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喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 摘要 在汽车等产品的喷涂作业中，多数都是保证漆膜质量要求的前提 下，考虑漆膜厚度均匀和喷涂时间，但大多数的喷涂工艺参数均为经 验值，不利于大型汽车制造的生产质量和生产效率的提高。针对这些 问题，本文做了以下几个方面的研究： 1 根据实际生产情况、汽车行业的涂膜质量标准和提高喷涂效 率的要求，综合考虑汽车喷漆漆膜厚度方差和喷漆用时两个优化问 题，建立汽车喷漆漆膜厚度方差和喷漆用时的数学模型。 2 分别利用先验偏好信息和后验偏好信息的满意优化方法，对 喷漆多目标优化问题进行优化。 3 通过实验验证数学模型优化得到的工艺参数和优化结果。 本文研究结果如下： 1 通过先验偏好信息和后验偏好信息的满意优化方法的优化结 果，确定后验偏好信息满意优化的优化方案。 2 对于后验偏好信息的多目标优化问题，首先利用先进的多目 标遗传算法n s g a i i 对汽车喷涂的数学模型进行优化；其次构造满 意度函数，得到每个解对应目标的满意度值。利用淘汰优化算法，使 得最优解集缩减为只包括m p a r e t o 最优解的子集；最后利用模糊c 均值聚类法，将包含一定数量解的子集进行分类，得到代表子集，决 策者可以根据自己的偏好信息，确定满意解。 3 通过实验得到的漆膜厚度和喷涂用时基本符合数学模型优化 结果。实验验证了后验偏好信息满意优化算法的有效性，为实际生产 中，工艺参数的选择提供了可靠的依据。 关键词：汽车喷涂多目标优化偏好信息满意度工艺参数 as t u d yo nt e c h n o l o g ya n ds a t i s f y i n g o p t i m i z a t i o no fr o b o t i cp a i n t i n g a b s t r a c t w h e nm o s tp e o p l ea s s u r es p r a yc o a t i n gq u a l i t yi nm a n yc a s e sf o r a u t o m a t i cs p r a yp a i n t i n g ，p a ya t t e n t i o nt oe q u a ls p r a yc o a t i n gt h i c k n e s s a n do p t i m a lt i m e ，b u tm a j o r p a i n t i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s a r e e m p i r i c a lv a l u e t h e s ed o n 、tf a v o rt h ei m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y o ft h em a jo ra u t oe n g i n e e r i n g f o rt h e s ep r o b l e m s ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns e v e r a lr e s e a r c ha n ds u b j e c t sa sf o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n gt o a c t u a l p r o d u c t i o nc o n d i t i o n 、q u a l i t ys t a n d a r do f s p r a yc o a t i n ga n dr e q u i r e m e n to fi m p r o v i n gs p r a ye f f i c i e n c y , c o n s i d e r s p r a yc o a t i n gt h i c k n e s sa n ds p