CN109865621B - 一种喷涂位姿拆分方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了喷涂位姿拆分方法及应用，包括以下步骤：S1、对待喷涂工件进行拆分，以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度，将带喷涂工件拆分为第1，2，…，n条；S2、对第1，2，…，n条待喷涂子工件进行三维建模；S3、以S2中的第1条待喷涂子工件的三维模型为基准，对机器人的运动路径进行规划，确保规划后的机器人运动路径跳过运动死点；并重复应用于第2，3，…，n条待喷涂子工件；S4、将S3中得到的运动路径进行整合，输入机器人控制器。本发明公开的方法可以避免喷涂过程中出现运动死点。

Description

一种喷涂位姿拆分方法及应用

技术领域

本发明涉及喷涂技术领域，具体的，涉及一种喷涂位姿拆分方法及应用。

背景技术

为了增强一些材料的表面性能，喷涂技术被广泛应用于对各种金属材料的加工中。为满足当代喷涂作业要求，机器人自动涂装***被运用于喷涂作业中，可根据客户需求，快速高效地对工件进行数码迷彩和斑点迷彩涂装作业。但是，发明人发现，在迷彩作业过程中，碰到较大的竖直圆弧面时，顶部向和底部向喷涂就会出现矛盾。若从顶部向下喷涂，则喷涂底部时，机器人手腕会卡死；同样，若从底部向上喷涂，则喷涂顶部时，机器人手腕会卡死。

在一些公开的技术文献中，公开了一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，该方法首先采用喷涂工具轨迹规划方法，完成对大型自由曲面分块和喷涂工具轨迹规划，然后在指定的站位搜索圆锥母线上，选出在喷涂机器人和三维移动平台的工作空间内的点，利用机器人学理论解出喷涂运动中的关节角和关节角速度对该点进行可行性检验，再利用三维造型软件的运动仿真功能进行碰撞干涉检查，最终找到所有自由曲面块对应的可行站位。发明人认为其技术的关键点着眼于整体工件的空间规划，其基于整个喷涂工件的数学建模进行分析，然而其容错率显然较低，一旦出现软件问题，会造成较多经济损失。

发明内容

针对现有喷涂机器人位姿运行状态容易受到尺寸影响，以及基于数学建模手段容错率低等不足，本发明旨在提供喷涂位姿拆分方法及应用，本发明的喷涂位姿拆分方法及应用较容易实现。

本发明的第一目的，是提供喷涂位姿拆分方法。

本发明的第二目的，是提供所述喷涂位姿拆分方法的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开喷涂位姿拆分方法，包括以下步骤：

S1、对待喷涂工件进行拆分，以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度，将带喷涂工件拆分为第1，2，…，n条；

S2、对第1，2，…，n条待喷涂子工件进行三维建模；

S3、以S2中的第1条待喷涂子工件的三维模型为基准，对机器人的运动路径进行规划，确保规划后的机器人运动路径跳过运动死点；并重复应用于第2，3，…，n条待喷涂子工件；

S4、将S3中得到的运动路径进行整合，输入机器人控制器。

本发明所公开之方法，其原理可概括如下：喷涂竖直圆弧面时，进行位姿拆分后，即可将顶部区域和底部区域划分为两部分，两部分使用不同枪姿进行喷涂。喷涂顶部区域初始位置时，机器人手腕平直，随着喷枪不断向下移动，枪姿不断倾斜，机器人手腕与三轴大臂不断靠拢，呈现三角形，如果不进行拆分，喷枪移动至底部区域时，机器人手腕与大臂会达到临界值而卡死。进行拆分后，在中间合适位置，机器人就会停枪并移动至过渡点和安全点进行位姿更换，调整至一个合理位姿再进行底部区域喷涂，这样机器人就可以以合理的位姿完成整个竖直圆弧面的喷涂。

其次，本发明公开喷涂位姿拆分方法的应用，所述应用包括用于喷涂等。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)由于本发明中将喷涂工具在运动死点处进行了一定程度的位姿调整，喷涂工具的位姿得意改变，同时在死点之前的运动和在死点之后的运动连为一体，喷涂竖直圆弧面时不会出现卡死停枪现象；

(2)本发明所公开之位姿拆分方法，将一个曲面分割为多个子曲面，而多个子曲面所对应的喷涂工具的运动轨迹为较简单的曲线，因此本发明所公开的位姿拆分操作方法简单、便捷。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为背景技术中传统喷涂方法示意图，

图2为实施例1喷枪、机器人、工件位置关系示意图，

图3为实施例1中工艺流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，现有喷涂机器人位姿运行状态容易受到尺寸影响，以及基于数学建模手段容错率低，本发明旨在提供喷涂位姿拆分方法及应用，本发明的喷涂位姿拆分方法及应用较容易实现。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

实施例1公开了喷涂位姿拆分方法，以喷涂竖直圆弧面斑点迷彩的底层色块为例，包括以下步骤：

S1、对待喷涂竖直圆弧面进行拆分，以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度，需要解释的是，在通常的生产中，由于喷涂机器人的喷枪能够将漆喷射形成椎体状液滴团，也即喷椎，因此一般会计算喷椎的实际喷涂面积，而本实施例中，喷椎与待喷涂竖直圆弧面的切面始终保持垂直，因此不再另行计算喷椎面积；将待喷涂竖直圆弧面拆分为第1，2，…，n条；此部分操作可以在Delmia或者Cartia软件中完成；

