一種變量噴槍涂料沉積模型建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種沉積模型建模方法，尤其是涉及一種變量噴槍涂料沉積模型建模 方法。
【背景技術】
[0002] 由于噴涂機器人離線編程控制方法具有的噴涂質量高、勞動強度低和將工人從有 毒的環境中解放出來等優點，越來越多地被運用在諸如汽車、船舶和航空航天等領域中。
[0003] 機器人噴槍涂料沉積模型建模是構建機器人噴涂離線編程系統首要解決的關鍵 技術問題，傳統的建模方法只是在恒定噴槍參數的前提下，結合靜止噴涂實驗完成建模的， 獲得的噴槍涂料沉積模型不適應變量噴涂工藝的要求，諸如在噴涂過程中改變噴涂高度和 改變噴涂傾角等工藝，無法處理表面為復雜自由曲面的噴涂作業。
【發明內容】
[0004] 本發明目的是：提供一種變量噴槍涂料沉積模型建模方法，針對變量噴涂工藝的 需要，以噴涂高度和噴涂傾角為可控變量，實現變量噴槍涂料沉積模型的快速精確建模，最 終用于機器人變量噴涂軌跡規劃噴槍涂料沉積模型的快速獲取，實現噴槍涂料沉積模型在 變量自動噴涂中的運用。
[0005] 本發明的技術方案是：一種變量噴槍涂料沉積模型建模方法，具體包括以下步 驟：
[0006] 1)測定噴槍噴炬扇形角和噴涂高度范圍，運用有限范圍模型模擬噴槍涂料在平板 上的沉積分布規律，以標準噴涂高度在平板上做單位時間噴槍垂直靜止噴涂實驗，在圓形 涂料覆蓋范圍內，沿徑向測量獲得若干離散點的涂層厚度，擬合獲得標準噴涂高度下垂直 噴涂時的初始噴槍涂料沉積模型；
[0007] 2)基于上述初始噴槍涂料沉積模型，運用微分幾何放大定理建立以噴涂傾角和噴 涂高度為變量的噴槍涂料沉積理論模型；
[0008] 3)在噴涂高度允許的范圍內改變噴涂高度，并在噴涂高度恒定的情況下在平板上 做一系列噴槍靜止的傾角噴涂實驗，在涂料沉積范圍內測量離散點的涂層厚度，以噴涂傾 角和噴涂高度為變量的噴槍涂料沉積理論模型分別擬合一系列離散點的涂層厚度，獲得一 系列模型的修正系數值，運用二元函數擬合建立模型修正系數隨噴涂傾角和噴涂高度變化 的規律模型，以此規律模型修正上述理論模型，從而建立以噴涂傾角和噴涂高度為變量的 噴槍涂料沉積模型。
[0009] 作為優選的技術方案，所述步驟1)中初始噴槍涂料沉積模型的建模方法，具體包 括如下步驟：
[0010] (1)以圓形涂料覆蓋范圍的圓心為坐標原點建立直角坐標系，并過圓心作一系列 圓的直徑線，保證相鄰直徑線間所夾角度相等；在圓形涂料覆蓋范圍內作一系列同心圓，保 證這些同心圓將直徑線分割的線段均等，直徑線與同心圓的交點即為測量點；
[0011] (2)分別測出測量點對應的坐標及涂層厚度，記為qij，其中ij表示第i個同心圓 上的第j個測量點，設有N個同心圓，每個同心圓上有M個測量點，每個同心圓上取測量點 涂層厚度的平均值，記為
[0012] (3)設用于擬合的有限范圍模型為q(r)，r e [-Htan(0/2)，-Htan(0/2)]，其中 Θ表示噴槍噴炬扇形角的頂角，H表示噴涂高度，運用最小二乘法建立擬合優化函數：
[0013]
[0014] 求解獲得初始噴槍涂料沉積模型的相關參數，從而建立初始噴槍涂料沉積模型， 記為q! (r)。
[0015] 作為優選的技術方案，所述步驟2)中以噴涂傾角和噴涂高度為變量的噴槍涂料 沉積理論模型，其具體模型如下：
[0016]
[0017]
[0018] rs為過點S和噴嘴連線上一點到原點O的垂直距離；
[0019] λ為噴槍軸線與點S到原點O連線的夾角；
[0020] Hs為噴嘴到點S在噴槍軸線上投影點間的距離，H為噴槍靜止噴涂時的噴涂高度；
[0021] α表示噴槍軸線與平面法向之間的夾角，Α(Η，α )表示與噴涂高度和噴涂傾角相 關的模型修正函數。
[0022] 作為優選的技術方案，所述步驟3)中建立以噴涂高度和噴涂傾角為變量的噴槍 涂料沉積模型的具體方法如下：
[0023] (1)設噴涂傾角α范圍為[0, α_]，噴涂高度H范圍為[Hmin，Hmax]，在此范圍內分 別取不同的噴涂高度[H^H2、…、Hs]依次做不同噴涂傾角[αη α2、…、at]單位時間內 的噴涂實驗，并在涂料覆蓋范圍內測量離散點的涂層厚度，qiA表示在H i的噴涂高度下噴槍 傾角為％時涂料覆蓋范圍內第k個點的涂層厚度；