r a yt i m e ，f o rw h i c ht h e m a t h e m a t i c a l m o d e lh a sb e e ns e t 2 t w ok i n d so ft h es a t i s f y i n go p t i m i z a t i o nw i t ha n t e r i o rp r e f e r e n c e a n dp o s t e r i o r ip r e f e r e n c eh a v e b e e no p t i m i z e dt h em u l t i p l eo b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n t h eo p t i m i z i n g r e s u l t so ft w om e t h o d sa r ec o m p a r e d ， f i n a l l y , s e l e c tt h eo p t i m i z i n gr e s u l t so fp o s t e r i o r ip r e f e r e n c e 3 f o rt h em u l t i p l eo b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw i t hp o s t e r i o r ip r e f e r e n c e ， f i r s t l y , t h eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e da p p r o x i m a t ep a r e t oo p t i m ，a l s e to ft h e m o o p i sa c q u i r e db ym em u l t i p l eo b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ：n s g a i i t h e ne s t a b l i s ht h es a t i s f a c t i o nf u n c t i o n sf o rt h eq u a l i t a t i v et a r g e t s ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n gs a t i s f y i n gd e g r e e s o fa l lt h e o b j e c t i v e s f o re a c h s o l u t i o na r e g o t t h ee l i m i n a t i n go p t i m i z a t i o n m e t h o dr e d u c e st h e o b t a i n e ds e tt ot h em p a r e t oo p t i m a ls u b s e t f i n a l l y , t h et r a d i t i o n a lf u z z y cm e a n ( f c m ) c l u s t e r i n gc l a s s i f i e st h es u b s e ti n c l u d i n gm a n ym - p a r e t o o p t i m a ls o l u t i o n st oa c q u i r et h er e p r e s e n t a t i v es u b s e ts u c ht h a tu s e r sc a n e a s i l ys e l e c th i sp r e f e r r e dr e s u l t 4 a c c o r d i n gt oo p t i m a lp a i n t i n gp a r a m e t e r s ，t h er e s u l t so fs p r a y c o a