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直纹曲面喷漆机器人喷枪轨迹多目标优化

更新时间：2019-12-26 20:15:15 大小：1M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：喷漆机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对直纹曲面上喷漆机器人的喷枪轨迹多目标优化问题,通过平面喷漆实验,采集各点膜厚数据,运用MATLAB遗传算法工具箱拟合β分布,建立直纹曲面漆膜厚度生长模型.将曲面离散为点集,采用三次B样条曲线拟合生成初始喷枪轨迹.以曲面上各点漆膜厚度均匀和喷涂效率高为目标建立喷枪轨迹多目标优化模型,并采用改进的快速非支配排序遗传算法对该模型求解,获得喷枪轨迹最优解集,最终实现了直纹曲面喷枪轨迹的优化目标.通过实例结果对比验证了该方法的有效性和实用性.


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直纹曲面喷漆机器人喷枪轨迹多目标优化.pdf 1M

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（ ）  
同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版  
第
卷第  
期
４６  
３
Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．３  
ꢀ
（
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ  
ꢀ
）
年
月
２０１８  
３
Ｍａｒ．２０１８  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
：
（ ）  
０２５３３７４Ｘ２０１８０３０３５９０９  
－
：
ＤＯＩ１０．１１９０８ ．ｉｓｓｎ．０２５３３７４ｘ．２０１８．０３．０１２  
－
／
文章编号  
－
－
ꢀ
ｊ
直纹曲面喷漆机器人喷枪轨迹多目标优化  
，
１２  
１
１
１
， ， ，  
马淑梅 谢 涛 李爱平 杨连生  
ꢀ
（ ，  
同济大学 机械与能源工程学院 上海  
１．  
； ，  
上海外高桥造船有限公司 上海  
２０１８０４ ２．  
）
２００１３７  
：
摘要 针对直纹曲面上喷漆机器人的喷枪轨迹多目标优化问  
ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ｃｏｍ ａｒｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｐ
ｙ
ꢀ
， ， ，  
题 通过平面喷漆 实 验 采 集 各 点 膜 厚 数 据 运 用  
ＭＡＴＬＡＢ  
ｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔ ｏｆｔｈｅ ｒｏｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ．  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ ｙ ｐ ｐ  
ꢀ
，
遗传算法工具箱拟合 分布 建立直纹曲面漆膜厚度生长模  
β
： ；  
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｍｕｌｔｉｏｂｅｃｔｉｖｅ ｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｉｎｔｉｎ ｒｏｂｏｔ  
ꢀ
ｐ
；
－
ｙ
ꢀ
ｊ
ｐ
ｇ
ꢀ
，
型 将曲面离散为点集 采用三次 样条曲线拟合生成初始  
． Ｂ  
；
ｒｕｌｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｆａｓｔ ａｎｄ ｅｌｉｔｉｓｔ ｎｏｎｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｒｔｉｎ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
ꢀ
ｇ
喷枪轨迹 以曲面上各点漆膜厚度均匀和喷涂效率高为目标  
．
ｅｎｅｔｉｃａｌｏｒｉｔｈｍ  
ꢀ
ｇ ｇ  
，
建立喷枪轨迹多目标优化模型 并采用改进的快速非支配排  
， ，  
序遗传算法对该模型求解 获得喷枪 轨 迹 最 优 解 集 最 终 实  
现了直纹曲面喷枪轨迹的优化目标 通过实例结果对比验证  
