复杂曲面加工工业机器人轨迹生成算法

提出了一种面向复杂曲面加工的工业机器人轨迹生成算法。该算法可用在工业机器人离线编程系统中;通过CAD/CAM技术完成复杂曲面的建模,并提取其STL文件格式数据;根据三角面片各点坐标在切片方向上投影的最大和最小值反求与此三角面片相交的切平面,并对三角面片分组,然后推导出三角面片边上相邻交点的增量公式,最后通过机器人编程得到复杂曲面的加工运动轨迹。仿真结果表明,该算法稳定可靠,而且可以生成任意复杂曲面的加工运动轨迹。     

基于3+2轴加工平台激光熔覆的路径生成优化

针对自由曲面零件激光熔覆中路径生成的问题,基于3+2轴的加工平台,借鉴于数控加工中的曲面划分以及刀路生成的方法,通过转化和改善得到了一种生成激光熔覆路径的优化方法。在曲面重建的基础上,首先将自由曲面进行粗分,根据高斯曲率和平均曲率提取自由曲面的局部特征;然后利用两种模糊聚类法将曲面划分成不同的面片,求出其中心点和法向量;在得到的中心点的基础上使用Voronoi图,以确定面片之间的边界;最后在每个面片内生成各自的激光加工路径。利用软件对整个过程做了仿真分析验证,结果表明了这个研究为激光路径规划提供了一个有效的方法,能够在不动用5轴加工的情况下,得到较好的表面质量。     

三角Bézier曲面数控精加工刀轨快速生成算法

为了解决三角Bézier曲面精加工刀轨生成效率低以及存在的刀轨干涉等问题,提出一种基于三角Bézier曲面的数控精加工刀轨快速生成算法,该算法引入动态索引组织三角Bézier面片的拓扑近邻关系,基于该索引快速获取与刀轨截平面相交的三角Bézier面片集,对其中任一相交面片进行初始交点迭代计算,从初始交点开始跟踪迭代获取跨越三角Bézier面片的完整交线,将获得的有序交线各端点作为刀触点获取相应刀位点,依据刀触点处曲面法矢与刀杆矢量的关系快速确定可能存在干涉的区域,进而对干涉区域刀位点进行调整获取无干涉刀位点,顺次连接各刀位点生成数控加工刀轨,实例证明该算法可对任意复杂三角Bézier曲面精确、快速生成数控加工刀轨,并通过三角Bézier曲面模型的数控刀轨生成验证了该算法的实用性。     

面向直纹曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化

针对复杂曲面中直纹曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化问题,由实验数据得到平面上的喷枪2D模型,推导得出圆弧面上的喷枪3D模型;提出通过最小二乘圆弧逼近直纹曲面的思想,将直纹曲面分成若干圆弧面片的组合,直纹曲面上的喷涂轨迹优化问题可近似看作圆弧面来处理,并在每个圆弧面片上建立喷枪轨迹优化目标函数;讨论了两圆弧面片交界处的涂层厚度计算方法及喷枪轨迹优化问题。仿真实验验证了分片算法及数学模型的有效性,证明该喷枪轨迹优化方法与传统方法相比,可有效地提高曲率较大曲面的涂层均匀性,且在保证喷涂精度的前提下,有效地减少分片数。     

面向大曲率曲面的喷涂机器人喷枪轨迹规划研究

为提高机器人喷涂大曲率曲面的效果,首先基于曲面特性建立大曲率曲面数学表达模型,对其进行分片造型,并生成面片喷枪轨迹,最后建立优化目标函数实现轨迹优化;为了解决大曲率曲面分片后面片间的轨迹组合问题,降低算法中参数的使用,消除相应的除梯度信息,运用粒子群优化算法的思想,制定了算法程序技术路线,并依此编写了优化喷枪轨迹的算法程序。实验证明了该算法的高效性和适用性,达到了提高大曲率曲面喷涂效果的目的。     

基于多信息体素空间划分的高效自由曲面分层算法

随着多自由度增材制造技术的发展,直接基于曲面的分层处理和路径规划方法被广泛研究。针对目前曲面分层算法通用性不强、效率低下等问题,提出基于多信息体素空间划分的高效鲁棒的自由曲面分层算法。通过将三角面片表面体素化,快速筛选出相交三角面片,算法时间复杂度由传统算法的平方复杂度降低为线性复杂度,解决了以往曲面分层算法难以处理大尺寸复杂模型的问题。根据三角网格邻接边的拓扑连续性避免同一轮廓环交点在不同求交条件下的重复计算,解决交点重复求交过程因为浮点数计算误差导致的点扩散问题,获取正确曲面轮廓交线环。最后对交线环内部的曲面进行三角剖分,获取曲面内部信息,得到曲面分层结果。测试了不同模型的圆柱面、球面、自由曲面等类型的曲面分层处理以及算法运行时间,验证了本算法的高效性和正确性。在6轴KUKA机器人和2轴变位机组合装备上对螺旋桨模型进行加工试验,证明了本算法的实用性。     

面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪路径的规划

根据试验数据给出了涂层生长速率模型,将自由曲面通过拓扑关系生成若干个平面片,在每一片上进行喷枪速率及轨迹间距的优化,基于面片交界处喷枪轨迹为PA-PA时涂层厚度均匀性较好的原则,根据面片的边界几何特征对喷枪路径进行了规划,提出了用变偏距的方法优化Z型路径模式,该方法通过选择两轨迹间的偏距极值及始末轨迹的长度来确定每相邻轨迹间的偏角来达到变偏距的目的,给出了其中参数的计算方法和优化算法。最后通过实例验证了该算法对Z型路径模式的优化具有一定的可行性。     