t i n gt h i c k n e s sa n ds p r a yt i m ea r ev e r ya c c u r a t ew h e nc o m p a r e dw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h mi s c h e c k e d t h e r e s u l t sc a nb ea p p l i e dt os e l e c t i o no ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r si nt h e a c t u a ls p r a y k e yw o r d s ：t h em u l t i p l eo b j e c t i v e o p t i m i z a t i o no fa u t o m o t i v e p a i n t i n g ；p r e f e r e n c e ；s a t i s f y i n gd e g r e e ；t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 蛊慧杰。7 年6 月凇日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名盘蓑盎导师签名尸专m 七具zz ， 广西大掌硕士掌位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 1 1 课题来源 第一章绪论弟一早珀t 匕 本课题源于国家自然基金资助项目基于表面分割的制造工艺智能轨迹规划研 究及满意优化设计( 编号5 0 7 6 5 0 0 1 ) 。 1 2 汽车喷涂工艺的发展现状 喷涂机器人在国外早已广泛应用于汽车等产品的涂装生产线，近年来国内亦拥有相 当数量的喷漆机器人。早期的机器人是“示教在现 型，即由操作人员“手把手地直 接握住安装在机器人腕部的喷枪操作整个过程，由机器人控制器存储全过程的顺序、位 置和时间，然后机器人读出记忆的操作顺序重复在现示教的操作运动。这种方法存在很 多缺点，如人工费用较高、缺乏熟练劳动力等。采用喷漆机器人离线编成方法，利用计 算机自动寻找产生最佳喷涂效果的喷涂轨迹路线，即可解决上述问题，又进一步提高喷 漆质量。 1 9 9 1 年，s u k h a ns u h 研究了喷漆机器人的自动轨迹规划系统，研制成功了集软、 硬件于体的喷漆机器人离线编程系统样机。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等功能。但随着科技的发展，对不同场合、不同工作 环境、不同质量要求，待涂工件的质量要求也有很大差异，所以，面向用户的满意喷涂 就应运而生。根据用户满意的质量要求，选定喷涂工艺参数。在喷涂离线编程系统中， 再按照选定喷涂工艺参数，进行轨迹的自动生成，进行仿真分析等功能模块，这样才能 在实际的生产中，得到用户满意的喷涂要求。但实际喷涂过程中，工艺参数的选择往往 依靠经验值来确定。对于每一种甚至每一个待喷涂工件，其涂膜厚度不同，尺寸规格不 同，应该有不同的工艺参数组合。所以，我们需要利用先进的优化设计手段，确定适合 当前待喷涂工件的工艺参数值。本文所做的工作就是根据用户满意的质量要求，优化设 计喷漆工艺参数，完善机器人喷涂离线编程系统中的参数设置功能，使该系统能实现集 选择工艺参数、离线编程及智能轨迹设计等功能。 早期的工艺是一喷一烘干，后来油漆材料的改进可以部分做到“湿碰湿”施工【l 捌。 现在又有了包含中涂的三喷一烘的尝试。过去主要是手工喷涂，喷涂工具是手工喷枪。 广西大掌硕士掌位论z k喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 由于手工喷枪的漆雾大、油漆浪费多，喷漆设备制造商就推出了静电喷枪。对于大量流 水作业汽车厂来说，每年几十万辆汽车完全靠人工来完成喷漆任务是很难想象的事情。 在汽车制造厂家的要求下，设备供应商推出了往复式喷涂机、圆盘喷涂机代替工人完成 部分喷涂任务。