喷涂机器人喷枪空间轨迹研究.doc

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。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：）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。基于格式的喷枪轨迹规划喷涂机器人喷枪轨迹规划起初人们采用的是模型，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。喷枪喷雾形状为圆锥形年，提出了基于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【】。年，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【】年等提出了喷涂机器人轨迹自动生成系统。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，基于模型可以输出优化的轨迹【卅。的框架结构如图所示。系统包括五个模块：、江苏大学硕士学位论文、和。用于描述工件和喷枪的几何形状，它基于双三次样条曲面；用于根据喷涂参数和工件形状所决定的喷枪轨迹；是将喷枪轨迹转化为机器人运动轨迹；用于显示喷漆厚度的分布情况；用于显示合成运动轨迹。图系统结构图卜喷枪模型喷枪为空气喷涂，喷枪模型如图所示。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：万瓦丽口（）其中表示喷嘴油漆流动速率，表示喷枪距离，口表示喷角，盯表示表面喷漆的累积率，表示喷涂时间。这一算法的优点是可以运用到平台，输入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，于年提出了一个优化轨迹框架解决喷涂厚度问题。首先建立待喷涂表面模型：瓯（，）：（，），），（，）为定义域。（卜）喷枪的空间模型：妁口（）（）（）吩蝴（）江苏大学硕士学位论文其中，（）、（）、）表示喷枪在时间时的位置，口缈（）、（）、（）表示在时间时喷枪与、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。（），）表示在喷涂表面上，（，”点的漆膜积累速率，其中口）表示喷枪的模型。其次，建立优化目标：纵删去【（巍（，）（口）妫（）其中，砰（口）表示表面的平均漆膜厚度，。（口）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：（）沿指定空间轨迹的轨迹优化问题：其轨迹优化形式为：（，）（）（）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；（，）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【，】时间空间分为份，每份的长度彳，则砸）的连续分段逼近函数为：）五壤）其中，反（）：佳。虺圳，五【，】漆膜实际厚度：吸（旯，）：兰（以），）王（）（）江苏大学硕士学位论文其中元丑，五厶】。漆膜厚度变化：（口（）去儿（甄似吐马力一野（硝螂（）鼽：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（）图参数化空间路径静（）分段逼近单增时间函数（）喷枪轨迹点的坐标（）喷漆厚度的分布轮廓线图算法实验图（，吾，）一一砑专并一卜差苫专二卜二（）分段逼近单增时间函数（）喷枪轨迹点的坐标（）喷漆厚度的分布轮廓线图算法实验图（，吾，）江苏大学硕士学位论文自）分段逼近单增时间函数彳羞兰琢一，：。矧毒气一一一。，一卜十毒厂卜兰味：！卜众：；、，（）喷漆厚度的分布轮廓线算法实验图（，）、伽球）磬（）（）（）；（雌！）；，“（）；翰（）图卜实验对照爱图图的实验：图表示的是参数化的空间路径，图一（）、（）、（）分别表示的是当，：，：，：，：寸，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（）、（）、（）分别表示的是当，：，：三：，：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（）、（）、（）分别表示的是当，：，：。：。：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。从图中可以看到，图所示涂层变化比图变化的小，但是用漆量比图增加。在优化程序优化后，取，：。：三。：。：，优化的喷涂时间比图卜少了，比图卜增减了，但是图卜变化最小。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。年，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。事件由一个封闭的区域和两个开放的区域组成。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：采用区域为平方英尺的区域，如图所示：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一所示。口试警区域示露目噩曩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，会影响喷涂的效率年，等提出了一种基于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模型、喷枪模型、厚度要求和一些假设等。田一檀矍三角面片化江苏大学硕士学位论文首先，对自由曲面的模型进行三角面片化，如图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，如图所示：仝忾了拭广【厂）。（）喷枪参数（）喷漆的累积速率轮廓线圈卜颐枪模型如图（）：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、，表示点到中心的距离。喷枪的空间位置用六维矢量函数表示：魄马见印岛辟】，（）其中见、见表示喷枪的位置，、表示喷枪的方向。