面向复杂曲面的喷涂机器人作业规划系统研究与开发

摘要

本课题以“高档数控机床与基础制造设备”国家重大科技专项“15kg喷涂机器人成套装备”项目为背景，研究开发面向复杂曲面的喷涂机器人作业规划系统。
　　针对生产设备模型创建与管理问题，提出了4种快速装配方式，设计并实现了生产单元建模与模型库管理子系统。以国外优秀离线编程软件作为参考，对其建模功能扩展，通过递归遍历导入设备并根据设备父子关系设置级别号，然后按级别号快速检索对应设备的方法实现快速装配过程。用户可以在新建设备模型和生产单元模型过程中任意组合使用4中快速装配方式，提高模型创建效率。为方便用户对模型的统一管理，本文设计了系统模型库，在模型创建模块的基础上，增加模型管理模块，包括模型修改、模型查询和模型删除的功能，使得该模型库能满足用户对不同生产场景和设备的需求。
　　针对项目中的非球型手腕喷涂机器人无解析解的问题，提出了基于析配消元法与雅可比伪逆法的逆运动学求解方法。将基于Liu方法的析配消元过程和雅可比伪逆法相结合，在析配消元过程中引入矩阵条件数，确保选出更“好”的矩阵作进一步计算，对于矩阵条件数过大或矩阵无实数域特征值的情况，切换到雅可比伪逆法，使原Liu方法不可解的位置即关键矩阵均不满秩等情况得以求解。通过大量数值算例对本文提出的改进逆解算法从计算时间到求解精度等方面进行验证，实验表明该逆解算法能满足工业实时性与高精度要求。
　　针对大曲率曲面路径规划问题，采用变间距变速率与多行程同时优化的方法进行路径规划与参数优化。首先计算喷涂表面平均法向量并构建包围盒，自动生成喷涂路径方向，用垂直于喷涂路径方向的截平面族与提取出的三角片相交获取截线段集合，对三角片截线段排序生成辅助路径，然后生成网格化喷涂表面。在综合考虑模型精确性和程序可行性的前提下，选择椭圆高斯和模型作为平面涂料沉积速率模型，然后采用自由曲面转换公式与离散化平面模型相结合的方法，分析计算曲面上的单行程与多行程膜厚分布。接下来采用多目标多变量约束优化方法BOBYQA，实现变间距、变速率的参数优化。根据参数优化结果生成实际喷枪路径、中间语言程序和实际机器人程序，最后针对多种工件，仿真验证了喷涂路径规划与参数优化的喷涂效果。
　　本文完成了面向复杂曲面的喷涂作业系统的软件开发，系统功能经喷涂作业规划系统仿真验证，能较好地满足项目需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 商业离线编程软件

1．2．2 非球型手腕机器人逆运动学算法

1．2．3 复杂曲面的喷涂路径规划方法

1．3 本论文的主要工作

1．4 论文组织结构

第二章 面向复杂曲面的喷涂机器人作业规划系统总体方案

2．1 作业规划系统需求分析

2．2 作业规划系统体系结构

2．3 系统开发平台

2．4 OpenGL图形绘制技术

2．5 DLL技术

2．6 本章小结

第三章 生产单元建模与模型库管理子系统

3．1 子系统整体设计

3．2 设备属性设计

3．3 模型库存储组织结构设计

3．4 快速装配设计

3．4．1 快速装配主过程

3．4．2 D-H参数输入方式

3．4．3 RPY参数输入方式

3．4．4 矩阵参数输入方式

3．4．5 几何约束关系输入方式

3．5 模型创建模块

3．5．1 模型信息提取

3．5．2 新建设备模型

3．5．3 新建生产单元模型

3．6 模型管理模块

3．6．1 模型修改

3．6．2 模型查询／删除

3．7 子系统类设计关系图

3．8 本章小结

第四章 非球型手腕机器人运动学建模与求解

4．1 非球型手腕机器人正运动学建模

4．1．1 机器人坐标系建立

4．1．2 机器人运动学方程建立

4．2 非球型手腕机器人逆运动学求解

4．2．1 引言

4．2．2 改进的析配消元法

4．2．3 雅可比伪逆法

4．3 非球型手腕机器人求解实例

4．4 软件设计与实现

4．5 本章小结

第五章 复杂表面的喷涂路径规划与参数优化

5．1 基于改进包围盒法的路径规划

5．1．1 喷涂表面平均法向量计算

5．1．2 包围盒构建

5．1．3 改进包围盒法

5．1．4 辅助路径生成

5．1．5 喷涂表面网格化

5．2 喷涂膜厚分布

5．2．1 空气喷枪涂料沉积速率建模

5．2．2 单行程喷涂膜厚分布

5．2．3 多行程喷涂膜厚分布

5．3 大曲率曲面喷涂作业参数优化

5．3．1 目标函数构造

5．3．2 约束条件

5．3．3 优化算法

5．4 喷枪路径生成

5．5 喷涂作业程序生成与仿真验证

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士期间发表的论文