机械设计及理论硕士论文-喷涂机器人喷枪空间轨迹研究.pdf

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 摘要 与示教编程方法相比较，在喷涂机器人喷涂工艺中采用离线编程 方法来规划机器人的运动轨迹，可以有效避免危害工人健康、提高喷 涂质量和实现机器人的自动喷涂作业。用于规划机器人运动轨迹的喷 枪轨迹生成模块是喷涂机器人离线编程系统的核心模块，本文对喷枪 轨迹生成方法进行了研究，为喷涂机器人离线编程系统的开发和应用 提供了新的途径。主要研究内容如下： 1 ) 提出了基于点云切片技术生成喷涂机器人喷枪轨迹的方法， 以实现离线编程系统直接利用工件点云模型规划喷涂机器人的轨迹。 首先，获取工件的点云数据信息；其次，对待喷涂工件的点云数据进 行区域分割，将喷涂工件的曲面分解为简单的曲面，对各个分割区域 单个输出；第三，对简单点云模型进行切片处理，通过切片数据方向 排序获取喷枪在工件表面的喷涂路径；第四，估算采样点的法矢量； 最后，采样点沿其法矢量偏置喷枪到工件的距离，得到喷涂机器人的 喷枪运动轨迹。 2 ) 提出了基于点云切片技术的喷涂机器人喷枪轨迹生成系统的 体系结构，构建了喷枪轨迹生成原型系统，并对提出的喷枪轨迹生成 方法进行验证。通过应用实例生成了喷枪轨迹，证明该方法是有效的。 关键词：喷涂机器人，区域分割，点云，切片 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht e a c h i n gp r o g r a m m i n g ，o f f - l i n ep r o g r a m m i n gu s e dt o p l a ns p r a yp a i n t i n gr o b o tt r a j e c t o r yi ns p r a yc o a t i n gp r o c e s sc a na v o i d e n d a n g e r i n gw o r k e r s h e a l t he f f e c t i v e l y , i m p r o v i n gs p r a y i n gq u a l i t ya n d r e a l i z i n g r o b o ta u t o s p r a yp a i n t t h es p r a yg u nt r a j e c t o r y g e n e r a t i o n m o d u l et o p l a n r o b o tt r a j e c t o r yi st h ec o r eo fo n eo ft h eo f f - l i n e p r o g r a m m i n gs y s t e mf o rs p r a yp a i n t i n gr o b o t s i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o d o fs p r a yg u nt r a j e c t o r yg e n e r a t i o ni sr e s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d e san e w a p p r o a c hf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fo f f - l i n ep r o g r a m m i n g s y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) i no r d e rt oe f f e c t i v e l yu t i l i z ew o r k p i e c ec a d m o d e l so f d i f f e r e n td a t af o r m a t sf o ro f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e mt op l a ns p r a y p a i n t i n g r o b o tt r a j e c t o r y ，at e c h n i q u eo f a c q u i r i n g t h e s p r a yg u n t r a j e c t o r yb a s e do np o i n tc l o u dm o d e li sp r o v i d e d f i r s t l y ，t h ep o i n t c l o u dd a t aa r eo b t a i n e db ys c a n n i n gt h es u r f a c eo fw o r k p i e c e s e c o n d l y , t h ep o i n tc l o u dd a t ao ft h ew