S2、对第1，2，…，n条待喷涂子工件进行三维建模；此部分可以在Delmia或者Cartia软件中完成；

S3、在Delmia软件中，以S2中的第1条待喷涂子工件的三维模型为基准，对机器人的运动路径进行规划，得到喷涂运动路径X1，确保规划后的机器人运动路径跳过运动死点；需要指出的是，在此过程中，机器人的运动路径实质上指代的是机器人的末端，也即喷枪的运动路径，在此过程中，也要保持喷枪与第n条带喷涂子工件的距离始终一致；

S4、将S3中的步骤重复应用于第2，3，…，n条待喷涂子工件；分别建立对第2，3，…，n条待喷涂子工件的喷涂运动路径X2，X3，…，Xn；

S5、将S3和S4中得到的运动路径进行整合，输入机器人控制器。

由于本实施例作用于喷涂底层色块，而底层色块在喷涂时，一般不需要跳过某几个点，因此本实施例中在实施的过程中喷枪在其喷涂运动轨迹X1，X2，…，Xn中均为喷涂状态。

步骤S3和S4中，同时在Delmia或者Cartia软件中将三维建模之后的机器人、喷枪和第n条待喷涂子工件进行装配，并模拟所述机器人、喷枪的运动；当第n条待喷涂子工件具有曲面上的运动死点时，调整喷枪位姿。

优选的，所述步骤S3包括以下步骤，需要指出的是，此步骤的实施需要本领域技术人员掌握一定的机器人运动学知识：

S3.1、拟合出所述第n条待加工子工件的中分面所截出的表面曲线P；所述的中分面，是指将呈条状的待加工子工件分割为两个垂直投影等长等宽的面，其必定垂直于同时经过中分线的待加工子工件的切面；

S3.2、将P映射于一竖直平面中形成直线P′；建立P′的意义在于，由于以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度进行待待喷涂子工件的分割，因此在竖直平面上喷枪的运动轨迹投影为一直线，即P′，则P′(i)坐标即可表示实际上喷枪的位置；

S3.3、定义迭代次数j，定义迭代步长ΔT，定义所述机器人的关节角度的初值为q₀；拟合机器人的喷涂路径，计算下一个运动节点的新关节角度值q₁＝q₀+q·ΔT；此处关节角度是指机器人的手腕与三轴大臂之间的角度，在本步骤中，q保持减小趋势；

S3.4、根据前向运动学方程计算出对应于所述新的关节角度值q₁的新的喷涂工件位置P′(i)，当机器人的关节角度为q_n＝α_min时，α_min为机器人允许的最小q值，确定此点为死点，记录此点位置P′(j1)；

S3.5、跳过死点，并规划喷涂工件跳过死点之后第一个路径点的位置P′(j2)对应的机器人的关节角度的值；

S3.6、求得喷涂工件的下一个路径点对应的机器人的关节角度的值q_j+1，直至求得所有路径点对应的机器人的关节角度的值；

S3.7、对各关节进行插值，得到连续运动轨迹；

S3.8、检验喷涂距离和喷涂速度的波动是否满足约束，并通过动力学方程验证喷涂距离和喷涂速度是否满足关节力矩约束，若上述条件均满足，则结束步骤S3，并进行步骤S4，否则返回步骤S2。

优选的，当机器人进行喷涂作业的时候，到达死点之前的1s内完成枪姿旋转，再继续喷涂剩余部分；也即，在P′(j1)和P′(j2)之间的时间为1s。

优选的，所述步骤S3中的“调整喷枪位姿”包括以下步骤：

SS1、首先建立喷枪的基坐标，由于以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度，将待喷涂竖直圆弧面拆分为第1，2，…，n条，因此不需要考虑喷椎问题，令P″_i,j对应机器人的三轴大臂端点，以P″_i,j为原点建立坐标系S；

SS2、得到在基坐标系S下的喷枪方向L；

SS3、改变SS2中的喷枪方向L，得到新的喷枪方向L′；L′与L的方向相异；

SS4、检验喷枪与待喷涂子工件之间的距离h，和喷枪移动速度v，判断h和v的波动是否满足约束，并通过动力学方程验证h和v是否满足关节力矩约束，若上述条件均满足，则结束步骤SS4，并进行步骤SS5，否则返回步骤SS3；

SS5、喷枪完成位姿调整。

需要说明的是在调整喷枪位姿的过程中，喷枪停止工作；

步骤S5中，整合后的路径中，当n≥2时，第n条喷涂路径的起始处与第n-1条喷涂路径的结束处顺序相邻。

步骤S3中，基于投影梯度法进行迭代运算，规划所述机器人的关节连续运动轨迹。

所述机器人具有多余冗余度。

所述插值算法采用拉格朗日插值算法，也可采用牛顿差值算法、分段线性插值算法、分段三次埃尔米特插值算法、样条插值算法。

实施例2

实施例2公开了如实施例1所述的迷彩片喷涂位姿拆分方法在喷涂领域的应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.喷涂位姿拆分方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对待喷涂工件进行拆分，以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度，将待喷涂工件拆分为第1，2，…，n条；

