乘用车车身干涉区机器人高压静电变量喷涂轨迹优化

Energy conservation and emissions reduction is a difficult problem to build a new upgrading version of passenger car coating. And it can be solved effectively by trajectory optimization of spray painting robot. However, it leads to paint waste and poor quality of passenger car body because of the curvature variation and complex shape for interference areas. In this project, shaping air form and electrostatic droplet characteristic will be discussed, and the model of air field will be established. After analyzing the coupling relationship of droplet trajectory and electrostatic field, the variable spray model of electrostatic rotary bell applicator will be built. The laws of paint transfer rate and the spatial distribution of the coating will be discussed. The path planning will be completed with exponential mean Bézier curve.Because the problem of optimization trajectories has many constraint conditions and optimization objectives, an electromagnetism-1ike mechanism method based on pattern search will be used to optimize trajectories of single spray painting robot. As the trajectory integration problem of interference areas is a NP (Non-deterministic Polynomial) hard problem, it will be modeled as a graph coloring problem.This project aims to break through the technical limitations of constant spray. A technical idea of variable spray trajectory optimization for spray painting robot will be proposed. And the technology of spray painting robot off-line programming will be improved.

节能减排是打造新常态乘用车涂装技术升级版的难题，喷涂机器人轨迹优化是解决该问题的有效途径之一。然而，车身干涉区曲率变化大、形状复杂，导致涂层均匀性差，涂料浪费多，成为目前制约整车外观质量提升的瓶颈。本课题围绕变量喷涂轨迹优化方法，从研究整形空气湍流形态和带电雾滴特性出发，建立空气场流体动力学模型，分析其与雾滴轨迹、静电场之间的耦合关系，构建高压静电旋杯变量喷涂模型；研究静电喷涂四种主要变量对涂层空间分布和涂料转移率的控制规律，通过参数指数平均Bézier曲线规划调控性强的机器人变量喷涂空间路径；采用有全局寻优能力的模式搜索类电磁机制算法求解干涉区静电变量喷涂轨迹约束多目标优化问题，研究有序整数编码图着色方法解决干涉区轨迹优化组合NP难题。本项目旨在突破常量喷涂轨迹优化技术局限，提供一种新型的乘用车车身曲面机器人变量喷涂轨迹优化技术思路，为建立升级版喷涂机器人离线编程系统奠定理论和技术基础。

本项目针对乘用车车身干涉区人工喷涂涂层均匀性较差、涂料浪费多、环境污染大等问题，研究使用复杂曲面造型技术和喷涂轨迹优化技术解决乘用车车身干涉区喷涂问题，从而得到一系列较成体系的乘用车车身及其他工业产品机器人喷涂解决方案并应用于实际工程。主要包括如下几部分：. （1）提出了两种适用于不同场合的实用性较强的喷涂工件曲面造型方法。一种是基于平面片连接图FPAG的曲面造型方法，该方法主要包括曲面三角网格划分、三角面连接成平面片和基于平面片连接图FPAG的合并算法三个部分；另一种是基于点云切片技术的曲面造型方法，该方法主要分为总体算法描述、切片层数的确定、切片数据的分离、切片数据计算、多义线重构等五个部分。. （2）提出了从规划喷涂路径角度优化喷涂轨迹、提高喷涂质量的思想。提出两种喷涂机器人空间路径规划方法：基于分片技术的喷涂机器人空间路径规划；基于点云切片技术的喷涂机器人空间路径规划。. （3）提出了面向三维实体的喷涂机器人空间轨迹优化方法。利用实验方法建立一种简单的涂层累积速率数学模型并采用基于平面片连接图FPAG的曲面造型方法对三维实体进行分片；规划出每一片上的喷涂路径后，以离散点的涂层厚度与理想涂层厚度的方差为目标函数，在每一片上进行喷涂轨迹的优化。采用哈密尔顿图形表示各个分片上的喷涂轨迹优化组合问题，采用改进的GA算法、ACO算法、PSO算法对其进行求解。. （4）针对在乘用车车身曲面局部法向量方向差异不大的复杂曲面上的喷涂问题，提出了曲面上的喷涂机器人空间轨迹优化方法。通过分析喷涂过程中各个可控参数对喷涂效果的影响，建立曲面上涂层厚度数学模型；在此基础上生成喷涂机器人空间路径，得出轨迹优化设计是带约束条件的多目标优化问题，并选取时间最小和涂层厚度方差最小作为目标函数，应用带权无穷范数理想点法进行求解；研究了曲面上的静电喷涂机器人轨迹优化问题，在利用实验方法在得到静态喷涂的涂料空间分布的径向厚度剖面函数后，推导出一种新型的实用的ESRB涂层累积模型；以某品牌汽车车身为喷涂对象进行静电喷涂实验研究，并对喷涂结果进行了分析和讨论。