o r k p i e c ei sd i v i d e di n t os e v e r a la r e a s ，b y d i v i d i n gt h e s u r f a c eo fw o r k p i e c ei n t os e v e r a ls i m p l ea r e a s t h e n ，t h e s i m p l ea r e a sw i l lb eo u t p u t t h i r d l y , s l i c i n gp r o c e s s i n gi sa p p l i e dt op o i n t c l o u dd a t a ，a n dc o a t i n tt r a c ki so b t a i n e db yt h ed i r e c t i o na r r a n g e m e n to f s l i c ed a t a t h e nt h en o r m a lv e c t o r so ft h es a m p l i n gp o i n t sa r ee s t i m a t e d l a s t l y , t h es p r a yg u nt r a je c t o r yi sg e n e r a t e dt h r o u g ht h es m p l i n gp o i n t s n 江苏大学硕士学位论文 o f f s e t t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e ns p r a yg u na n dw o r k p i e c ea l o n gt h e i r n o r m a lv e c t o r 2 ) a na r c h i t e c t u r eo ft h es p r a yg u nt r a j e c t o r yg e n e r a t i o ns y s t e mf o r s p r a yp a i n t i n gr o b o t sb a s e do np o i n tc l o u di sp r e s e n t e d ，a n das p r a yg u n t r a j e c t o r yg e n e r a t i o np r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e dt ov a l i d a t et h er e l a t e d m o t h o d t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fm e t h o d ，w h i c hg e n e r a t e s s p r a y g u nt r a j e c t o r y ，i sp r o v e db ya ne x a m p l e k e yw o r d s ：s p r a yp a i n t i n gr o b o t ，s e g m e n t a t i o n ，p o i n tc l o u d ， s l i c i n g i i i 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i 孔7 矿指导教师签名：辆袱 砂础年月j 厂日 砑d 年 莎月3 - 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。 1 1 离线编程技术 机器人离线编程系统( o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ，简称o l p ) 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【1 1 。 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： 1 ) 可使用高级计算机语言对复杂任务进行编程； 2 ) 使用范围广，可以对各种机器人进行编程； 3 ) 可使编程者远离危险的工作环境； 4 ) 便于修改机器人程序； 5 ) 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； 6 ) 便于和c a d 系统结合，做到c a d 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1 - 1 所示。 物体造型模块其它c a d 系统 蕊磊fh 标囊翟形h 面 参致设置模块 霪竺墓薹|b 生成模块l l 一 一l 一、 机器人运动孰l 迹生成模块1 分析与仿支 模块 1 一 ，7 祷意番? 