现在，国内各大汽车厂使用最多的是高速旋杯自动喷涂机。 世界典型轿车涂装工艺采用四，五涂层体系，由阴极电泳底漆，中涂一层或二层和面 漆一至二层工艺流程如下：涂前处理一阴极电泳一水洗一循环水洗一去离子洗一烘干一打磨一 涂焊缝一上遮具一车底喷漆一卸遮具一烘干一打磨一擦净一喷中涂一烘干一打磨一擦净一喷面漆一 烘干一打磨一擦净一喷面漆一烘干一涂防锈蜡一擦净【3 一。 汽车的面漆分两大类，即本色漆和金属闪光漆。近几年金属闪光漆系列发展迅速， 珠光漆，随角度异色涂料等层出不穷。面漆应选用：醇酸类漆，硝基漆，氨基漆，丙烯 酸类漆，环氧类漆，聚酯类漆，电泳涂料。轿车常用面漆包括：热固性三聚氰氨醇酸树 脂面漆，丙烯酸树脂面漆【5 制。 1 3 汽车常用喷涂方法及影响因素 汽车常用喷涂方法的分类： 1 空气喷涂法1 7 1 ( 1 ) 冷喷主要用于手工，自动喷涂机( 机械手或往复机) ( 2 ) 热喷主要用于手工 ( 3 ) 静电喷涂主要用于手工，自动喷涂机( 机械手或往复机) 空气喷涂是靠压缩空气的气流使涂料雾化，在气流的带动下，喷涂到被涂物表面的 一种涂装方法。空气喷涂法至今还是中小批量汽车涂装和汽车修补涂装的主要涂装方法 之一。空气喷涂法的涂料涂着效率低( 一般为5 0 6 0 ) ，喷雾飞散多，致使操作环境 变差。 空气喷涂的主要工具是空气喷枪，空气喷枪喷涂的主要工艺参数如下【8 】： ( 1 ) 喷涂的距离 指喷枪头到被涂物的距离。对大型喷枪，距离应在2 0 - - 一3 0 c m 。对小型喷枪，距离 应在1 5 - - 2 0 c m 。 ( 2 ) 喷枪运行方式 包括喷枪对被涂物面的角度和喷枪的运行速度，应保持喷枪与被涂物面呈直角，平 行运行，喷枪移动速度一般匀速在3 0 - - - 6 0 c m s 。 2 噎海机器 啧睾工艺分析a 满意优化研究 ( 3 ) 喷枪的开口角 ( 4 ) 涂料的黏度涂料的种类不同，黏度也不同 ( 5 ) 涂料的湿度 ( 6 ) 喷枪的空气压力 f 7 ) 喷枪的喷出量与喷嘴的口径有一定的关系 2 静电喷涂 在近2 0 年中随着静电涂装技术和计算机控制技术的进步，采用高转速杯式自动静 电喷涂机( e s t a ) 和机械手喷涂机代替了手工喷涂和一般转速杯式静电喷涂机，如图l ，1 所示。高转速杯式自动静电喷滁机( e s t a ) 己成为当今汽车车身中涂，面漆涂装工艺的主 流技术。他的涂料涂着率可达到9 0 以上。静电喷涂是以接地的被涂物为阳极，涂料雾 化或电栅为阴极，接上负高压电，在两极形成高压静电场，异性相吸原理，使带电的涂 料滴在静电场中，沿电力线的方向吸往被涂物，放电后黏附在被涂物上，涂料要求易导 电凹。 圉i - 1 高转速杯式自动静电喷涂机 f i g 1 - 1e l e c t r o s t a t i c h i n g - s p e e da u t o m a t i cs p r a y i n ge q u i p m e n t 静电喷涂的主要工艺参数1 0 - 1 1 1 ： ( 1 ) 喷涂的距离 一般应在2 0 3 0 c m 。 ( 2 ) 静电场电压 一般应在8 0 1 0 0 k v 。 r 3 1 喷杯的转速 负载时，一般在io 42 万r r a i n 。 r 4 1 涂料的流率 指单位时间内输给喷枪的涂料量，与喷杯的口径和转速有关，可按经验而定。 广西大掌硕士掌位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 ( 5 ) 限幅空气压力 限幅空气主要是调整漆雾流的幅度，一般按经验而定。 ( 6 ) 静电场的电场强度 一般在3 9 0 0 - - - - 4 0 0 0 v c m 。 ( 7 ) 涂料的黏度 一般在1 5 - - 一2 5 s 。 影响涂装产品喷涂质量的工艺因素有很多，其中密切相关的有油漆施工因素、喷枪 施工因素和喷涂环境因素三大类，下面详细介绍每一类的具体项目： 主要的油漆施工因素有：油漆粘度、油漆温度、油漆电阻率、油漆稀料及慢干剂、 油漆的搅拌和过滤。 主要的喷枪施工因素有：油漆流量、油漆压力、油漆雾化程度、喷涂扇面大小、喷 枪运行方式( 包括喷枪对零件表面的角度、喷涂距离和喷枪的运行速度) 、高压静电电压 ( 仅对静电喷枪适用) 、喷枪空气帽的种类、喷涂距离、喷涂扇面重叠。 