喷涂机器人喷枪轨迹设计与优化研究

论文摘要

本文研究了喷涂机器人喷枪轨迹的设计与优化,该设计与优化的目的是要确定一条使得工件表面涂层厚度差异达到最小的喷枪最优轨迹。全文主要由以下几个部分组成：1.首先阐述了喷涂机器人喷枪轨迹优化的研究背景、意义、发展历程、喷涂机器人离线编程的主要结构、轨迹优化研究概况与现阶段存在的问题以及本文所作的主要工作。2.根据已有的实验数据,通过理论分析建立了涂层生长速率新模型,对其进行了曲线仿真拟合。以工作面上任意一点涂层厚度和工作面涂层平均厚度的方差最小作为衡量涂层均匀性的标准,对沿指定空间路径的喷枪轨迹优化问题进行研究,由于涂层生长新模型应用在平面喷枪轨迹优化时较复杂,提出了运用最小二乘法将该方程拟合成为简单的β分布方程进行求解。3.研究了小曲率复杂曲面上喷枪轨迹设计与优化问题。由于现有涂层生长速率函数表达式过于复杂,故采用实验方法建立了表达式较为简单的涂层生长速率模型。对复杂曲面进行喷涂作业时,在小曲率复杂曲面的分片原则下,对曲面进行分片,并在每片上进行轨迹设计。为保证曲面上涂层厚度的均匀性,要对面片交界处喷枪轨迹进行优化,针对多面片组合优化时出现涂层干涉的问题,提出变喷枪高度的方法进行优化。4.研究了大曲率柱面上喷涂轨迹设计与优化问题。在现有涂层生长速率模型的基础上,运用自由曲面上涂层厚度建模原理推导出圆柱面上的3D涂层厚度模型。提出了将柱面通过最小二乘圆弧逼近的思想,将柱面分片成若干圆柱面片的组合,柱面上的喷涂轨迹优化问题可近似看做圆柱面来处理,并在每个圆柱面片上建立喷枪轨迹优化目标函数,讨论了两圆柱面片交界处的涂层厚度计算方法及喷枪轨迹优化问题。本文对主要的设计方案进行了仿真计算。仿真结果表明,本文提出的数学模型以及各种喷枪轨迹设计、优化方法均可获得良好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 喷涂机器人离线编程系统简介
• 1.3 国内外研究现状及存在问题
• 1.4 本文的研究主要内容
• 第2章 最优化原理与算法
• 2.1 引言
• 2.2 最优化问题的迭代解法
• 2.3 函数逼近与曲线拟合
• 2.3.1 函数最佳平方逼近
• 2.3.2 最小二乘曲线拟合
• 2.4 MATLAB软件简介
• 2.5 本章小结
• 第3章 平面上的喷枪轨迹设计与优化
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型与若干假设和定义
• 3.2.1 工作型面和喷枪运动轨迹的数学模型
• 3.2.2 射流连续性假设
• 3.2.3 涂层生长速率模型
• 3.2.4 涂层生长速率新模型及涂料厚度模型
• 3.2.5 基于Matlab涂层生长速率模型仿真
• 3.3 平面上的喷枪轨迹设计与优化
• 3.3.1 喷枪轨迹优化问题的约束条件
• 3.3.2 平面上喷枪轨迹优化方法
• 3.3.3 喷炬新模型在平面上喷枪轨迹优化中的应用
• 3.4 算法实例
• 3.5 本章小结
• 第4章 小曲率复杂曲面上的喷枪轨迹设计与优化
• 4.1 引言
• 4.2 涂层生长速率模型
• 4.3 小曲率复杂曲面上的喷枪空间路径生成方法
• 4.3.1 复杂曲面分片
• 4.3.2 每个片上的喷枪路径规划
• 4.4 复杂曲面上的喷枪轨迹优化
• 4.4.1 两面片交界部分喷枪轨迹优化
• 4.4.2 多面片上的喷枪轨迹优化
• 4.4.3 修正喷射高度并优化轨迹间距
• 4.5 仿真实验
• 4.6 复杂曲面上喷枪轨迹组合优化
• 4.7 本章小结
• 第5章 大曲率柱面上的喷枪轨迹优化
• 5.1 引言
• 5.2 自由曲面上涂层厚度数学模型的建立
• 5.3 圆柱面上喷枪的3D模型
• 5.3.1 柱面的喷涂分片规划
• 5.3.2 基于喷涂的最小二乘拟合
• 5.3.3 柱面分片算法流程
• 5.4 圆柱面片上的喷枪轨迹优化
• 5.4.1 每个圆柱面片上的喷枪轨迹优化
• 5.4.2 圆柱面片交界处的喷枪轨迹优化
• 5.5 仿真实验
• 5.5.1 喷枪参数设置
• 5.5.2 柱面分片规划
• 5.5.3 不同半径圆柱面上的喷枪轨迹优化
• 5.5.4 本文方法与传统方法的比较
• 5.5.5 两圆柱面片交界处的喷枪轨迹优化
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 1. 结论
• 2. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录