王苎 机器人运动 孰迹数据库 t 一 _ 1 0 一 机嚣人程序 生成模块 图卜1 喷涂机器人编程系统体系结构 1 ) 物体造型模块 一般采用计算机辅助几何设计( c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ，简称 2 江苏大学硕士学位论文 c a g d ) 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f e r g u s o n 法、c o o n s 法、b e z i e r 法、b 样条法和非 均匀有理b 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 c a d 系统的c a d 模型转换过来；或者通过实物测量获得工件的数据信息，然后 逆向构建c a d 模型。经过造型后，系统c a d 系统数据库中就存放了工件的c a d 模型，为喷枪轨迹生成模块提供工件数据信息。 2 ) 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。 3 ) 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2 个模 块所传来的工件c a d 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。 4 ) 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【2 _ 】，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 真数据。 5 ) 分析与仿真模块 本模块根据前面各模块传来的工件c a d 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。 6 ) 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。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 喷涂机器人喷枪轨迹规划的研究现状与发展趋势 1 2 1 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： 1 )按照数据格式的不同，可以分为基于c a d 模型的喷枪规划【4 - 1 5 1 、基 于s t l 格式的喷枪轨迹规划以及基于点云数据格式的轨迹规划： 2 )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【4 1 6 】； 3 )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1 0 m 】； 4 ) 按照喷枪喷雾形状不同可以分为圆锥形【4 。1 5 1 和扇形体【1 6 1 ； 5 )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1 4 7 1 ，均匀厚度模型1 6 1 、变厚度模型1 川和b 分布模型1 引，无限模型包 括高斯分布模型【1 9 1 和柯西分布模型【8 1 。 以下主要介绍基于c a d 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。 1 2 2 基于c a d 格式的喷枪轨迹规划 喷涂机器人喷枪轨迹规划起初人们采用的是c a d 模型，根据采用喷枪喷雾 形状的不同，可以分为圆锥形和扇形体两种。 1 2 2 1 喷枪喷雾形状为圆锥形 1 9 8 6 年，k e l i n 提出了基于c a d 的喷涂机器人离线编程系统。借助此系统， 用户可以交互设计和仿真喷枪与机器人的运动轨迹【4 】。 1 9 8 9 年，d u e l e n 等进一步探讨了离线编程技术，将其应用于静电喷涂中， 提出了表面为自由曲面的工件上电场分布数学模型，进一步扩大了其应用的范围 【5 】 o 1 9 9 1 年s u h 等提出了喷涂机器人轨迹自动生成系统a t p s 。该系统综合了几 何造型、喷涂工艺和机器人动力学方面的技术，基于c a d 模型可以输出优化的 轨迹【卅。a p t s 的框架结构如图1 2 所示。a p t s 系统包括五个模块：a p t sc a d 、 4 江苏大学硕士学位论文 sm o t i o n 、rm o t i o n 、a n a l y s i s 和s i m u l a t i o n 。a p t sc a d 用于描述 工件和喷枪的几何形状，它基于双三次b 样条曲面；sm o t i o n 用于根据喷涂 参数和工件形状所决定的喷枪轨迹；rm o t i o n 是将喷枪轨迹转化为机器人运 动轨迹；a n a l y s i s 用于显示喷漆厚度的分布情况；s i m u l a t i o n 用于显示合 成运动轨迹。 图1 - 26 p t s 系统结构 图卜3 喷枪模型 喷枪为空气喷涂，喷枪模型如图1 3 所示。设模型在喷涂区域内形成的喷漆 厚度是均匀的。