CN118002340A - 复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于喷涂漆膜厚度预测领域，具体为一种复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，包括以下步骤：将自由曲面离散为网格面片，计算倾斜喷涂状态下此网格面片的漆膜涂层厚度；计算每段喷涂轨迹对应网格面片的转弯喷涂状态下此网格面片的漆膜涂层厚度；对相邻喷涂轨迹所重叠的网格面片涂层厚度进行叠加；若叠加后的漆膜厚度不满足喷涂工艺要求，则优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹，迭代优化直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求。本申请实现复杂曲面喷枪倾斜角度条件下的喷涂漆膜厚度预测，并可以通过调整喷涂工艺参数使得漆膜厚度均匀性满足喷涂要求，提高了复杂曲面自动化喷涂的适应性。
Description
技术领域
本发明属于喷涂漆膜厚度预测领域，具体为一种复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法。
背景技术
一般情况下，喷枪垂直于喷涂平面喷涂，主要采用β分布模型、椭圆双β分布模型、分析沉积等模型进行漆膜厚度预测。缺点：但在复杂产品曲面等状态下，喷枪不可能完全垂直于零件表面喷涂，存在倾斜喷涂的情况。此类喷枪倾斜喷涂状态下的复杂曲面喷涂漆膜厚度预测具有重要的意义。
发明内容
为解决自动化喷涂在复杂曲面、开敞性差等区域喷涂漆膜厚度不均匀，研究喷枪倾斜状态下喷涂漆膜厚度预测以及厚度均匀性控制方法，实现复杂曲面、曲线喷涂轨迹下高精度喷涂。
为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：
一种复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，将自由曲面离散为网格面片，根据喷涂工艺模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片，并计算喷枪法向与喷涂平面垂直的情况下喷涂漆膜厚度分布；
步骤S2，计算每个对应网格面片相对于喷枪轨迹的倾斜角度，进而计算倾斜喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S1的漆膜厚度得到倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S3，计算每段喷涂轨迹的转弯半径进而计算每段喷涂轨迹对应网格面片的转弯喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S2的漆膜厚度得到转弯喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S4，以上两种计算叠加得到每条喷涂轨迹对应的网格面片涂层厚度，最后再对相邻喷涂轨迹所重叠的网格面片涂层厚度进行叠加；
步骤S5，若叠加后的漆膜厚度不满足喷涂工艺要求，则优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹，迭代优化直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求。
进一步地，步骤S1中，将自由曲面离散为网格面片，采用哈希表技术重建离散网格面片拓扑关系，根据喷涂椭圆双β模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片。
再进一步地，针对喷涂对象为平面板且喷枪垂直此平面板的情况，建立椭圆双β模型拟合喷涂漆膜厚度分布，当喷枪沿工件表面均匀喷涂时涂层剖面厚度为
式中：表示沿y轴方向上喷枪移动的速度，/>表示喷枪到喷涂平面的距离，/>、/>本别是喷涂X轴向雾锥角和Y轴向雾锥角，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，tmax是喷涂中心点最大漆膜厚度值。
进一步地，所述步骤S2中，当喷涂平面与喷枪法线存在一定倾角时，需要对该点喷涂漆膜厚度进行修正，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，水平距离为x处的某点，附近待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为。在喷枪法向倾斜于喷涂平面时有两种状态，如图3和图4所示。
第一种为喷枪法向相对于喷涂平面右倾斜：
可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为：
表示喷枪到喷涂平面的距离，待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为-/>，/>是在喷涂位置x点的一个距离单元，/>是喷涂位置x点的等效喷涂长度。
第二种为喷枪法向相对于喷涂平面左倾斜：
可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为：
。
是在喷涂位置x点的一个距离单元，/>是喷涂位置x点的等效喷涂长度。
进一步地，在步骤S3中，计算得到漆膜厚度修正系数s为：
式中R为喷涂曲线转弯轨迹的等效圆心与喷涂中心点的距离，x为喷涂中心点与喷涂厚度计算点的距离；式中加减符号是靠近曲线圆心侧，漆膜厚度会变厚，符号取﹣；远离曲线圆心侧，漆膜厚度会变薄，符号取﹢。