主要的喷涂环境因素有：喷房温度、喷房湿度、喷房风速、风向、闪干时间、闪干 温度、烘烤时间、温度及升温曲线、零件表面温度。 1 。4 汽车漆膜主要缺陷与对策 1 4 1 流挂 在喷涂河干燥过程中垂直或斜曲线表面涂膜形成由上向下的流痕或下边缘增厚的 现象称为流挂【1 2 1 。根据流痕的形状，流挂可分为下沉、流挂、滴流、流淌等。 由流挂方程可知，产生流挂的主要因素是涂膜厚度、涂料黏度。其中涂料黏度还受 温度、溶剂挥发及涂料触变性的影响而改变。下面对其产生的根源与对策分别进行阐述。 1 原因 ( 1 ) 喷涂操作不当，喷枪离喷涂面太近，移动太慢，一次涂得过厚。 ( 2 ) 喷枪设定不当，使用打出漆量的喷嘴配上低出气量的空气孔；喷涂气压过低；喷 幅己变小而为减少出漆量。 ( 3 ) 喷涂不均匀，厚处表干慢，如其下部薄极易形成流挂。 ( 4 ) 多次重复喷涂 2 对策 4 广西大学硕士掌位论文喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 ( 1 ) 在湿碰湿喷涂时，两道喷涂问隔应有足够的闪干时间。薄涂时闪干时间为3 5 r a i n ，随着喷涂次数和湿膜总厚度的增加，闪干时间最后要延长到5 - 8 r a i n 。 ( 2 ) 保证喷枪与工件间垂直，距离恒定。 ( 3 ) 喷枪的移动速度要均一，避免停顿，也要避免正对工件开枪和折返。 ( 4 ) 检查涂料黏度，严格掌握稀释比，按涂料品种稀释到规定的施工黏度。 1 4 2 橘皮 1 原因 橘皮是喷涂过程中常见有较难克服的流平性问题，影响因素众多，大大地影响到涂 膜的平整性。 ( 1 ) 喷涂过程中，由于溶剂挥发得太快，湿膜黏度急剧增加，使流平变得困难而产生 橘皮。 ( 2 ) 工件温度太高，是溶剂瞬时挥发，湿膜无法流平。 ( 3 ) 喷枪雾化不良，涂料颗粒过大。 ( 4 ) 喷涂距离太近。 ( 5 ) 涂料黏度多大。 ( 6 ) 低材粗糙易导致产生短波橘纹。 ( 7 ) 金色底色漆喷涂得太厚且闪干不充分。 2 对策 ( 1 ) 根据环境季节温度变化来选择合适的稀释剂。 ( 2 ) 改善强制冷却工段的冷却效果，使工件的温度4 0 。 ( 3 ) 降低涂料流出量并提高压缩空气输出量。 ( 4 ) 避免挂具的摆动，喷枪与工件表面的距离波动应保持在+ 5 m m 内。 ( 5 ) 按施工规范进行兑稀并采用带恒温装置的喷涂设备。 ( 6 ) 提高喷涂清洁度，减少表面颗粒，减少打磨，以免中涂涂膜表面被破坏而产生橘 皮。 ( 7 ) 金色底色漆厚度易在1 2 , - 1 4 a m 之间，尽量薄喷，使铝粉能平行排布经充分闪干 而很好地定膜。 1 4 3 附着力不良、涂膜脱落 在修补涂装场合，通常在取下遮盖用贴边胶带即将涂膜撕下，称附着力差。由于涂 广西大学硕士学位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 层的附着力差，受外力作用产生涂膜脱落的现象称为涂膜剥落。剥落程度可分为：直径 约5 m m 以下的小片脱落称为鳞片剥落；呈大片脱落的称为皮壳剥落；能成片撕下的称 为脱皮剥离。涂膜与涂膜之间的脱离称为层间剥离。 1 原因 ( 1 ) 涂装前表面受到污染，如蜡、有机硅、树脂、油污等，涂装表面预处理不佳。 ( 2 ) 喷涂表面太光滑。 ( 3 ) 所选用底漆与低材或旧漆面不配套，底涂层未干固透。 ( 4 ) 稀释剂的品质不佳。 ( 5 ) 喷涂中涂层时大气潮湿，稀释剂挥发太快或者底涂层准备好后在潮湿的环境下过 夜，在中涂漆面形成看不见的水膜，立刻喷涂面漆。 ( 6 ) 金属底色漆喷涂后放置时间过长( 超过漆厂推荐许可的时间) ，喷涂清漆，罩光层 与底色漆层间附着力变差。 2 对策 ( 1 ) 在喷涂前确保被涂表面己彻底清洁。 ( 2 ) 选用配套性良好的涂料( 底漆和面漆) 。 ( 3 ) 适当打磨被涂物( 尤其旧漆层应打磨，以提高涂层的附着力) 。 ( 4 ) 使用合格的良好稀释剂，以正确的黏度喷涂。 ( 5 ) 喷面漆前底漆应干透，或按油漆厂推荐的期限内，喷涂下一道底漆( 或面漆) 。 ( 6 ) 烘干底涂面的水份后，再喷涂中涂( 或面漆) 。 1 4 4 盖底不良、露底 因喷涂太薄，膜厚不足或涂料的遮盖力差，能见到底色的现象称为盖底不良；由于 漏喷，使该喷涂的部分为喷到，成为露底( 俗称缺漆) ；涂膜厚度不足，未达到工艺规定 的膜厚，能见到底色，且使涂面粗糙的漆膜弊病成为涂得太薄。 1 原因 ( 1 ) 涂料在使用前未充分搅匀，或所有涂料的遮盖力差。 ( 2 ) 过分稀释或稀释剂选用不当，涂料的黏度( 或施工固体分) 偏低。 ( 3 ) 使用过量的慢干稀释剂，使涂料在达到足够膜厚前即形成垂流。 ( 4 ) 喷涂过薄，或喷涂层数过少。 ( 5 ) 喷涂不仔细或被涂物外形复杂，发生漏涂现象。 6 广西大掌硕士掌位论文 喷嗣 机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 2 对策 ( 1 ) 在使用前涂料充分搅拌，选用合格的稀释剂，适当提高涂料的施工黏度( 或施工固 体分) 。 ( 2 ) 喷涂正确的层数来达到所需的膜厚。 ( 3 ) 提高喷涂操作的数量程度，谨慎操作。 ( 4 ) 底涂层的颜色尽可能和面漆的颜色相近。 1 5 汽车喷涂工艺的研究现状 随着工业自动化水平的提高，工业机器人在汽车等行业的应用也越来越广泛，机 器人喷涂作为工业机器人的一个应用领域，主要包括喷漆、家电喷涂、静电喷涂、家具 喷涂等几大类。其中对于汽车、家电等产品，其表面的喷漆效果对质量有很大的影响， 产品表面的色泽和光洁度一定程度取决于涂层厚度。涂层过厚的地方在使用过程中有皲 裂的倾向，如果表面的涂层厚度能保持一致，产品表面就不会因为溶剂的凸起引起不光 洁。因此，对于汽车等大型工业产品的生产，合理选择工艺参数，规划喷漆轨迹，可以 保证漆膜厚度的均匀性，从而节约生产成本，提高生产效率。 对于汽车喷漆行业，现有质量要求有：没有桔皮、光洁度、漆膜厚度均匀等。其它 还有很多质量要求，例如：喷漆用时最少、漆膜厚度均匀及用漆量最少等等。这些质量 要求均与生产成本、生产效率有密切关系。但由于现在企业间的合作关系，每个环节都 有专门的企业负责供应和管理，使多个质量要求不可能同时达到最优，或比较协调的最 优。汽车生产中，车身及其外饰物喷涂的油漆由油漆供应商直接调配提供给汽车生产厂， 供漆公司只需保证自己的供漆，甚至很多企业根本不在乎浪费的漆是否可以通过优化的 方法节省下来，进而可以以提高利润。这些情况不论对油漆供应商还是国家资源都是一 种浪费，所以我们需要综合考虑各种质量要求，对它们进行有目的的多目标优化，使它 们尽量同时达到一个满意的质量要求，节约成本，提高利润。 对于喷漆工艺的有约束单目标优化问题，主要先利用罚函数法或l a g r a n g e 乘子法将 带约束单目标优化问题转化为无约束单目标优化问题，再运用差分拟牛顿法求解i l 引。有 些研究人员将喷枪轨迹和喷涂工艺的优化合二为一，但考虑的工艺参数较少，主要以轨 迹优化为主，运用无约束梯度法进行优化i l4 1 。对于喷漆工艺的有约束多目标优化问题， 有些研究人员直接运用带权无穷范数理想点法来求解喷漆多目标优化问题，先分别求出 各目标函数的极小值，作为理想值，然后再让各分量目标函数尽量逼近各自的理想值【1 5 】。 广西大学硕士学位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优1 匕研究 在喷涂机器人喷枪路径的规划中，研究人员采用单目标遗传算法优化涂层厚度方差，仿 真结果得到了很大改善 1 6 j 。以平面或规则曲面作为对象的喷漆机器人喷枪规划方法已经 逐渐成熟，r a m a b h a d r a n 等人具体讨论了喷枪轨迹优化问题【1 7 9 1 ，用数值方法求解优化 轨迹。但在喷枪轨迹规划中，主要考虑对喷枪速度的优化，其他的喷漆工艺参数均取自 经验值，缺乏实际性，也没有考虑上漆率对喷漆效果的影响，所以本文从喷漆的涂膜厚 度均匀性和喷漆用时出发，建立关于喷漆工艺参数的优化模型，对相应的多目标函数进 行工艺参数优化研究。 本文主要对同时满足各个质量要求的总体参数进行规划设计分析与研究，以提高生 产效率、节约生产成本以及提高利润。 