．
、 、  
机器人喷涂已广泛应用于汽车 船舶 航空航天  
ꢀꢀ  
了该方法的有效性和实用性  
．
， “ ”  
等领域 但传统的 人工示教法 不仅费时而且需依  
： ； ； ；  
关键词 多目标优化 喷漆机器人 直纹曲面 快速非支配  
， ，  
赖操作者的经验 无法规划出最佳喷涂轨迹 也无法  
排序遗传算法  
，
获得最佳喷涂效果 目前 离线编程已成为喷漆机器  
．
：
：
Ａ
中图分类号  
文献标志码  
ＴＰ２４２．２  
ꢀ
［］  
１
人最常用的编程方式  
工件的喷涂质量与喷枪的  
．
， ，  
轨迹有关 因此 喷枪轨迹优化已成为国内外喷涂机  
ＭｕｌｔｉＯｂｅｃｔｉｖｅ Ｔｒａｅｃｔｏｒ Ｏ ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ  
－ ꢀ ꢀ  
ｙ
ｊ
ｊ
ｐ
ꢀ
［］  
２
器人离线编程研究的热点  
．
Ｓ ｒａ Ｐａｉｎｔｉｎ ＲｏｂｏｔｆｏｒＲｕｌｅｄＳｕｒｆａｃｅｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ꢀ
ｐ ｙ  
ꢀ
，
近年来 国内外学者针对喷漆机器人喷枪轨迹  
，
１２  
１
１
１
，
，
，
ＹＡＮＧＬｉａｎｓｈｅｎ  
ｐ ｇ  
ＭＡＳｈｕｍｅｉ ＸｉｅＴａｏ ＬＩＡｉｉｎ  
，
优化问 题 进 行 了 大 量 研 究 并 取 得 了 一 定 成 果  
．
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
［］  
３
（
，
，
１．ＣｏｌｌｅｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎ Ｔｏｎ ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｓｈａｎｈａｉ  
ꢀ ｇ  
ｇꢀ ꢀ ｇｊꢀ ｙ  
ｇ
ｇ
等
提出一种新 的增 量 式 喷 枪 轨 迹 规 划  
Ａｎｄｕｌｋａｒ  
，
；
，
２０１８０４ Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｈａｎｈａｉ Ｗａｉａｏｉａｏ Ｓｈｉｂｕｉｌｄｉｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．  
ｇ ｑ  
ｇ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ｇ
ꢀ
，
方法 以膜厚均匀为目标优化喷枪速度和轨迹叠加  
，
Ｓｈａｎｈａｉ２０１８０４ Ｃｈｉｎａ  
ꢀ
）
ｇ
， ，  
间距 但未考虑曲面曲率变化 曲率变化大时恒定的  
［］  
４
：
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉｏｂｅｃｔｉｖｅ ｔｏｏｌ  
ꢀ
喷枪速度会导致膜厚均匀性较差  
等
分析轨迹  
．Ｙｕ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
－
ꢀ
ｊ
ｔｒａｅｃｔｏｒ ｏｆ ａｉｎｔｉｎ ｒｏｂｏｔｆｏｒｒｕｌｅｄｓｕｒｆａｃｅｔｈｅｆｉｔｔｉｎ ｆｉｌｍ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｐ
，
叠加间距对漆膜厚度的影响 提出一种考虑曲面曲  
ｊ
ｙ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌａｎａｒ ａｉｎｔｉｎ  
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｐ
率变化的轨迹叠加间距优化方法 但该方法优化过  
．
ｅｘｅｒｉｍｅｎｔ． Ｂ ｕｓｉｎ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｅｎｅｔｉｃ ａｌｏｒｉｔｈｍ  
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ｙ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｇ
［］  
５
， ，  
程复杂 计算量大 不便于实际应用  
等
提出  
．Ｗａｎ  
ｇ
，
ｔｏｏｌｂｏｘ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｉｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
β
，