进一步地，步骤S5中，在采取优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹措施后，重复执行步骤S1-步骤S4的方法计算喷涂漆膜厚度，直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求为止。
本发明的有益效果在于：
1、本申请根据实验数据拟合出平面垂直喷涂的漆膜厚度分布曲线，然后计算喷涂平面和喷涂轴线的夹角，进而计算复杂曲面倾斜喷涂状态下的漆膜厚度修正系数。在得到单条喷涂路径的漆膜厚度后，采用同样的方法再次计算其他喷涂路径的漆膜厚度。接着将相邻喷涂路径的搭接漆膜厚度进行叠加。若漆膜厚度不满足要求，则迭代修改喷涂倾斜角度以及喷涂轨迹搭接距离，直到叠加后的漆膜厚度均匀性满足要求，实现了复杂曲面漆膜厚度均匀性控制。
2、本申请针对复杂曲面、开敞性差等表面区域，研究喷枪倾斜状态下喷涂漆膜厚度预测以及厚度均匀性控制方法。利用双β模型理论，建立喷枪倾斜喷涂以及转弯喷涂条件下的漆膜厚度预测模型，实现复杂曲面喷枪倾斜角度条件下的喷涂漆膜厚度预测，并可以通过调整喷涂工艺参数使得漆膜厚度均匀性满足喷涂要求，提高了复杂曲面自动化喷涂的适应性。
附图说明
图1为复杂曲面倾斜喷涂漆膜厚度预测及厚度均匀性控制流程图。
图2为喷涂模型示意图。
图3为喷枪右侧倾斜喷涂模型。
图4为喷枪左侧倾斜喷涂模型。
图5为喷枪曲线喷涂搭接模型。
图6为喷枪沿曲线转弯喷涂示意图。
图7为相邻两条喷涂轨迹重复喷涂覆盖区域的漆膜厚度叠加示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是为了解释本发明而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。
实施例1
如图1所示，一种复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，将自由曲面离散为网格面片，根据喷涂工艺模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片，并计算喷枪法向与喷涂平面垂直的情况下喷涂漆膜厚度分布；
步骤S2，计算每个对应网格面片相对于喷枪轨迹的倾斜角度，进而计算倾斜喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S1的漆膜厚度得到倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S3，计算每段喷涂轨迹的转弯半径，进而计算每段喷涂轨迹对应网格面片的转弯喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S2的漆膜厚度得到转弯喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S4，以上两种计算叠加得到每条喷涂轨迹对应的网格面片涂层厚度，最后再对相邻喷涂轨迹所重叠的网格面片涂层厚度进行叠加；
步骤S5，若叠加后的漆膜厚度不满足喷涂工艺要求，则优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹，迭代优化直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求。
本申请根据实验数据拟合出平面垂直喷涂的漆膜厚度分布曲线，然后计算喷涂平面和喷涂轴线的夹角，进而计算复杂曲面倾斜喷涂状态下的漆膜厚度修正系数。在得到单条喷涂路径的漆膜厚度后，采用同样的方法再次计算其他喷涂路径的漆膜厚度。接着将相邻喷涂路径的搭接漆膜厚度进行叠加。若漆膜厚度不满足要求，则迭代修改喷涂倾斜角度以及喷涂轨迹搭接距离，直到叠加后的漆膜厚度均匀性满足要求，实现了复杂曲面漆膜厚度均匀性控制。
实施例2
如图1所示，一种复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，将自由曲面离散为网格面片，根据喷涂工艺模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片；并计算喷枪法向与喷涂平面垂直的情况下喷涂漆膜厚度分布；
步骤S1中，将自由曲面离散为网格面片，采用哈希表技术重建离散网格面片拓扑关系，根据喷涂椭圆双β模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片。
针对喷涂对象为平面板且喷枪垂直此平面板的情况，如图1所示，建立椭圆双β模型拟合喷涂漆膜厚度分布，当喷枪沿工件表面均匀喷涂时涂层剖面厚度为
式中：表示沿y轴方向上喷枪移动的速度，/>表示喷枪到喷涂平面的距离，/>、/>本别是喷涂X轴向雾锥角和Y轴向雾锥角，雾锥角与喷枪结构、喷幅压力和雾化压力相关，可以通过实验测得，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，如图2所示。tmax是喷涂中心点最大漆膜厚度值。/>即每条喷涂轨迹对应的漆膜厚度，在步骤S4中两条喷涂轨迹重复覆盖的部分，喷涂漆膜厚度叠加。
本步骤先求出喷枪垂直此平面的喷涂漆膜厚度分布，然后在计算喷枪倾斜一定角度的情况下喷涂漆膜厚度的修正系数，从而计算不同喷枪角度的情况下喷涂漆膜厚度的分布。
步骤S2，计算每个对应网格面片相对于喷枪轨迹的倾斜角度，进而计算倾斜喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S1的漆膜厚度得到倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S2中，当喷涂平面与喷枪法线存在一定倾角时，需要对该点喷涂漆膜厚度进行修正，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，水平距离为x处的某点，附近待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为。平面与喷枪法向的倾斜角度关系有两种状态，如图3和图4所示。
