，特别是在喷涂大型工件时显得尤其明显；4）技术人员在示教过程中始终处于有毒的环境，严重影响其身体健康。针对这些传统喷涂机器人的使用缺陷，目前业界开始探索采用计算机软硬件平台和相应的虚拟现实技术来实现喷涂机器人的离线轨迹规划，从而可在不需要实际机器人参与的情况下自动生成最优的喷涂轨迹，以提高喷涂质量与喷涂效率。

然而，当前喷涂机器人的离线轨迹规划方法在实际应用中尚存在一定的困难，主要体现在：现有的离线轨迹规划方法往往针对某个特定的喷涂应用而开发，其适用面受到限制，缺乏一种能够针对具有任意曲面形状的复杂工件的通用性喷涂方法，特别是缺乏对于某些常见诸如边、角等特定喷涂盲区或死区的智能化处理方法，导致生产出来的产品质量不佳，残次品较多，需要花费大量的人力物力做进一步的细化处理，从而成为制约喷涂机器人制造业生产率提高的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述喷涂机器人现有离线轨迹规划技术的不足，提供了一种基于片间盲区优化工艺的复杂曲面均匀喷涂制造方法，这种方法能够针对各种具有不同表面形状的复杂工件曲面进行自动路径规划生成，具有良好的适应性和较为广阔的应用面，且有效地解决了几种典型的边、角盲区喷涂质量不达标的问题，提高了整体喷涂的均匀性性能指标和喷涂生产效率，节省了生产成本。

本发明采用的技术方案为：一种基于片间盲区优化工艺的复杂曲面均匀喷涂制造方法，包括以下步骤：首先根据工件的几何和拓扑特征对STL模型进行分片，将原始工件曲面分割为若干简单的近似平面子片分别进行处理；然后根据喷枪喷涂成型模型及相应的工艺生产指标，优化求解喷枪的移动速度和行程间距等关键喷涂参数，以生成子片内的喷涂路径；再通过提取各相邻子片边缘之间的位置关系和喷枪的行进方向，分别针对几种常见的典型盲区情况采用分段采样的方法建立均匀喷涂的数值模型；最后统一采用遗传算法对盲区喷涂路径进行优化求解。其具体步骤包括：

（1）工件的导入和复杂曲面的分片处理：首先基于几何尺寸进行子片划分，重点考虑工件表面的弯曲程度，采用双背离角算法将复杂工件曲面分割为一个个近似平面的曲面；其次是在几何尺寸划分的基础上，结合工件的拓扑特性，采用投影法将其进一步分割，划分为拓扑结构简单的工件曲面，以便于处理工件存在孔洞的情况。

（2）子片内的喷涂路径生成：根据所建立的涂层累积速率模型，以涂层期望厚度和涂层均匀性为混合优化目标，建立相应的优化模型，然后采用黄金分割搜索法求解得到喷涂速度和行程间距，在此基础上采用包围盒投影方法获得优化的简单子片内喷涂轨迹点。

（3）片间盲区喷涂路径的数值建模：采用分段采样的有限元处理方法，针对具有任意角度关系的相邻外表面、具有垂直关系的相邻内表面和具有垂直关系的内部角区域三种盲区情况，根据子片边界与喷枪轨迹，分几种情况：平行-平行，平行-垂直和垂直-垂直分别建立均匀优化数值模型。

（4）盲区喷枪轨迹的优化求解：根据建立的喷枪轨迹优化模型，确定每个个体的基因为需要优化的喷枪轨迹参数，组成染色体；根据涂层厚度建立适应度函数，然后采用遗传算法求解喷枪轨迹优化模型。

有益效果：与现有技术相比，本发明弥补了现有技术的不足，提供了一种基于片间盲区优化工艺的复杂曲面均匀喷涂制造方法，能够针对任意复杂工件曲面进行自动喷涂轨迹生成，且针对常见的喷涂盲区进行相应的优化处理，从而提高了喷涂均匀性，增强了喷涂质量，达到优化喷涂的目标，满足不同喷涂生产的要求。

附图说明