一种新的点云切片轨迹生成方法 改善了边界喷涂  
ｒｏｗｔｈｍｏｄｅｌｆｏｒｒｕｌｅｄｓｕｒｆａｃｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
ｇ
， ，  
膜厚不均匀的情况 但未优化喷枪速度 膜厚均匀性  
ｌａｎａｒ ａｉｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ｐ
［］  
６
仍然有待改善 缪东晶等 利用数控加工与喷涂过  
．
，
ｄｉｓｃｒｅｔｉｚｅｄｉｎｔｏａｓｅｔｏｆ ｏｉｎｔｓ ａｎｄｔｈｅｔｏｏｌ ａｔｈｗａｓｆｉｔｔｅｄｂ  
ꢀꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｙ
ｐ
ｔｈｅｃｕｂｉｃＢｓｌｉｎｅｃｕｒｖｅ．Ａｍｕｌｔｉｏｂｅｃｔｉｖｅｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ  
ꢀꢀ ꢀ ꢀ － ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｐ
ｊ
ｐ
，
程的相似性 提出一种将数控加工刀具轨迹转化为  
ｗａｓｂｕｉｌｔａｉｍｅｄｔｏ ｅｔｕｎｉｆｏｒｍ ａｉｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎ ｃｕｒｖｅｄ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ｐ
，
喷涂轨迹的轨迹生成办法 并优化沿喷枪运动方向  
上的速度 但该方法未优化喷涂高度和叠加间距 曾  
，
ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｈｉｈ ａｉｎｔｉｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ａｎｄａｎｉｍ ｒｏｖｅｄｆａｓｔａｎｄ  
ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ ｐ  
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ｙ
ｐ
．
．
（
）
ｅｌｉｔｉｓｔｎｏｎｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｒｔｉｎ ｅｎｅｔｉｃａｌｏｒｉｔｈｍ ＮＳＧＡ  
Ⅱ
ꢀ
－
ꢀ
ꢀ
ｇｇ  
ꢀ
ｇ
［］  
７
，
勇等 研究大曲率直纹曲面 将曲面分片并用圆弧  
ｗａｓ ａ ｌｉｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ． Ａ ｓｅｒｉａｌ ｏｆ ｔｒａｅｃｔｏｒ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐｐ  
ｊ
，
面进行最小二乘拟合 研究各圆弧面和分片交界处  
，
ｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅ ｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌ ｔｈｅｔｒａｅｃｔｏｒ  
ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｊ
ｐ
ｙ
轨迹优化问题 该方法膜厚均匀性取决于圆弧面拟  
．
ｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｕｒｏｓｅｏｎｒｕｌｅｄｓｕｒｆａｃｅｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｃａｓｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ｐ ｐ  
：
收稿日期  
２０１７ ０５ ２４  
ꢀ ꢀ  
：
（
）；  
上海市科学技术委员会资助项目  
（
）
基金项目 上海市经济和信息化委员会资助项目  
—）， ， ， ， ， 、  
女 副教授 硕士生导师 工学博士 主要研究方向为数字化设计与制造 逆向工程技术和快速原型制造技术  
．
沪
ＣＸＹ２０１３２５  
１４１１１１０４４００  
－
－
：
（
１９６７  
第一作者 马淑梅  
：
Ｅ ｍａｉｌｍａｓｈｕｍｅｉ ｔｏｎ ｉ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ｇｊ  
－
＠
：
谢
（
１９９３  
—）， ， ，  
男 硕士生 主要研究方向为数字化制造技术  