图3是喷枪倾斜喷涂模型，相对于垂直状态喷涂，喷枪有向左倾斜喷涂（与垂直面的夹角为）以及向右倾斜喷涂（与垂直面的夹角为-/>）两种情况。图3中B点位喷涂口位置，BC为垂直平面喷涂喷枪法线。A、D分别为喷涂漆膜厚度计算点。
在喷枪法向倾斜于喷涂平面时有两种状态，第一种为喷枪法向相对于喷涂平面右倾斜：
根据图3的关系可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为：
表示喷枪到喷涂平面的距离，附近待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为-/>，是在喷涂位置x点的一个微小距离单元，如图4中的AD。/>是喷涂位置x点的微小等效喷涂长度，如图3中的AE。
第二种为喷枪法向相对于喷涂平面左倾斜：根据图4的关系可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为：
。
是在喷涂位置x点的一个微小距离单元，如图4中的AD。/>是喷涂位置x点的微小等效喷涂长度，如图4中的DE。由于喷枪中心线与等效喷涂平面的倾斜姿态不同，等效的喷涂长度会出现不一样的效果。
当喷涂轨迹是曲线时，如图5所示，喷涂会出现曲线内侧喷涂漆膜厚度偏厚，曲线外侧喷涂漆膜厚度偏薄等情况。图6是喷枪沿曲线转弯喷涂示意图，O点为喷涂曲线转弯轨迹的等效圆心，O1点为喷涂中心点，O2点为喷涂厚度计算点。OO1的距离为R，O1O2的距离为x。
步骤S3，计算每段喷涂轨迹的转弯半径，进而计算每段喷涂轨迹对应网格面片的转弯喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S2中倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度从而得到转弯喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
在步骤S3中，计算得到漆膜厚度修正系数s为：
式中R为喷涂曲线转弯轨迹的等效圆心与喷涂中心点的距离，x为喷涂中心点与喷涂厚度计算点的距离；式中加减符号是靠近曲线圆心侧，漆膜厚度会变厚，符号取﹣；远离曲线圆心侧，漆膜厚度会变薄，符号取﹢。
步骤S4，以上两种计算叠加得到每条喷涂轨迹对应的网格面片涂层厚度，最后再对相邻喷涂轨迹所重叠的网格面片涂层厚度进行叠加；
步骤S5，若叠加后的漆膜厚度不满足喷涂工艺要求，则采取优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹等措施，迭代优化直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求。
步骤S5中，在采取优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹措施后，重复执行步骤S1-步骤S4的方法计算喷涂漆膜厚度，直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求为止。
实施例3
1、将自由曲面离散为网格面片，采用哈希表技术重建离散网格面片拓扑关系，根据喷涂椭圆双β模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片。
针对喷涂对象为平面板且喷枪垂直此平面板的情况，如图1所示，建立椭圆双β模型拟合喷涂漆膜厚度分布，当喷枪沿工件表面均匀喷涂时涂层剖面厚度为：
式中：表示沿y方向上喷枪移动的速度，表示喷枪到喷涂平面的距离，/>、/>本别是喷涂X向雾锥角和Y向雾锥角，雾锥角与喷枪结构、喷幅w、喷幅压力和雾化压力相关，可以通过实验测得。
本步骤先求出喷枪垂直此平面的喷涂漆膜厚度分布，然后在计算喷枪倾斜一定角度的情况下喷涂漆膜厚度的修正系数，从而计算不同喷枪角度的情况下喷涂漆膜厚度的分布。所述喷涂平面即图2中描述的喷涂平面。
2、计算每个对应面片相对于喷枪轨迹的倾斜角度，进而计算倾斜喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤1的漆膜厚度得到倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度。当喷涂平面与喷枪法线存在一定倾角时，需要对该点喷涂漆膜厚度进行修正，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，水平距离为x处的某点，附近待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为，在喷枪法向倾斜于喷涂平面时有两种状态，第一种为喷枪法向相对于喷涂平面右倾斜：根据图3的关系可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为/>：
水平距离为x处的某点，附近待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为-，第二种为喷枪法向相对于喷涂平面左倾斜：根据图4的关系可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为/>：
3，计算每段喷涂轨迹的转弯半径，进而计算每段喷涂轨迹对应网格面片的转弯喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤2中倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度从而得到转弯喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