[0024] (2)基于建立的考慮噴涂傾角和噴涂高度為變量的噴槍涂料沉積理論模型，運用 最小二乘法對每次實驗后測得的離散點涂層厚度進行擬合，獲得擬合函數矩陣為：
[0025]
[0026] (3)通過求解上述擬合函數矩陣，獲得模型修正系數矩陣為：
[0027]
[0028] 其中Aij表示在Hi的噴涂高度下噴槍傾角為α」時噴槍涂料沉積模型的修正系數 值；
[0029] (4)以噴涂高度Hi和噴涂傾角a j為變量，A u為函數，運用二元函數曲面擬合的 方法對進行擬合，獲得修正系數模型A (Η, α )，從而建立以噴涂傾角和噴涂高度為變量的噴 槍涂料沉積模型。
[0030] 作為優選的技術方案，步驟1)中所述噴槍噴炬扇形角針對的是涂料空間分布為 圓錐形的噴槍；
[0031] 所述噴涂高度是指噴槍軸線到待噴涂工件表面的距離，所述噴涂高度范圍是指保 證涂料覆著效果的可調噴'涂尚度??圍；
[0032] 所述有限范圍模型是指假設噴槍噴炬扇形角以外的涂層厚度為0的數學函數表 達式。
[0033] 作為優選的技術方案，所述有限范圍模型為β分布模型、高斯和模型或分段函數 模型。
[0034] 本發明的優點是：本發明所建立的變量噴槍涂料沉積模型可廣發運用在復雜自由 曲面的噴涂機器人變量噴涂作業中，與傳統噴槍涂料沉積模型建模方法相比，當噴涂過程 中改變噴槍噴涂高度和噴涂傾角時，不需要反復多次做噴涂實驗建立噴槍涂料沉積模型， 運用本發明方法所建立的模型即可快速預測出不同噴槍參數下的噴槍涂料沉積模型，有效 提尚了噴'涂效率。
【附圖說明】
[0035] 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：
[0036] 圖1為變量噴槍涂料沉積模型的建模流程圖；
[0037] 圖2為垂直噴涂實驗噴涂區域測量點離散示意圖；
[0038] 圖3為噴槍噴涂空間模型示意圖；
[0039] 圖4為傾角噴涂實驗噴涂區域測量點離散示意圖；
【具體實施方式】
[0040] 下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0041] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0042] 一種變量噴槍涂料沉積模型建模方法，具體包括以下步驟：
[0043] 步驟1)在保證噴槍噴涂能獲得較好噴涂效果的前提下，測定噴槍噴炬扇形角和 噴涂高度范圍，運用有限范圍模型模擬噴槍涂料在平板上的沉積分布規律，以標準噴涂高 度在平板上做單位時間噴槍垂直靜止噴涂實驗，在圓形涂料覆蓋范圍內，沿徑向測量獲得 若干離散點的涂層厚度，擬合獲得標準噴涂高度下垂直噴涂時的初始噴槍涂料沉積模型；
[0044] 上述噴槍垂直靜止噴涂實驗具體方法如下：
[0045] (1)針對一類噴槍，測定噴槍能正常噴涂作業時的噴炬扇形角Θ和噴涂高度范圍
[Hmin，Hmax];
[0046] (2)確定模擬涂料在平面上分布規律的有限范圍模型，該有限范圍模型為β分布 模型、高斯和模型或分段函數模型等，這里以使用較為廣泛的β分布模型為例，其表達式 如下：
[0047]
[0048] (3)在平板上以標準噴涂高度做單位時間噴槍靜止噴涂實驗，通常以Is為時間單 位。
[0049] 所述噴槍噴炬扇形角針對的是涂料空間分布為圓錐形的噴槍；所述噴涂高度是指 噴槍軸線到待噴涂工件表面的距離，所述噴涂高度范圍是指保證涂料覆著效果的可調噴涂 高度范圍；所述有限范圍模型是指假設噴槍噴炬扇形角以外的涂層厚度為0的數學函數表 達式。
[0050] 上述初始噴槍涂料沉積模型的建模方法，具體包括如下步驟：
[0051] (1)噴涂實驗后，待涂料干燥后，以圓形涂料覆蓋范圍的圓心為坐標原點建立直角 坐標系，如圖2所示，并過圓心作一系列圓的直徑線，保證相鄰直徑線間所夾角度相等；在 圓形涂料覆蓋范圍內作一系列同心圓，保證這些同心圓將直徑線分割的線段均等，直徑線 與同心圓的交點即為測量點；
[0052] (2)分別測出測量