复杂内曲面喷涂过程建模与冗余喷涂机器人多维轨迹优化研究

Our research concentrates on poor coating thickness uniformity and difficult film thickness control problem of complex inner surface redundant spraying robot, caused by lack of theoretical model, insufficient research of trajectory optimization and end vibration. The specific content is: 1) Analysis the air gun transfer efficiency factor, which is ignored in traditional spraying model, based on computational fluid dynamics method. Then built a new multi-variable film thickness deposition rate model for complex inner surface, supplying theoretical foundation for trajectory optimization for complex inner surface and film thickness precisely control. 2) a new multi-dimensional parametric painting trajectory expression method is proposed, as well as a multi-dimensional painting trajectory optimization method. These methods realized the combinatorial optimization of painting flow rate, paint distance, painting angle and painting velocity, propose an innovative solutions for film thickness uniformity improvement. 3) To suppress end vibration for spray quality improvement, while meeting the requirements of trajectory tracking of air gun and collision avoidance of redundant robot in complex inner surface simultaneously, a multi-level joint trajectory optimization method in location, velocity and acceleration level in joint space is proposed. Our study has great significance of revealing the mechanism of inner surface spraying, improving the accuracy of inner surface spraying, and promoting the development and application of inner surface spray painting robot and redundant robot.

面向复杂内曲面冗余度喷涂机器人，针对理论喷涂模型缺乏、轨迹优化研究不充分、末端振动导致的涂层厚度难以控制、均匀性差的核心理论问题开展研究：1）基于计算流体力学方法对传统喷涂模型中忽略的上漆率因素进行量化分析，在此基础上提出一种新的多变量复杂内曲面涂层厚度沉积速率模型，解决了复杂内曲面喷涂轨迹优化和涂层厚度精确控制缺乏理论依据的根本性问题。2）提出一种喷枪轨迹的多维参数化方法，以及多维喷枪路径的优化模型，实现对喷涂速率、喷涂流量、喷涂距离、喷涂角度的组合优化，为提高复杂内曲面涂层厚度均匀性提出了创新性解决办法。3）为克服冗余机器人喷涂时末端振动较大的结构性缺陷，同时满足复杂内曲面喷涂时的末端轨迹跟踪和避障要求，提出一种位置、速度和加速度层面的关节轨迹优化方法。本研究对揭示内表面喷涂机理，提高内表面喷涂精度，克服冗余机器人自身弱刚性缺陷，推进内表面、冗余机器人的发展和应用，具有十分重要的意义。

本课题面向复杂内曲面冗余度喷涂机器人，针对理论喷涂模型缺乏、轨迹优化研究不充分、末端振动导致的涂层厚度难以控制、均匀性差的核心理论问题开展研究：.1）喷涂过程建模研究。首先，搭建了通过闭环反馈精确控制喷涂流量、基于视觉测量喷涂雾锥角的实验平台，通过实验研究提出了喷涂流量、雾化空气压力、扇幅空气压力对雾锥角影响的数学表达式；以AirPro EFX型空气辅助雾化自动喷枪为对象，基于计算流体力学方法对液滴在气体流场中的运动、液滴与壁面发生碰撞并沉积这两个过程进行建模，并通过物理实验数据和粒子图像测速验证了CFD仿真方法和结果的正确性；进而，综合运用CFD仿真和物理实验两种方法对传统研究中忽略的上漆率影响因素进行了量化分析，发现喷涂距离、扇幅空气、喷涂角度、表面曲率是上漆率的主要影响因素，并提出了上漆率计算公式；最终，提出了一种更准确的多变量复杂内曲面涂层厚度沉积速率模型，解决了复杂曲面喷涂轨迹优化和涂层厚度精确控制缺乏理论依据的根本性问题。.2）末端喷涂轨迹优化研究。首先，提出了基于所提喷涂模型的涂层厚度预测方法；然后，提出了一种喷枪轨迹的多维参数化表达及优化模型，可以对搭接距离、喷涂速率、喷涂流量、喷涂距离、喷涂角度进行组合优化，从而实现了一种多参数时变喷涂工艺方法，为提高复杂内曲面涂层厚度均匀性提出了新思路。.3）关节空间轨迹优化研究。以两种构型的冗余喷涂机器人为研究对象，先后研究了非球形空心手腕机器人逆运动学、纯转动关节的轨迹优化、带平动关节的位置层轨迹优化以及以振动抑制为优化目标的加速度层面轨迹优化问题，为提高基于冗余度喷涂机器人喷涂复杂曲面时的喷涂质量提供了新方法。.最终，通过综合喷涂实验验证了课题所提模型、理论与方法的正确性，目前研究成果已在复杂航空产品的内表面喷涂中得到了实际应用。