漆膜厚度系数即转弯喷涂等效系数；
漆膜厚度系数：
4、以上两种计算叠加得到每条喷涂轨迹对应的网格面片涂层厚度，最后再对相邻喷涂轨迹所重叠的网格面片涂层厚度进行叠加。
5、如果叠加后的涂层漆膜厚度不满足工艺要求，则采取优化喷枪喷涂姿态、修正喷涂轨迹等措施，然后再按照1-4的方法计算喷涂漆膜厚度，迭代优化直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求。
图3是喷枪倾斜喷涂模型，相对于垂直状态喷涂，喷枪有向左倾斜喷涂（与垂直面的夹角为）以及向右倾斜喷涂（与垂直面的夹角为-/>）两种情况。图3中B点位喷涂口位置，BC为垂直平面喷涂喷枪法线。A、D分别为喷涂漆膜厚度计算点。
图5是喷枪沿曲线转弯喷涂示意图，O点位喷涂曲线转弯轨迹的等效圆心，O1点为喷涂中心点，O2点为喷涂厚度计算点。O O1的距离为R，O1O2的距离为x。
图7 是相邻两条条喷涂轨迹叠加漆膜厚度。通过调整喷枪倾斜角度以及喷涂搭接距离等方式，可以使喷涂漆膜厚度满足漆膜厚度均匀性要求。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将自由曲面离散为网格面片，根据喷涂工艺模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片，并计算喷枪法向与喷涂平面垂直的情况下喷涂漆膜厚度分布；
步骤S2，计算每个对应网格面片相对于喷枪轨迹的倾斜角度，进而计算倾斜喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S1的漆膜厚度得到倾斜喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S3，计算每段喷涂轨迹的转弯半径，进而计算每段喷涂轨迹对应网格面片的转弯喷涂状态下此网格面片的漆膜厚度修正系数，然后用此修正系数乘以步骤S2的喷涂漆膜厚度从而得到转弯喷涂状态下的喷涂漆膜厚度；
步骤S4，以上两种计算叠加得到每条喷涂轨迹对应的网格面片涂层厚度，最后再对相邻喷涂轨迹所重叠的网格面片涂层厚度进行叠加；
步骤S5，若叠加后的漆膜厚度不满足喷涂工艺要求，则优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹，迭代优化直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求。
2.根据权利要求1所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，步骤S1中，将自由曲面离散为网格面片，采用哈希表技术重建离散网格面片拓扑关系，根据喷涂椭圆双β模型计算每条喷涂轨迹所覆盖的网格面片。
3.根据权利要求2所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，针对喷涂对象为平面板且喷枪垂直此平面板的情况，建立椭圆双β模型拟合喷涂漆膜厚度分布，当喷枪沿工件表面均匀喷涂时涂层剖面厚度 为
式中：表示沿y轴方向上喷枪移动的速度，/>表示喷枪到喷涂平面的距离，/>、/>本别是喷涂X轴向雾锥角和Y轴向雾锥角，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，tmax是喷涂中心点最大漆膜厚度值。
4.根据权利要求1所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，当喷涂平面与喷枪法线存在倾角时，需要对该点喷涂漆膜厚度进行修正，x为喷涂漆膜厚度计算点到喷涂中心点的距离，水平距离为x处的某点，附近待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为。
5.根据权利要求4所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，在喷枪法向倾斜于喷涂平面时有两种状态，第一种为喷枪法向相对于喷涂平面右倾斜：
可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为：
表示喷枪到喷涂平面的距离，待喷涂平面与喷枪法线垂直面的夹角为-/>，/>是在喷涂位置x点的一个距离单元， />是喷涂位置x点的等效喷涂长度。
6.根据权利要求4所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，平面与喷枪法向的倾斜角度关系有两种状态，第二种为喷枪法向相对于喷涂平面左倾斜：
可得倾斜喷涂漆膜厚度修正系数为：
；
是在喷涂位置x点的一个距离单元， />是喷涂位置x点的等效喷涂长度。
7.根据权利要求1所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，在步骤S3中，计算得到漆膜厚度修正系数s为：
式中R为喷涂曲线转弯轨迹的等效圆心与喷涂中心点的距离，x为喷涂中心点与喷涂厚度计算点的距离；式中加减符号是靠近曲线圆心侧，漆膜厚度会变厚，符号取﹣；远离曲线圆心侧，漆膜厚度会变薄，符号取﹢。
8.根据权利要求1所述的复杂曲面喷涂涂层厚度预测以及涂层厚度均匀控制方法，其特征在于，步骤S5中，在采取优化喷枪喷涂姿态和修正喷涂轨迹措施后，重复执行步骤S1-步骤S4的方法计算喷涂漆膜厚度，直到喷涂涂层厚度满足喷涂工艺要求为止。
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