喷漆的累积速率轮廓线如图（）所示，它与很多因素有关，例如：喷枪到自由曲面的垂直距离、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。自由曲面喷涂过后，它的厚度变化应该满足：捌劬飞）包蝓（）其中，劬表示平均厚度，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，吼尺肭（，）（）研，厚度变化率为，图所示的是车江苏大学硕士学住论文门的三角化。图表示喷枪轨迹，图表示漆膜厚度变化，表表示了车门运用此算法获取的平均厚度等数据。田一车的三角化。脚。田卜藩耳崖壹化田寰平均耳鹰裹穆：、一一“瞳摩艳轨盎匿蓝据模型信息，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，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，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，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。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【。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【，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。基于格式的喷枪轨迹规划由于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，生成文件。格式的喷枪轨迹规划，即首先将模型转化为格式文件，读取文件，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【】。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：）离线编程系统和系统之间数据接口的统一；）离线编程系统能够更好的利用现有的模型；）提出更好的喷涂机器人喷枪轨迹规划算法：江苏大学硕士学位论文）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；）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。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：）利用系统对工件建模得到模型；）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，进而得到工件的模型。但是工件模型的构建过程繁琐，且操作人员使用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，由于从模型必须首先转化为格式，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。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和甜技术，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。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：建模和实物测量。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、等）与模型相互转换。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。三维模型构建技术技术计算机辅助设计（，简称）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，一般需要运用技术。技术产生于世纪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，技术已经历了次技术创新【：江苏大学硕士学位论文）第一次技术革命曲面造型技术年代出现的三维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，及均无法实现。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。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，同时也使得技术的开发有了现实的基础。）第二次技术革命实体造型技术第二次技术革命是将零件的质量、重心、惯性矩等特性引入到软件中，即实体造型技术。这次革命以年公司发布的世界上第一个大型软件为标志。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舢）岖蝴的模型表达，从而给设计带来了很大的方便，它代表着未来技术的发展方向。因此，实体造型技术的普及应用标志了发展史上的第二次技术革命。）第三次技术革命参数化技术第三次技术革命是参数化技术的出现，其代表软件为世纪年代末公司发布的。进入世纪年代中期，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公司，另成立一家参数化技术公司（），开始研制命名为的参数化软件。世纪年代，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。）第四次技术革命变量化技术世纪年代，公司的开发人员提出了一种新的技术变量化技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，于是驱动了发展的第四次技术创新。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，为技术的发展提供了更大的空间和机遇。随着技术的发展，出现了许多种三维模型的表达方法，使得技术的应用成为可能，其中常见的有以下几种：）构造立体几何表达法（，简称）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。）