1 6 课题研究目的及意义 目前对于喷漆工艺参数优化方面的研究主要是对漆膜厚度均匀性、喷涂工艺参数对 色差的影响以及油漆利用率等方面，很少涉及多个质量要求同时优化的问题。优化问题 通常研究对“有限”的资源寻求“最佳”利用或分配方式。任何资源，如劳动力，原材 料，资金都是有限的，必须合理配置，寻求最佳利用方式。所谓最佳利用方式必须有一 定的标准或目标。一般来说，标准或目标主要是成本最小或利润最大。对于喷漆工艺的 优化目标有漆膜厚度均匀，喷涂时间最少等。所以喷漆工艺的优化属于多参数的多目标 优化问题。本文主要针对漆膜厚度均匀和喷涂用时两个质量目标。对本文多目标优化问 题，先建立数学模型，以工件的漆膜厚度与期望漆膜厚度的方差和喷漆用时为目标函数， 利用满意优化原理和方法得到使方差值最小和喷漆用时最小的工艺参数值，进而得到满 足用户需要的满意解。 本文通过得到的优化工艺参数，可以完善机器人喷涂离线编程系统中的参数设置功 能模块，为喷涂机器人能喷涂出用户满意的喷涂效果做出一些贡献。 1 7 课题的研究内容 ( 1 ) 确定汽车面漆喷漆工艺的质量要求。 本课题确定了2 个质量要求：漆膜厚度方差、喷漆用时 ( 2 ) 确定优化准则。 ( 3 ) 确定与2 个质量要求相关的工艺参数。 ( 4 ) 建立与喷漆工艺参数相关的汽车喷漆数学模型。 广西大掌硕士学位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 ( 5 ) 考虑涂料上漆率对漆膜厚度的影响。 ( 6 ) 多目标优化方法的选择。 1 8 课题的创新点 ( 1 ) 在保证漆膜质量要求的前提下，同时考虑漆膜厚度均匀和喷漆用时最少两个质量目 标的优化问题，建立与工艺参数相关的汽车喷漆数学模型； ( 2 ) 利用满意优化原理对汽车喷漆多目标问题进行优化； 9 广西大掌硕士学位论文喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 第二章汽车喷漆数学模型的建立 2 1 汽车涂层标准 轿车和卡车由于产量大，质量要求高，都采用大批量的流水线的生产方式，在现代 化的涂装车间中进行生产，整个生产过程中，由一整套机械化运输系统实施工件在各个 工序中的传送和在各个工段间的调剂。车间多采用自动喷涂装置，各工段的工艺条件实 施自动化控制和管理，保证整个涂层质量最佳。 汽车涂层按j b zl l1 - 8 6 行业标准【2 们，分成十组，其中t q l 为卡车车身，t q 2 为轿 车车身涂层。对t q 2 来说，属于高级装饰性涂层( 高级轿车用) 和优质装饰保护性涂 层( 中级轿车使用) ，而对于t q l ，有优质装饰保护性和一般装饰保护性涂层两个等级。 主要特征指标见表2 1 ( 表中涂层厚度均为干膜厚度) 。 表2 i 汽车车身涂层的主要性能指标 t a b2 1m a i np e r f o r m a n c e so fa u t o - b o d ys p a r yc o a t i n g 涂层分组、等级 t q 2 ( 甲)t q 2 ( 乙)y q i ( 甲)t q l ( 乙) 应用高级轿车车身中级轿车车身卡车、吉普车卡车、吉普车 车身、客车车车身、客车车 厢厢 耐候性( 天然暴晒)2 年失光2 年失光2 年失光2 年失光 9 0 9 0 9 0 ! 为0 耐盐雾7 0 0 h7 0 0 h7 0 0 h2 4 0 h 涂层厚度底漆 2 0 t m 2 0 p m芝1 5 岬1 5 9 m 中漆 4 0 - 5 0 9 i n 3 0 1 t m 4 0 1 a m _ 4 0 1 x m 面漆 6 0 8 0 9 m _ 4 0 p m 外观 平整光滑、无颗平整光滑、无颗平整光滑、无平整光滑、无 粒，光亮如镜， 粒，允许极轻微颗粒，允许轻颗粒，允许轻 光泽大于9 0橘皮，光泽大于微橘皮，光泽微橘皮，光泽 9 0 大于9 0 ( 平大于9 0 ( 平 光小于3 0 )光小于3 0 ) 机械性能冲击强度三1 9 6 n c m三2 9 4 n c m 2 9 4 n c m 3 9 2 n c m 弹性s 1 0 r a m 5 r a m 一： 