S2、对第1，2，…，n条待喷涂子工件进行三维建模；

S3、以S2中的第1条待喷涂子工件的三维模型为基准，对机器人的运动路径进行规划，确保规划后的机器人运动路径跳过运动死点；并重复应用于第2，3，…，n条待喷涂子工件；

S4、将S3中得到的运动路径进行整合，输入机器人控制器；

喷涂竖直圆弧面时，进行位姿拆分后，将顶部区域和底部区域划分为两部分，两部分使用不同枪姿进行喷涂；喷涂顶部区域初始位置时，机器人手腕平直，随着喷枪不断向下移动，枪姿不断倾斜，在中间合适位置，机器人停枪并移动至过渡点和安全点进行位姿更换，调整位姿再进行底部区域喷涂；

步骤S3中，同时将三维建模之后的机器人、喷涂工具和第n条待喷涂子工件进行装配，并模拟所述机器人、喷涂工具的运动；当第n条待喷涂子工件具有曲面上的运动死点时，调整喷涂工具位姿;

所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1、拟合出所述第n条待喷涂子工件的中分面所截出的表面曲线P；所述的中分面，是指将呈条状的待喷涂子工件分割为两个垂直投影等长等宽的面，其必定垂直于同时经过中分线的待喷涂子工件的切面；

S3.2、将P映射于一竖直平面中形成直线P′；建立P′的意义在于，由于以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度进行待喷涂子工件的分割，因此在竖直平面上喷枪的运动轨迹投影为一直线，即P′，则P′(i)坐标即可表示实际上喷枪的位置；

S3.3、定义迭代次数j，定义迭代步长ΔT，定义所述机器人的关节角度的初值为q₀；拟合机器人的喷涂路径，计算下一个运动节点的新关节角度值q₁=q₀+q·ΔT；此处关节角度是指机器人的手腕与三轴大臂之间的角度，在本步骤中，q保持减小趋势；

S3.4、根据前向运动学方程计算出对应于所述新的关节角度值q₁的新的喷涂工件位置P′(i)，当机器人的关节角度为q_n=α_min时，α_min为机器人允许的最小q值，确定此点为死点，记录此点位置P′(j1);

S3.5、跳过死点，并规划喷涂工件跳过死点之后第一个路径点的位置P′(j2)对应的机器人的关节角度的值；

S3.6、求得喷涂工件的下一个路径点对应的机器人的关节角度的值q_j+1，直至求得所有路径点对应的机器人的关节角度的值；

S3.7、对各关节进行插值，得到连续运动轨迹；

S3.8、检验喷涂距离和喷涂速度的波动是否满足约束，并通过动力学方程验证喷涂距离和喷涂速度是否满足关节力矩约束，若上述条件均满足，则结束对于第n条待喷涂子工件的机器人运动路径规划，并进行第n+1条待喷涂子工件的机器人运动路径规划，否则返回步骤S2。

2.如权利要求1所述的喷涂位姿拆分方法，其特征在于，当机器人进行喷涂作业的时候，到达死点之前的时间t内完成枪姿旋转，再继续喷涂剩余部分。

3.如权利要求1所述的喷涂位姿拆分方法，其特征在于：所述步骤S3中的“调整喷涂工具位姿”包括以下步骤：

SS1、首先建立喷枪的基坐标，由于以喷涂机器人的喷涂面积为单位宽度，将待喷涂竖直圆弧面拆分为第1，2，…，n条，因此不需要考虑喷椎问题，令

对应机器人的三轴大臂端点，以

为原点建立坐标系S；

SS2、得到在基坐标系S下的喷枪方向L；

SS3、改变SS2中的喷枪方向L，得到新的喷枪方向L′；L′与L的方向相异；

SS4、检验喷枪与待喷涂子工件之间的距离h，和喷枪移动速度v，判断h和v的波动是否满足约束，并通过动力学方程验证h和v是否满足关节力矩约束，若上述条件均满足，则结束步骤SS4，并进行步骤SS5，否则返回步骤SS3；

SS5、喷枪完成位姿调整；

在调整喷枪位姿的过程中，喷枪停止工作。

4.如权利要求1所述的喷涂位姿拆分方法，其特征在于：步骤S4中，整合后的路径中，当n>2时，第n条喷涂路径的起始处与第n-1条喷涂路径的结束处顺序相邻。

5.如权利要求4所述的喷涂位姿拆分方法，其特征在于：步骤S3中，基于投影梯度法进行迭代运算，规划所述机器人的关节连续运动轨迹。

6.如权利要求1所述的喷涂位姿拆分方法，其特征在于：所述机器人具有多余冗余度。

7.如权利要求1所述的喷涂位姿拆分方法，其特征在于：所述机器人的喷涂工具为喷枪。

8.如权利要求1~7任意一项所述的喷涂位姿拆分方法在喷涂领域的应用。

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