喷漆厚度为： 万= 瓦丽t o td 2t a i l 2 口 ( 1 1 ) 其中t 表示喷嘴油漆流动速率，d 表示喷枪距离，口表示喷角，盯表示表面 喷漆的累积率，f 表示喷涂时间。 这一算法的优点是可以运用到s u n 4 3 3 0 平台，输入c a d 模型信息可以获得 喷枪轨迹；但不足之处是仿真结果不能反映真实效果，只能适用于空气喷涂模型， 没有对静电喷涂模型进行分析。 基于以上不足，a n t o n i o 于1 9 9 4 年提出了一个优化轨迹框架解决喷涂厚度 问题8 j 。 首先建立待喷涂表面模型： 瓯= ( x ，y ，z ) ：z = h ( x ，) ，) ，( x ，y ) d ) d 为定义域。 ( 卜3 ) 喷枪的空间模型： 妁= k 口y ( f ) a z ( t ) a o ( t ) 吩蝴 ( 1 4 ) 5 江苏大学硕士学位论文 其中，q ( f ) 、a y ( f ) 、a a t ) 表示喷枪在时间t 时的位置，口缈( f ) 、a o ( t ) 、( f ) 表示在时间t 时喷枪与x 、y 、z 轴的夹角。 漆膜积累速率： 假设每一点的漆膜积累速度与喷涂表面的几何形状和喷枪位置有关，同时也 与其他因素有关，如喷涂材料的流动速率、离子化压力、静电电压、喷涂材料的 粘性、溶剂浓度，并假设这些因素固定。用f s 。0 ( f ) ，x ，y ，t ) 表示在喷涂表面上 ，y ，h ( x ，y ”点的漆膜积累速率，其中口p ) 表示喷枪的模型。 其次，建立优化目标： 纵删2 去i 【( 巍( m x , y ) - f s 7 ( 口o ) ) ) 2 妫 ( 1 - 5 ) 其中，砰( 口1 3 f ) ) 表示表面的平均漆膜厚度，v s 。( 口o ) ) 表示表面漆膜厚度变化。 根据对轨迹优化问题添加的约束不同，轨迹优化可以被分为两类约束条件的 轨迹优化： ( 1 ) 沿指定空间轨迹的轨迹优化问题： 其轨迹优化形式为： w r a i n ( ，) ( p ( ) ) ( 1 6 ) 其中仄) ) 是一个六维矢量函数，表示指定的喷枪轨迹。撕是时间函数；a ( ，) 是一个标量函数，其中包括了所有对韵函数的约束。 解决方法： 将【o ，t 】时间空间分为n 份，每份的长度彳= ，则砸) 的连续分段逼近函 数为： n a o ) = 五壤o ) k = l 其中，反( f ) = c ：佳。1 虺圳，五【o ，l 】 漆膜实际厚度： 吸( 旯，x ，y ) ：兰 ( p ( 以) ，) 王= l 6 ( 1 7 ) ( 1 8 ) 江苏大学硕士学位论文 其中元= 丑，五厶】。 漆膜厚度变化： ( 口( f ) ) = 去儿( 甄似吐马力一野( 硝螂 ( 1 9 ) 鼽d f = q ：f + 日南 非线性近似表达沿指定空间轨迹的轨迹优化问题的公式为： 咖 ( 力 ( 1 1 0 ) 图1 - - 6 参数化空间路径 l 静o “ ( a ) 分段逼近单增时间函数( b ) 喷枪轨迹点的坐标( c ) 喷漆厚度的分布轮廓线 图1 - 7 算法实验图( ，= 8 ，d = l 吾，= 1 0 5 7 ，= 1 0 0 ) 一一f 砑 专并一卜 差苫专二i 卜二 ( a ) 分段逼近单增时间函数( b ) 喷枪轨迹点的坐标( c ) 喷漆厚度的分布轮廓线 图1 - 8 算法实验图( ，= 8 ，d = l 吾，r = 8 3 4 ，= 7 4 ) 7 江苏大学硕士学位论文 tf q o 自i d n a ) 分段逼近单增时间函数 彳羞兰琢 j 一r ，： 。r 矧毒气 一一 一 。，p 一 1 卜十毒1 厂+ 卜兰味1 ：! - 卜众： l ；、 2， ， ( c ) 喷漆厚度的分布轮廓线 t l - 9 算法实验图( ，= 8 ，d = 1 7 9 ，r = 9 3 7 ，= 7 4 ) g r a p h i c a l 、_ n d 伽1 球) 磬( a ) ( ) ( t r a j e c t o r yw p e ) fd r f i g 2 8 l ； 0 01 0 5 7 0 0o 0 0 4 5 9 l ( c o l 雌t a l l ! s p e e d ) f i g 3 s l ； 7 48 3 4 1 ，0 0o ，0 0 8 7 “ ( c o n s t a n ts p e e d ) f i g 4 5 l ； 7 49 0 7 1 o 1 6 翰 ( o p t i m a l ) 图卜1 0 实验对照爱 图1 - 7 - 图1 - 9 的实验： 图1 - 6 表示的是参数化的空间路径，图l 一7 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别表示的是 当，：8 ，d ：1 7 ，t ：1 0 5 7 ，n ：l o o f l 寸“ ，分段逼近单增时间函数、喷枪轨迹点的坐标和喷 9 漆厚度的分布轮廓线；图1 - 8 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别表示的是当，：8 , d ：1 三t ：8 3 4 ，n ：7 4 9 时，分段逼近单增时间函数、喷枪轨迹点的坐标和喷漆厚度的分布轮廓线；图 卜9 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别表示的是当，：8 ，d ：1 7 。