、 喷涂区域 图2 1 油漆空间分布模型 f i g 2 - ls i n g l ep a i n t i n gs t r o k ea n dr e s u l t i n gp a i n tt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n l i 广西大学硕士学位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满惠j 优1 匕研究 2 3 式中：，表示表面点与喷枪在平面上的投影点间的距离；w 表示喷枪在平面上 形成的圆形喷涂区域的直径；g 删表示最大涂层累积速率，与w 及喷涂流率q o 有关。 1 单道喷涂过程 设喷枪运行的方向为y 方向，与喷枪运行垂直的方向为x 方向。以喷涂区域内任意 一点p 为研究对象，p 点的涂层累积过程如图2 2 所示。为便于分析，设当喷枪在喷涂 区域投影点0 与p 点的连线o p 与喷枪的时刻为t = o 的时刻，并可设p 点坐标为( x ，o ) 。 设喷枪开始喷到p 点的时刻为x = t i ，由于对称性，当喷枪最后喷到p 点的时刻为x - - t l ， 即：在t l t l 的时间间隔内，p 点都可以被喷涂到。 y 喷涂区域 t = 吨l t = 0 仁b y = y o y - - - o y = y o r = w 2r = xr = w 2 图2 - 2 喷涂区域任一点p 的涂层累积过程 f i g 2 2p a i n t i n go fp o i n tp 则喷枪在y 方向上的位移为： y = v t 式中：v 表示喷枪的速度。 则： t l = 一y o v 由几何关系可得： y 。= 【r 2 一x z 】i ，2 = 【( w 2 4 ) - x 2 】i ，2 任意时刻，均有： ，= ( x 2 + y 2 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 广西大学硕士学位论文 喷漆机器人喷漆工艺分析及满意优化研究 由( 2 3 ) 式可得p 点的漆膜厚度丁( x ) 为： r ( x ) = 曰( r ) a t = 2 f q ( r 冲 ( 2 8 ) 由于整个喷涂过程中，p 点固定不动的，所以p 点坐标值x 不变，随着喷枪的运动， 喷枪在喷涂区域的投影也在运动。随着喷枪投影的变化，值也是变化的。易知，的范 围是x w 2 。所以由( 2 5 ) 式对，求微分可得： 加南办 则p 点的漆膜厚度丁( x ) 可表示为： m ) = 丁南如) 咖 由( 2 3 ) 式可得喷枪流量q 0 ： g ：蒯= n j 一等) ( 2 刀) 西= 孚 其中：a 表示喷涂区域的面积。 则卜 g 嘣：磐 当x = 0 时，m ( 2 。1 0 ) 式可得最大漆膜厚度乙： t , 积= - 2 ，f f 2 q 咖= 丁”等沙= 黑 漆膜厚度丁伍) 也可用1 3 分布模型表示，即： 剃= l 。( 1 一了4 x 2 ) 川( 一3 w - 2 2 5 ；x 3 0 p m ，本文确定中涂漆膜厚度为 3 5 p m 。由于允许漆膜厚度偏差为漆膜厚度的1 5 - - - - 2 0 ，所以本文确定允许的漆膜厚度 偏差值瓦= 5 a m 。 由于由2 2 9 式得到的涂层漆膜厚度为湿膜厚度，而汽车行业标准中标定的是干膜 厚度，对于本温的漆膜厚度数学模型，需要将湿膜厚度换算成干膜厚度。 干膜厚度= 湿膜厚度涂料的固体分( 体积百分率) 则：干膜漆膜厚度数学模型为： 丁( x ) = 丝业( 1 一t 4 x 2 ) 3 2 ( 2 - 3 1 ) 刀w ，w 。 1 3 2 1 0 4 r a q 上删一一 刀w v 其中：口表示涂料的固体分。 则：喷漆多目标优化的数学模型可表示为： m i n f = ( 五， ) s t 4 r ( x ) - r , , l t o z ：( 3 2 * 1 0 4 r o ! q 一3 5 ) 2 + ( 3 5 一0 9 3 * 3 2 * 1 0 4 r a q ) 2 ；r t w v删v 热疋竺：竺竺巫3 4 0 竺竺竺竺盖! j 丝生四舍五入