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基于遗传算法的小曲率自由曲面喷涂机器人轨迹规划及优化

卢晓冬  
【摘要】:喷涂机器人作为工业机器人领域的一个重要分支,在汽车、船舶和航空航天等高端产业领域中应用非常广泛,已经逐渐淘汰了手工喷涂作业,成为现代产品制造过程中不可或缺的部分。现代高端工业产品的表面特征也越来越复杂,如汽车引擎盖、飞机表面和涡轮叶片表面等,大都为无法用曲面方程表述的小曲率自由曲面。目前,国内外针对小曲率自由曲面喷涂机器人轨迹规划及优化方法的研究尚不成熟,简单的将平面、圆柱面、圆锥面和球面等可用曲面方程表述的规则曲面的喷涂轨迹规划方法套用在小曲率自由曲面上,往往达不到理想的喷涂效果。同时,国内对喷涂机器人轨迹规划软件系统的开发不够重视,目前常用的大部分软件都是由杜尔、西门子和ABB等国外企业进行开发。针对上述问题,本文主要从小曲率自由曲面喷涂机器人末端轨迹规划及优化、关节轨迹规划及优化和喷涂机器人轨迹规划仿真平台开发三个方面展开研究,全文主要研究内容如下:建立高速旋杯静电喷涂下的自由曲面涂层累积速率模型;通过求交法获得切片平面与自由曲面点云模型交线轮廓点数据,并将交线轮廓点进行法向偏置得到Z型机器人末端轨迹;以喷涂后自由曲面表面各点的实际涂层厚度值与理想涂层厚度值之间的均方误差最小为目标,采用遗传算法进行求解,对喷枪轨迹进行优化,得到自由曲面喷涂机器人末端轨迹。建立喷涂机器人三维模型,确定其D-H参数;根据所得到的机器人末端轨迹,通过将牛顿迭代法和近似球形手腕确定初值法相结合,对不满足Pieper原则的喷涂机器人逆解数值解进行计算,得到喷涂机器人关节轨迹;以相邻轨迹点6个关节转角差值的加权平方和最小为目标,对关节轨迹进行优化;并以优化后的各关节轨迹曲线驱动虚拟样机,完成喷涂机器人动力学分析。基于MATLAB/GUI搭建由点云模型建立及显示、喷枪模型建立及显示、运动学正解求解和关节轨迹规划四个模块组成的喷涂机器人轨迹规划仿真平台。以某型号汽车引擎盖色漆喷涂过程为实验对象,运用本文所提出的喷涂机器人轨迹规划及优化方法,进行喷涂实验,验证本文所提出的喷涂机器人轨迹规划及优化方法的可行性和有效性。


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