t ：9 3 7 。n ：7 4 时，分段逼近单增时 9 间函数、喷枪轨迹点的坐标和喷漆厚度的分布轮廓线。从图1 - 1 0 中可以看到， 图1 - 7 所示涂层变化比图1 - 8 变化的小，但是用漆量比图1 - 8 增加2 7 。在优化 程序b c o n f 优化后，取，：8 。d ：1 三。t ：9 3 7 。n ：7 4 ，优化的喷涂时间比图卜7 少了 9 1 2 ，比图卜8 增减了1 3 ，但是图卜9 变化最小。 通过一系列的优化，漆膜变化可满足要求，但必须预先指定喷枪的空间路径 和漆流速率。由于自由曲面的漆流速率和空间路径很难确定，因此这个算法不适 用于自由曲面。 2 0 0 0 年，c h o s e t 对表面有障碍的覆盖轨迹的现有算法进行了研究，提出了 覆盖轨迹规划算法，即将目标区域精确分割成互补交叉的梯形区域，通过机器人 覆盖每一个梯形区域，来完成对目标区域的覆盖。轨迹规划包括两部分，一个是 8 江苏大学硕士学住论文 左行右行交叉分割细胞区域的公牛路径轨迹规划，另一个是对两个相邻细胞区域 的轨迹规划，其中，假设障碍区域为一个多边形。 具体算法如下： 采用一条垂直线作为切线，从无限远处按照扫描方向依次扫描目标区域。当 遇到自由空间时，记录下第一个单元的信息。in 事件由一个封闭的区域和两个 开放的区域组成。o u t 事件由一个开放的区域和两个封闭的区域组成。当区域 分割后，它们之间的轨迹也会随之确定。其中，路径列表的内容包括区域内的路 线信息和邻近区域问的路径信息。最后由这个路径列表来描述覆盖的真实路径。 其实验过程如下： 采用区域为3 0 0 平方英尺的区域，如图1 1 1 所示：其中，灰色的是运动轨 迹，黑色的为障碍物。最终的覆盖效果如图l 一1 2 所示。 口f _ 1 1 试警区域示露目噩f _ 1 2 曩i l t t # 田 这种方法基本解决了带有障碍的覆盖区域的覆盖轨迹规划问题，但是，在障 碍附近的区域没有解决。将复杂曲面划分为许多小块区域，如果划分的小块区域 面积太小，会影响喷涂的效率 2 0 0 2 年，c h e r t 等提出了一种基于c a d 的针对工件自由曲面的喷枪轨迹生 成系统。它的基础是自由曲面的c a d 模型、喷枪模型、厚度要求和一些假 设等。 田t 一1 3 檀矍三角面片化 江苏大学硕士学位论文 首先，对自由曲面的cad 模型进行三角面片化，如图1 1 3 所示的半个汽 车车篷模型的三角面片化，通过改变三角面片的尺寸来减少自由曲面三角面片化 过程中出现的误差。喷枪使用一个喷雾圆锥体，如图1 1 4 所示： -_ 仝 l h i l 忾了拭 j- - 广【厂) 。 r r ( a )喷枪参数( b ) 喷漆的累积速率轮廓线 圈卜1 4 颐枪模型 如图1 - 1 4 ( a ) p ) i ：示，矽表示扇形角，办表示喷枪到自由曲面的垂直距离，尺代 表喷涂半径、，表示q 点到中心的距离。喷枪的空间位置用六维矢量函数p 表示： p = 魄马见印岛辟】， ( 1 - 1 1 ) 其中见、p y 、见表示喷枪的位置，p p 、p e 、n 表示喷枪的方向。喷漆的 累积速率轮廓线如图1 1 4 ( b ) 所示，它与很多因素有关，例如： 喷枪到自由曲面的垂直距离h 、喷漆流动速率、雾化压力、溶剂浓度等，这 里假设其他的因素不变，那么喷漆的累积速率函数厂( ，) 只与，有关。 自由曲面s 喷涂过后，它的厚度变化应该满足： m 捌劬飞i ) 包 蝓 ( 1 1 2 ) 其中，劬表示平均厚度，q ，表示曲面上任意一点的厚度，弘表示曲面上最 大的厚度，珏表示最小厚度，忍表示自由曲面和平面的法向量的最大偏离角， 对于任何自由曲面，如果尾，公式就能得到满足。 采用该算法对车门进行喷涂，其中， 吼= 5 0 m 尺= 5 0 肭( ，) = i ( r - r 2 ) 研j ，厚度变化率为3 5 ，图1 - 1 5 所示的是车 1 0 江苏大学硕士学住论文 门的三角化。图1 1 6 表示喷枪轨迹，图1 1 7 表示漆膜厚度变化，表1 1 表示了 车门运用此算法获取的平均厚度等数据。 田1 一1 5 车n 的三角化 | “ 。l 脚 1 。o 。 田卜17 藩耳崖壹化田 寰1 1 平均耳鹰裹 穆： 、一7 一“ 瞳1 - 1 8 摩艳轨盎 匿蓝 据c a d 模型信息，喷枪模型和所需要厚度由喷枪轨迹生成系统生成喷枪轨 迹。能够基本满足自由曲面的喷涂要求。 随后，c h c 等又提出了包含不同喷涂区域的曲面的涂层厚度的优化方法 1 l - 1 3 l ，l i u 等根据此方法把喷涂机器人应用到家具喷涂的领域，取得较好的效果 1 4 1 ，赵德安等根据此方法，通过计算机仿真验证了优化算法的可行性，进一步 证明了当喷枪路径平行于两个相邻喷涂区域的交线时，工件表面的诛层均匀性最 佳旧。 