一种工业机器人加转台的喷涂路径规划方法及系统

技术领域

本发明属于机器人喷涂路径生成技术领域，更具体地，涉及一种工业机器人加转台的喷涂路径规划方法及系统。

背景技术

目前，随着科学技术发展日新月异，复杂曲面零件在航空航天、汽车、船舶等领域的应用日益广泛。由于航空发动机工作环境处于高温状态，往往需要在零件表面进行等离子喷涂覆盖热障涂层增强其表面强度，延长服役寿命。等离子喷涂工序的加工质量对于保证零件的成品率和服役性能，具有重要意义。此类零件存在曲面复杂、间距小等结构特点，目前多采用工业机器人装夹等离子喷涂工具配合一自由度转台的方式进行喷涂。目前多采用人工示教的方法生成路径，由于等离子喷涂的特性，需尽量保证焰流轴线与喷涂表面垂直，而示教生成的路径在调整干涉时不能最优考虑焰流夹角，且喷涂过程中存在末端旋转的冗余角和转台旋转的冗余角度，对此进行优化可以有效提高机器人运动效率，减少速度波动现象。因此研究机器人喷涂过程中的位姿优化以及冗余角优化很有必要。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)人工示教的方法无法精确保证机器人喷涂焰流与喷涂表面的角度关系。

(2)人工示教的方法未考虑机器人喷涂过程中的机器人冗余自由度以及转台冗余自由度，其可以提高机器人喷涂效率和平稳度。

(3)人工示教的方法适用于转台分动的场景，转台联动可以减少换向时间，提高喷涂效率。

解决以上问题及缺陷的难点在于：

人工示教的方法无法从理论上保证喷涂效果，需要通过严格的理论推导，而其中涉及到的机器人运动学算法、冗余角规划算法要结合实际标定的工具数据、转台数据进行联合优化，计算难度大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种工业机器人加转台的喷涂路径规划方法及系统，其目的在于，提高机器人等离子喷涂时，机器人运动的平稳性，获得更好的涂层质量，提高喷涂效率。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种工业机器人加转台的喷涂路径规划方法，包括如下步骤：

S1、根据复杂曲面零件模型，获取曲面参数，进而确定初始喷涂路径和初始喷涂姿态；

S2、根据待喷涂的曲面，确定可能发生干涉的其他曲面，从而对初始喷涂姿态进行调整，获得无干涉的喷涂姿态；

S3、基于无干涉的喷涂姿态构建机器人工具坐标系和喷涂工件坐标系的转换关系，进而得到机器人喷涂冗余角与转台旋转冗余角的关联关系；

S4、构建优化模型，具体以机器人喷涂关节效率为优化目标，以机器人喷涂冗余角、转台旋转冗余角为优化变量，考虑机器人喷涂可达性；进而基于所述关联关系，对优化模型进行求解得到机器人喷涂路径以及转台旋转冗余角。

作为进一步优选的，步骤S2中，无干涉的喷涂姿态

其中，

采用OPCODE干涉检测算法检测干涉情况，通过迭代调整α,β得到无干涉的喷涂姿态。

作为进一步优选的，步骤S3具体包括：

标定外置转台旋转中心和转台旋转0度时的喷涂工件坐标系；进而得到转台旋转冗余角θ与喷涂工件坐标系的关系为：

T

其中，T

标定机器人工具坐标系，结合机器人运动学，有：

其中，γ为机器人喷涂冗余角，

从而得到机器人工具坐标系和喷涂工件坐标系的转换关系，同时基于喷涂工件坐标系，建立机器人喷涂冗余角θ和转台旋转冗余角γ的关联关系。

作为进一步优选的，利用双四点标定法标定机器人工具坐标系。

作为进一步优选的，步骤S4中，优化模型具体为：

其中，Φ

作为进一步优选的，步骤S4中，基于机器人喷涂冗余角θ和转台旋转冗余角γ的关联关系，采用差分进化算法对优化模型进行求解，得到机器人喷涂路径以及转台旋转冗余角。

作为进一步优选的，步骤S1中，以等弧长方法确定初始喷涂路径，然后以路径点的法线方向为初始喷涂姿态。

按照本发明的第二方面，提供了一种工业机器人加转台的喷涂路径规划系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述工业机器人加转台的喷涂路径规划方法。

按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述工业机器人加转台的喷涂路径规划方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明根据复杂曲面零件结构特点及喷涂工艺，结合机器人加外置转台作为变位机进行联动的工作环境，通过姿态调整避免喷涂时的干涉现象，进而通过优化机器人末端冗余角以及转台冗余角来实现机器人喷涂的高效稳定，从而获得更好的涂层质量。

2.本发明基于机器人喷涂冗余角和转台旋转冗余角的关联关系，对构建的优化模型进行求解，得到喷涂路径和冗余角最优解，同时通过约束条件的设置防止转台与末端变化过快导致喷涂速度波动。