．Ｅ ｍａｉｌ１５３０８５５ ｔｏｎ ｉ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ｇｊ  
：
通讯作者  
涛
ꢀ
－
＠
（
同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版  
）
第
卷
４６  
ꢀ
ꢀꢀꢀ  
３６０  
［］  
８
，
合精度 拟合误差大时将影响膜厚分布 李发忠等  
．
曲面喷枪轨迹多目标优化过程如图 所示  
２ ．  
，
研究凹凸结构的复杂曲面并优化喷枪轨迹 与匀速  
，
喷涂相比提高了膜厚的均匀性 但优化后的膜厚仍  
［
］
９１０  
－
不均匀  
等
提出一种自动喷枪轨迹规划方  
．Ｃｈｅｎ  
，
法 在获得喷涂工件  
、 、  
模型 喷枪模型 喷涂约束  
ＣＡＤ  
，
条件和优化目标的基础上 将工件  
，
模型分片  
ＣＡＤ  
规划各片轨迹并将其连接获得最终喷枪轨迹 仿真  
．
，
表明在曲率较小曲面上喷涂效果较好 但当曲面较  
，
复杂时 该方法分片数量太多将加大轨迹规划难度  
．
，
综上所述 本文针对直纹曲面的喷枪轨迹多目  
， ，  
标优化问题 以机器人平面喷漆实验数据为基础 建  
立直纹曲面漆膜厚度生长模型 将曲面以一定精度  
．
，
离散为点集 在喷涂方向上用三次 样条曲线拟合  
Ｂ
， 、 、  
出初始喷枪轨迹 综合考虑喷枪速度 喷涂高度 轨  
，
迹叠加间距等因素 以喷涂质量和喷涂效率为目标  
，
建立喷枪轨迹优化模型 运用改进的快速非支配排  
图
直纹曲面喷枪轨迹多目标优化过程  
２
ꢀ
（
序 遗 传 算 法  
ｎｏｎｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｒｔｉｎ  
－ ꢀ  
ｅｎｅｔｉｃ  
ｇ ｇ  
ꢀ
Ｆｉ ．２ Ｍｕｌｔｉｏｂｅｃｔｉｖｅｔｒａｅｃｔｏｒ ｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｏｃｅｓｓ  
ꢀ － ꢀ ꢀ  
ｇ ｊ ｊ ｙ ｐ ｐ  
ꢀ
，
ａｌｏｒｉｔｈｍ ＮＳＧＡ  
ｇ
）
算法对模型进行优化求解 获  
Ⅱ
，
ｏｆｒｕｌｅｄｓｕｒｆａｃｅｓ  
ꢀ ꢀ  
得可行的喷枪轨迹优化方案  
．
直纹曲面喷枪轨迹多目标优化模型  
２
ꢀ
问题描述  
１
ꢀ
漆膜厚度分布模型的建立  
２．１  
ꢀ
， ：  
以直纹曲面为研究对象 直纹曲面的定义为 一  
平面漆膜厚度 分布模型的建立  
β
２．１．１  
ꢀ
［
］
１１  
，
条直线在空间中运动所产生的曲面  
如图 所示  
１ ．  
，
平面喷涂如图 所示 其中 为喷涂高度 为  
ｗ
３
．
ｈ
，
喷枪的轨迹与工件表面形状有关 在喷涂过程中喷  
，
喷涂区域宽度 为喷枪喷嘴张角的一半  
θ
．
， 、  
枪轴 线始 终 垂直 于工 件表 面 喷枪 以一定方向 高  
、 、 ，  
度 速度 轨迹叠加间距运动 直到完成喷涂 本文讨  
．
，
论的问题建立在直纹曲面模型已知的情况下 建立  
， ，  
曲面漆膜厚度分布模型 规划初始喷枪轨迹 通过优  
、 、  
化与轨迹相关的喷枪速度 喷涂高度 轨迹叠加间距  
，
等参数获得优化的喷枪轨迹 以达到喷涂质量好和  
，
喷涂效率高的目标 从而获得多种符合实际喷涂要  
，
求的喷枪轨迹最优解集 供喷涂工艺人员参考 直纹  
．
图
平面喷涂示意图  
３
ꢀ
Ｆｉ ．３ Ｐａｉｎｔｉｎ ｏｎｔｈｅ ｌａｎｅ  
ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ｇ
ｇ
ꢀ
、
常见的漆膜厚度分布模型有椭圆形分布模型  
ꢀꢀ  
［ ］  
１２  
，
等 其中 分布模  
β
抛物线分布模型和 分布模型  
β
［ ］  
１３  
型的一般表达式为  
２
ｗ ｗ  
，
４ｘ  
１
－
β
） ，  
（ ）  
Ｔ ｘ  
＝
１
（
Ｔ １  
１ｍａｘ  
（）  
１
ｘ
－
－
∈
２
［
］
２ ２  
ｗ
： （ ）  
为喷涂范围内任意一点膜厚  
Ｔ ｘ  
１
；
为膜  
Ｔ
１ｍａｘ  
式中  
图
直纹曲面示例  
１
ꢀ
；
ｗ
厚最大值  
为喷涂区域宽度 参数的存在使  
．
β
分
Ｆｉ ．１ Ｅｘａｍ ｌｅｏｆｒｕｌｅｄｓｕｒｆａｃｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ ｐ  
β

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