边界表达法（，简称）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。）参量表达法（）对于自由曲面，难以用传统的几何基元来进行描述，但可以用参数表达法。这些方法借助参数化样条、曲线和样条来描述自由曲面，它的每一个、坐标都呈参数化形式。各种参数表达格式的差别仅在于对曲线的控制水平，即局部修改曲线而不影响临近部分的能力，以及建立几何体模型的能力。其中较好的一种是非均匀有理样条（）法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。）单元表达法（）单元表达法起源于分析（如有限元分析）软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形。在快速成型技术中采用的三角形近似（将三维模型文件转化成格式文件），就是一种单元表达法在三江苏大学硕士学位论文维面的应用形式。为了综合以上方法的优点，目前，许多系统常采用、印和参数表达法的组合表达法，并且都提供单元表达法格式（如文件格式）的输出模块。在以上种方法中，由于单元表达法形式简单，计算方便，因此可以选择文件格式作为喷涂工件模型的描述方法。技术逆向工程（，简称）也称反求工程、反向工程或再生工程。这是一种工程方法，即是对已有产品进行分析、解剖、试验，从而了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其原理及工作机理，以进行仿制、改进或发展创造新产品的一种产品开发方法。它包括形状反求、材料反求、工艺反求等。目前，形状反求具有更加重要的地位和作用，因为逆向工程的本质是对设计意图和结构方式的理解团】，就其功能而言，逆向工程是将三维的物理实体几何信息数字化的一系列技术手段的总称。逆向工程的基本步骤如图所示。其中“数据采集是指利用各种测量方法获得实物的几何形状数据，要求具有较高的测量速度和精度，并尽可能获得完整的数据；“预处理主要是噪声消除及缺损数据修补；“形状拟合与操作人员对被测对象的理解程度有关；“三维重构”即模型构建，是逆向工程的重要环节，它再生出被测对象的三维形貌；“数据后处理可根据需要对原始数据进行镜像、缩放、旋转、组合或生成分型面；“数据输出可生成各种不同数据格式的模型。整个过程常常需要交错重复进行，“数据采集是其中最基本的一个环节。图逆向工程步骤逆向工程主要是为了改善技术水平，提高生产效率和增强经济竞争力，已经江苏大学硕士学位论文被世界各国应用于各个行业中来消化吸收先进技术和经验，逆向工程技术在许多领域中得到应用，主要表现在以下方面【冽：）在飞机、汽车、家用电器等产品开发中，产品的空气动力学性能和美学设计十分重要。由于设计师习惯于依赖实物模型，而不是依赖于高分辨率屏幕上的缩比模型阴影图形对产品设计进行评估，产品的外形通常不应用软件直接设计，而是首先制作木质或黏土全尺寸模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建模型。因此，逆向工程技术在此类产品的快速发展中起了重要的作用。）由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常需要对已有的构建作局部修改。在原始设计没有三维的模型下，若能将实物通过数据测量与处理，产生与实际相符的模型，对模型进行修改以后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程技术在产品改型设计方面可以发挥正向设计不可替代的作用。）在缺乏图纸情况下设计参数，需要将实物零件转化成计算机表达的模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析、计算机辅助制造等先进技术，并进行产品的创新设计。）某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，经常因为某一零部件的损坏而停止运行，通过逆向工程技术，则可以快速生产这些零件的替代品，从而提高设备的利用率和使用寿命。）借助工业技术，逆向工程不仅可以快速的产生物体的外部形状而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损检测的重要手段。点云模型点云模型简介随着数控、计算机、测量技术和反求技术的日益发展，产品数字化测量手段和方法变得越来越丰富，测量过程也变得越来越简单。如通过实物测量方法即可得到对象模型的数据信息，庞大的测量数据可为描述原型产品的基本形状特征和结构细节提供充足的信息。通常广泛采用测量设备对产品进行数字化处理得到的这些大规模的离散测量点称之为点云（）。它是离散表达零件表面形江苏大学硕士学位论文状特征信息的空间离散点的集合，即：（薯，），（）对于规则几何形体，点云数据模型应满足两个条件口】：）测量点之间具备完备的拓扑关系。）具有准确、唯一的测量点法矢量和曲率信息。由于是离散测量点，而且大多数情况下是海量数据，需要对点云数据进行多视拼合、噪声处理与数据精简之类的预处理。经过预处理后得到的点云数据可以准确有效地地表达实物的形貌，称为点云模型。在笛卡尔坐标系中，点云模型中的每一个离散点包含、轴坐标值。点的数据结构为：，：点的、轴坐标值】点云模型文件一般使用码形式，文件格式有，等，但文件的主要内容是一致的，每一行表示相应数据点的、三个坐标值（数据点也可以包含相应的法矢量信息），它的优点是可以借助文本编辑软件直接阅读和修改数据点。点云模型的文件格式非常简单，文件结构示例如下：江苏大学硕士学位论文点云数据的获取点云数据的获取主要有两种途径，如图所示：一种是喷涂工件模型通过相应的商业反求软件接口转换为点云数据，这种商业软件主要包括，等；另一种是通过测量设备获取待喷涂区域的点云数据结构。图点云数据获取途径按照测量方式的不同，工件的点云数据信息采集方法可分为接触式测量、非接触式测量以及逐层扫描式测量三大类，如表所示：表三维数据测量方法致据铡薰方式接触式非接触式逐屡扫描式光学声学电磁学主动式测量被动武测置核藩超电：投激光激数单双多声磁业磁老嘲噱共图影兜照光字目目目波波光一撮像二二模溯全视视视测测法法法揖角塑距息觉觉觉量量法法法法法法法法三坐标测量机（，）是广泛采用的接触式测量设备，利用测量机上的探头逐点捕捉被测物体表面数据，然后再由软件按一定的