摘要
在高技术船舶制造行业中，喷涂机器人的广泛应用及相应的船舶制造的高度数字化、智能化被视为实现行业升级转型的关键所在，其中，针对大型船舶立面的喷涂机器人自动轨迹规划是一大技术难点。现有的自动轨迹规划方法主要是基于工件的网格模型或点云模型来生成机器人的喷涂轨迹，然而，船舶立面多为连续平滑曲面，其面积大，曲率复杂多变，使用网格模型对船舶立面进行表示不可避免地会带来精度损失，生成轨迹点的均匀性也无法得到保证，直接使用点云模型也面临着数据量过大无法处理、点云噪声干扰大等问题，因此如何提高曲面模型的表示精度并构建有效的自动喷涂轨迹规划方法成为亟待解决的问题。有鉴于此，本文引入了参数化曲面模型的表示方法，并围绕喷枪涂层累积建模、船舶立面参数化曲面重构、喷涂轨迹优化生成等多个方面展开了研究，构建了一套面向大型船舶立面的喷涂机器人自动轨迹规划系统，具体研究内容如下： 针对现有的喷枪涂层累积模型对喷涂工艺要求严格，对工况适用性不强，通用性差的问题，本文提出了一种新的基于CFD（计算流体力学）数值仿真的半机理喷枪涂层累积模型。首先基于实际的实验数据构建了高斯分布模型表示的涂层累积模型，并研究了喷涂高度对模型的影响；接着通过对喷涂过程进行CFD数值仿真，进一步研究了喷枪的雾化压力、扇形控制压力以及涂料流量对涂层累积模型的影响；在此基础上，本文构建了一种多工艺参数（喷涂高度、喷枪扇形控制压力等）联合作用下的半机理喷枪涂层累积模型，该模型结合了数据驱动与CFD数值仿真，能够表示不同工艺参数下的涂层厚度分布，且计算所得涂层厚度与实际实验数据误差不超过5%，具有广泛的适用性和良好的精度。 针对大型船舶立面多为连续平滑曲面，面积大，曲率多变，使用网格模型或点云模型表示船舶立面存在精度不足或数据量过大的问题，本文基于分而治之的思想提出了NURBS（非均匀有理B样条）参数化曲面表示的大型船舶立面分片和特征提取方法。首先根据船舶分段涂装的工艺需求对船舶立面进行预分片并对预分片后船舶立面进行NURBS曲面重构；在此基础上，根据NURBS曲面的高斯曲率和平均曲率对船舶立面进行二次分片，将船舶立面分为平面、类抛物面、类马鞍面等不同的子片；为了更方便地进行轨迹规划，对于分片后的船舶立面子片重新进行参数映射，重构其NURBS曲面并计算各子片的偏矢、法向量以及曲率等几何特征，为后续轨迹规划奠定了基础。 针对NURBS参数化曲面表示下的大型船舶立面的轨迹规划问题，本文提出了一套具有广泛适应性的曲面喷涂轨迹生成方法。首先根据喷枪涂层累积模型和船舶立面子片曲率实现了喷涂高度自适应的轨迹参数优化；在此基础上，面向不同特征的子片，提出了两种喷涂路径生成算法：针对NURBS曲面参数方向近似垂直的船舶立面子片使用基于NURBS曲面等长划分的路径生成算法，该算法直接对NURBS曲面的参数进行操作，计算量小，效率高；针对参数方向不是近似垂直的子片使用基于NURBS曲面与平面簇求交的路径生成算法，该算法通过求解NURBS曲面与隐式曲面的交线生成喷涂路径；最后，通过本文所提出的轨迹规划方法对不同形状的船舶子片设计喷涂质量评估实验，并与基于网格模型的轨迹生成算法对比，实验结果表明，虽然二者涂层覆盖率均能达到100%，但本文所提出方法所得到的涂层误差小于10%，涂层平均厚度与均匀性更优，验证了方法的有效性。
NETL