222 括曩霉静状为形体 张永贵等根据生产的实际情况，为了使喷雾在工件表面形成更均匀的油漆 薄膜，在喷雾两侧引入压缩空气将喷雾圆锥压扁，形成具有一定厚度的扇形体。 江苏大学硕士学位论文 然后根据实验建立相应的喷枪模型，最终获得喷枪轨迹【1 6 1 。 1 2 3 基于点云数据格式的喷枪轨迹规划 点云数据长期以来一直用于反求工程中【6 8 1 ，当遇到喷涂工件的数据格式是 点云数据时，将点云数据转化为c a d 模型，需要操作者具有熟练的曲面造型能 力，显然提高了对操作工人的能力要求，同时在进行c a d 模型重建的过程中， 由于操作者的能力不同，会造成工件模型表面不同程度的数据丢失。基于点云数 据格式的喷枪轨迹规划，即首先对带喷涂工件的点云数据进行预处理，确定点云 切片方向、切片厚度、求取切片数据、求取采样点的法矢量、最后沿法矢量方向 偏置采样点，最终获取喷枪轨迹。在这个方面江苏大学图形技术研究所周峰进行 了一些初步的研究。 1 2 4 基于s t l 格式的喷枪轨迹规划 由于s t l 格式文件生成比较简单，输入源非常广泛，几乎所有的三维几何 模型都可以通过便面的三角网格化，生成s t l 文件。s t l 格式的喷枪轨迹规划， 即首先将c a d 模型转化为s t l 格式文件，读取s t l 文件，设置喷枪工作参数 ( 喷枪轨迹移动方向、喷枪轨迹晚饭次数和喷枪对喷涂工件的表面) ，估算三角 面片的顶点法矢量，利用s t l 模型切片算法进行切片处理获取切平面上的交点， 从而生成喷枪在工件表面的喷涂路径，再对交点进行法矢量的估算，最后利用偏 置算法生成喷涂机器人的喷枪运动轨迹。周峰在一方面进行了研究并取得了一定 的成果【6 8 】。 1 3 喷枪机器人喷枪轨迹规划发展趋势 喷涂机器人喷枪轨迹规划作为一个有效的自动喷涂工艺手段，喷涂机器人喷 枪规划的研究日益得到重视。由于喷涂工件的几何形状复杂多变，以及影响喷涂 效果因素的复杂性，喷涂机器人喷枪轨迹规划还处于发展阶段。综合以上研究现 状，未来的发展趋势归结为以下几点： 1 ) 离线编程系统和c a d 系统之间数据接口的统一； 2 ) 离线编程系统能够更好的利用现有的c a d 模型； 3 ) 提出更好的喷涂机器人喷枪轨迹规划算法： 1 2 江苏大学硕士学位论文 4 ) 离线编程系统能够包含并扩展不同类型工件的喷涂工艺知识库； 5 ) 离线编程系统能够理解更为复杂的曲面，合理划分喷涂区域。 1 4 本课题研究的内容 喷涂质量与物体表面形状、喷枪工作参数等因素有关。对于汽车、家具等产 品，其表面的涂层厚度对喷涂质量有很大的影响。如果表面的涂层厚度不能保持 一致，会产生溶剂的凸起而引起表面不光洁；而涂层过厚的地方则会出现有皲裂 倾向，涂层过薄的地方可能无法遮盖底漆或工件表面的原始色泽，因此，应该尽 量减少工件表面涂层的差异。同时，当需要喷涂大批量产品时，减少每个产品的 涂料量，可节约相当大的费用。与示教编程方法相比，采用喷涂机器人离线编程 方法可以提高喷涂作业的质量和效率，节约喷涂用料，提高工作效效率和避免危 害工人健康。因此，开发和应用喷涂机器人离线编程系统具有重要的意义。 在喷涂机器人离线编程系统中，喷枪轨迹生成模块是规划机器人轨迹的核心 模块。目前，在喷涂机器人喷枪轨迹规划的研究中，其研究对象已经从简单的平 面工件转移到表面具有复杂自由表面的工件。在离线编程中通常采用工件的 c a d 模型规划喷枪轨迹。结合喷涂机器人的实际工作情况，喷枪的轨迹规划应 该综合考虑读取工件c a d 模型的有效性，工件表面划分喷涂区域的合理性，在 保证涂层质量的情况下，缩短喷涂时间和减少喷料总量的消耗。 本课题依托江苏省高科技研究项目喷涂机器人轨迹优化与离线编程技术研 究的研究成果，从计算机图形学角度，对喷涂机器人在离线编程的条件下生成 喷枪轨迹的技术思路进行研究。利用点云区域分割的算法，对待喷涂工件点云模 型进行区域分割，降低组成工件曲面的复杂度，降低喷涂工艺的复杂度考虑到喷 涂机器人喷枪轨迹生成的普遍适用性，本课题采用脸盆作为喷涂作业的的工件所 研究的方法同样适用于其他复杂表面的喷涂机器人喷枪轨迹生成 在喷涂机器人离线编程系统生成喷枪轨迹时，首先要考虑的是喷涂工件的数 据信息。以下是常见的两种获取工件数据信息的途径： 1 ) 利用c a d 系统对工件建模得到c a d 模型； 2 ) 通过实物测量直接获取工件的数据信息。 从三维模型的逆向构建角度来看，对于表面复杂的工件，其c a d 模型重建 江苏大学硕士学位论文 的方法如下： 通过实物测量获取工件的点云数据，对点云数据进行三维重构，进而得到工 件的c a d 模型。但是工件c a d 模型的构建过程繁琐，且操作人员使用c a d 系 统的熟练程度和相关知识技能则会直接影响模型的精度。另外，由于从c a d 模 型必须首先转化为s t l 格式，再转化为点云模型，才可以将各种三维模型数据 格式统一到唯一的格式点云文件格式。基于此，本文对点云模型进行直接研 究，由离线编程系统自动生成喷涂机器人的喷枪轨迹是一项更为有意义的工作。 本课题结合三维模型构建的逆向工程技术路线，把各种三维模型数据格式统 一到特定的点云数据格式，在离线编程中采用点云文件格式作为标准数据接口。 