附图说明

图1为本发明实施例工业机器人加转台的喷涂路径规划方法流程图；

图2是本发明实施例机器人加转台进行等离子喷涂时的设备示意图；

图3中(a)、(b)是本发明实施例末端进行双四点标定使用的顶尖示意图；

图4中(a)、(b)是本发明实施例复杂曲面零件示意图以及路径示意图；

图5中(a)、(b)是本发明实施例喷涂转台冗余自由度和喷涂工具末端冗余自由度示意图；

图6是本发明实施例在机器人变位机联动与单机器人运行下的速度示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-机器人本体，2-喷涂工具，3-复杂曲面零件，4-外置转台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种工业机器人加转台的喷涂路径规划方法，其涉及的喷涂设备包括机器人本体1、喷涂工具2、复杂曲面零件3、外置转台4，如图2所示，喷涂工具2通过专用夹具夹持固定在机器人本体1末端，复杂曲面零件3与外置转台4通过专用夹具进行螺栓连接。同时建立如图2所示机器人喷涂的坐标系，其中基坐标系为{base}，机器人工具坐标系(即喷涂末端坐标系)为{tcp}，喷涂工件坐标系为{wcs}，外置转台旋转中心{turntable}。

具体的，喷涂路径生成方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、根据复杂曲面零件的CAD模型，如图4所示，借助UG二次开发平台获取曲面参数，以等弧长方法确定初始喷涂路径，以路径点的法线方向为初始喷涂姿态；

S2、根据待喷涂的曲面，选择可能发生干涉的其他曲面，利用干涉模块检测干涉并进行姿态调整，并考虑喷涂角度约束，获得无干涉的喷涂姿态；

S3、根据喷涂工作空间标定机器人工具坐标系、转台旋转中心以及转台在初始角度(0度)下喷涂工件坐标系位置，建立机器人喷涂工作站运动学转换关系，标定喷涂工件坐标系，从而确定两个冗余角之间的关联关系；

S4、根据已标定喷涂坐标系，以机器人喷涂关节效率为优化目标，以机器人喷涂冗余角、转台旋转冗余角为优化变量，考虑机器人喷涂可达性，构建优化模型；采用优化方法求解得到优化后的机器人喷涂路径以及转台旋转角度。

进一步的，步骤S1中，以等弧长法确定机器人喷涂初始路径，以路径点的法线方向为初始喷涂姿态，具体包括：

等离子喷涂的位姿信息以喷涂点处曲面的法向量为Z轴，切向量为X轴，以右手螺旋法则建立局部路径点坐标系，转化为ZYX欧拉角表示，则有：

其中，

进一步，步骤S2中，获得无干涉的喷涂姿态具体包括：

根据步骤S1中的

初始姿态下，喷涂轴线由于为理论值，故喷涂轴线严格与喷涂曲面保持垂直姿态。由于零件复杂性，会发生喷涂工具与零件的干涉现象，调整初始姿态进行干涉避免，具体方法为末端执行器初始姿态

使用UG自带的干涉检查模块或者调用其他干涉检查算法即可判断是否干涉，不断迭代α,β调整即可得到无干涉的喷涂姿态且能控制喷涂角度。优选的，采用OPCODE干涉检测算法进行检测。

进一步的，步骤S3具体包括：

利用双四点标定法标定机器人工具坐标系{tcp}。由于等离子喷涂工艺，喷涂末端为离子焰流，无实际喷涂末端尖点，且喷涂范围为110-150mm，无确认尖点，故本发明采用两次尖点标定末端以标定喷涂末端方向。将不同长度(l

标定外置转台旋转中心{turntable}和转台在0度下的喷涂工件坐标系{wcs

T

其中，T

结合机器人运动学，得到机器人喷涂的闭运动链为：

其中存在转台旋转角度θ以及末端旋转角γ为冗余角，故式(6)可以改为：

其中，

则结合式(5)和(7)，可以得到机器人喷涂冗余角与转台旋转冗余角的关联关系。

进一步的，步骤S4中，以机器人喷涂关节效率为优化目标，本实施例以6自由度机器人为例进行说明。由于喷涂执行的为五维任务，而机器人加联动变位机有7个自由度，存在两个冗余自由度，所以以机器人喷涂冗余角γ、转台旋转冗余角θ为优化变量，如图5所示，考虑机器人喷涂可达性，得到优化后的机器人喷涂路径以及转台旋转角度，具体为：

首先建立基于机器人喷涂运动光顺的优化模型。机器人运动的平滑性和运动效率可以由机器人关节[J

其中，w

最终得出优化模型为：

其中，Φ

f

如图6所示，为优化后在机器人变位机联动与单机器人运行下的速度示意图，可注意到变位机联动下的机器人运行速度更加稳定，且效率更高。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。