无论是理论上还是实际应用中都尽量做到了化繁为简，以便于喷涂机器人离线编 程系统更加有效地利用各种数据格式的三维模型。 喷涂机器人工作过程中，要求喷枪的轴线始终垂直于工件表面，同时喷枪与 工件表面之间保持适当的恒定距离，以保证涂层的分布均匀。由于工件表面的喷 涂路径通常是由一系等距路径线构成，对模型进行切片处理，以获取等距的切片 轮廊，也确定了喷枪在工件表面的喷涂路径。基于以上分析，采用点云模型作为 研究对象，引入区域分割和相应的切片算法，研究离线编程系统条件下由计算机 程序自动生成喷涂机器人喷枪轨迹的方法。 全文共分6 章，各章内容如下： 第一章，绪论。针对喷涂机器人的应用现状，介绍了生成喷涂机器人作 业程序的操作方式离线编程方法；离线编程系统的结构和功能；阐述了喷涂 机器人离线编程系统的研究现状及发展趋势，进一步引出了本课题的选题依据和 主要研究内容。 第二章，喷涂工件数据信息的获取。首先，阐述了三维模型的构建技术； 然后，介绍了点云数据的获取，以及点云预处理的各种方法，为后续的研究喷涂 机器人喷枪轨迹规划作必要的准备 第三章，区域分割算法。首先介绍了点云区域分割的数学概念，然后介 绍了点云数据区域分割的研究现状，提出了利用基于边的区域分割方法对工件的 点云数据进行区域分割，并对分割后多区域间的喷枪轨迹进行规划，为后续生成 单个区域的喷枪轨迹和整个工件的喷涂作业做准备。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第四章，基于点云切片技术的喷枪机器人轨迹生成。首先介绍了点云技 术一些预处理方法；提出了点云模型的校正方法：详细阐述了点云模型切片算法， 给出了切片厚度计算、平面与点云模型求交、切片数据方向排序等详细算法，从 而获取喷枪在工件表面的喷涂路径；讨论了针对喷涂工艺的特点选取采样点的原 则；给出了详细的估算采样点法矢量算法，最后通过偏置算法生成喷涂机器人的 喷枪轨迹。 第五章， 主要介绍了喷涂系统的系统结构，然后介绍组成喷涂系统的构 成技术v c + + 和o p e n 甜技术，最后介绍了平台的界面和算法的实现。 第六章，总结与展望。在总结全文主要完成的研究内容及创新点的基础 上，指出喷涂机器人喷枪轨迹生成方法需要进一步研究和待解决的问题。 1 5 江苏大学硕士学位论文 第二章喷涂工件数据信息的获取 获取喷涂工件数据信息是喷涂机器人离线编程系统中的首要环节，一般有两 种途径：c a d 建模和实物测量。c a d 建模是指设计人员通过商业化的正向设 计软件对零件或产品进行造型设计，以构建其数字化几何模型。由于软件本身提 供了各种曲线、曲面编辑工具，可以方便地实现模型的编辑与修改，设计出来的 几何模型可以是设计师自由发挥创意的作品，而非实物模型。然而，对于现实中 的物体，依靠二维工程图或草图建立的模型，往往与实物或设计方案有一定的出 入，尤其对于具有复杂自由曲面的喷涂工件来说，精确建模有很大的难度。实物 测量则恰好弥补了这一不足。它通过特定的测量设备和方法获取零件或产品表面 离散点的几何坐标数据，是逆向工程技术中的常用手段。测量的对象既可以是零 件，也可以是根据设计创意制作的石膏或油泥模型。与c a d 建模相比，实物测 量的应用范围更为广泛，得到的数字化模型更精确，且能通过逆向工程软件( 如 i m a g e w a r e 、p a r a f o r m 、r e s o f t 等) 与c a d 模型相互转换。 本章从喷涂工件数据信息的两种获取途径出发，论述工件的点云模型的获取 方式，为后续研究喷涂机器人喷枪轨迹规划作必要的准备。 2 1 三维模型构建技术 2 1 1c a d 技术 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是利用计算机软、硬 件系统辅助人们进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成 果的一种技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门 新兴学科。计算机辅助设计技术的发展是与计算机软、硬件技术的发展和完善， 与工程设计方法的革新紧密相关的。采用计算机辅助设计也是现代工程设计的迫 切需要。目前，具有复杂型面的零件广泛应用于汽车、造船、航空等工业领域， 这类零件大多具有自由曲面，在设计这些零件时，一般需要运用c a d 技术。 c a d 技术产生于2 0 世纪5 0 年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着 计算机软、硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。到目前为止， c a d 技术已经历了4 次技术创新【2 1 2 1 ： 1 6 江苏大学硕士学位论文 1 ) 第一次c a d 技术革命曲面造型技术 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统，由于缺乏形体 的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。7 0 年代，飞机和汽车工业蓬勃发展， 飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征 纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。法国人根据当时的需要，提出了贝赛 尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得 法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统c a d 的基础上，开发 出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。 标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次 实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有了 现实的基础。 2 ) 第二次c a d 技术革命实体造型技术 第二次c a d 技术革命是将零件的质量、重心、惯性矩等特性引入到c a d 软件中，即实体造型技术。这次革命以1 9 7 9 年s d r c 公司发布的世界上第一个 大型c a d c a e 软件i - d e a s 为标志。由于实体造型技术能够精确表达零部件的 全部属性，在理论上有助于统一c 舢) i 岖c 蝴的模型表达，从而给设计带来 了很大的方便，它代表着未来c a d 技术的发展方向。因此，实体造型技术的普 及应用标志了c a d 发展史上的第二次技术革命。 3 ) 第三次c a d 技术革命参数化技术 第三次c a d 技术革命是参数化技术的出现，其代表软件为2 0 世纪8 0 年代 末p t c 公司发布的p r o e 。进入2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司内部的一批人提 出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法一参数化实体造型方法。从算 法上来说，它主要有以下特点：基于特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺 寸驱动设计修改。由于c v 公司内部否决了参数化技术方案，研究参数化技术的 人员在新思想无法实现时集体离开了c v 公司，另成立一家参数化技术公司 ( p t c ) ，开始研制命名为p r o e n g i n e e r 的参数化软件。2 0 世纪9 0 年代，参 数化技术变得成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便 易行的优势。 4 ) 第四次c a d 技术革命变量化技术 2 0 世纪9 0 年代，s d r c 公司的开发人员提出了一种新的技术变量化技 1 7 江苏大学硕士学位论文 术，以解决参数化技术中“全尺寸约束”带来的问题，于是驱动了c a d 发展的 第四次技术创新。s d r c 公司以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更 先进的实体造型技术，即变量化技术。变量化技术既保持了参数化技术的优点， 同时又克服了它的许多不足之处。变量化技术的成功应用，为c a d 技术的发展 提供了更大的空间和机遇。 随着c a d 技术的发展，出现了许多种三维模型的表达方法，使得c a d 技 术的应用成为可能，其中常见的有以下几种： 1 ) 构造立体几何表达法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，简称c s g ) c s g 方法采用布尔运算法则( 并、交、差) ，将一些简单的三维几何基元( 如 立方体、圆柱体、环、锥体) 加以组合，变化成复杂的三维模型实体。这种方法 的优点是：易于控制存储的信息量，所得到的实体真实有效，并且能方便地修改 它的形状；缺点是：可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大， 比较费时。 2 ) 边界表达法( b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n ，简称b r e p ) b r e p 方法根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。这种 方法的优点是：能快速地绘制立体或线框模型；缺点是：它的数据是以表格形式 出现的，空间占用量大，修改设计不如c s g 法简单，所得到的实体不一定总是 真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象，描述缺乏唯一性。 3 ) 参量表达