复杂曲面CAD重构设计中的一种关键技术

分析了复杂曲面CAD重构设计中的基本流程,重点介绍了重构设计中涉及的几个关键技术。首先,介绍一种基于Bezier曲线曲面造型原理的复杂曲面重构方法。该方法用三角网格对将离散点云进行拓扑划分,将一个复杂的零件曲面划分为多个小曲面;然后采用轨迹线生成技术重构复杂曲面中的特征线,采用网格优化技术提高重构效率;最后,采用曲面光顺技术,使重构后的曲面达到应用需求。     

快速成型中粗糙STL模型细分算法

快速成型过程中STL模型精度直接影响成型零件的成型精度,当面对粗糙的STL模型并且没有原始模型进行重新生成或者生成精度不高时,以及逆向工程三维重建得到的STL模型精度不能满足要求时,需要对STL模型进行细分以提高其表面精度,进而提高成型零件精度。为此,提出一种新的STL模型面边点拓扑信息结构,解决了两三角形面片共享边空间插值两次带来的精度误差问题;在此基础上,应用Hermite空间插值方法近似表示三角形面片三边所对应的空间曲线段,之后依据设定的规律连接空间曲线段的中点,实现对粗糙STL模型三角形面片的细分。试验结果表明:细分算法适用于形面较为复杂以及大尺寸多三角面片的STL模型,其效率可达4~n(n是细分次数),可以快速提高给定STL三维网格模型的表面精度。     

漆膜制备机器人喷枪轨迹生成与优化研究综述

漆膜制备机器人喷枪轨迹生成与优化是保证漆膜质量的前提。介绍了适用于规则曲面和复杂自由曲面的涂料沉积模型,归纳了3种工件曲面造型方法,分析了喷涂轨迹的优化目标,总结了两种轨迹优化问题,并对漆膜制备机器人喷枪轨迹生成与优化的前景进行了展望。     

基于Z-map理论的喷枪轨迹生成方法

喷漆机器人作为一种先进的涂装生产设备已广泛应用于产品内外表面的喷涂,由于现代工业产品外形相当复杂,如何实现涂层均匀化变得极为重要。基于Z-map理论,在自由曲面CAD模型的基础上,将自由曲面三角网格化得到多面体模型,然后利用Z-map方法实现了等距喷涂情况下喷涂节点的坐标及其法向量的提取,将喷涂节点插补优化后连接为喷枪的喷涂轨迹,从而实现了自动生成自由曲面上喷枪轨迹。最后,以一汽车CAD模型为例生成了机器人喷涂轨迹。     

基于力觉伺服轨迹规划的磨抛工业机器人曲面跟踪控制研究

为进一步提升工业机器人磨抛自由曲面时的轨迹跟踪控制技术,设计一种自由曲面磨抛轨迹自动生成方法。生成工件的STL模型,利用Bezier三角曲面拟合方法得到工件的拟合曲面,基于螺旋式磨抛轨迹实现自由曲面轨迹规划;利用等参数法和轨迹偏置的方法生成全部的轨迹,根据曲线路径曲率的变化,自适应调节控制点的间距,避免了曲线偏置时的干涉问题;在工业机器人腕处安装6D力传感器,利用力/位置混合控制方法对工业机器人进行运动轨迹跟踪控制。通过实验平台测试,验证该方法能够有效地进行曲面跟踪控制。     

基于CGAL的点云三角面片重构

点云的三角面片重构是曲面重构的基础,通过三角面片重构可得到离散点的邻接关系,这些邻接关系为曲面拟合提供必要的信息.介绍了一个功能强大的计算几何库CGAL,并利用它完成对面模型的点云三角面片重构和体模型的点云三角面片重构.     

复杂产品装配干涉矩阵自动生成方法

现有装配干涉矩阵生成方法极其耗时,且无法精确检测面片模型,难以应用于大装配模型的复杂产品。为此,引入基于投影的干涉检测方法,将三维求交问题转换为二维问题。其中,基于包围盒十字相交可直接检测出零件平移产生的硬干涉,扩展了包围盒的功能;利用层次化的虚设面进行模型的三角面片区域规划和相交运算,大幅度减少干涉检测中的三角面片求交次数,显著降低算法时耗;进行基于表示精度的二维三角面片求交,消除检测对象在曲面贴合处的伪干涉,并基于三角面片包围盒等判断干涉的正负方向。在此基础上,提出全面的装配干涉矩阵生成算法。开发Aero Assem装配设计系统,实现了该方法,并以某汽车前轴模型为例进行了应用验证,证明该方法在保证精确性的同时极大地提高了算法效率,能够有效应用于复杂产品的装配设计中。     

一种自动的非封闭曲面三维重建方法

为了精确实现非封闭曲面的三维重建,提出一种基于曲面三角面片周长的阈值分割方法,首先计算泊松算法生成曲面的三角面片周长选取采样点,然后通过比较样本点与原始输入点之间的欧氏距离自动计算阈值对生成曲面进行分割.实验结果表明,该算法能准确有效地去除伪封闭曲面而不影响原生成曲面的精度,且算法复杂度低、时间效率高、鲁棒性强.     

机器人产品加工目标路径优化设计研究

针对在线示教产生的工具路径不能满足复杂目标路径要求这一问题,研究了基于STL模型切片算法生成机器人工具路径的优化设计问题。通过SolidWork建模软件生成加工表面的STL文件;然后生成每个切片层的三角面片分组数组;推导出分组数组中的三角面片与切平面的交点组坐标以及走向;最后利用平衡二叉树寻找每个切片层中各个有向交点组连接关系,得到满足连续的交点组集合。使用Python2.7在Anaconda2环境中进行仿真,仿真结果表明:该优化设计可以生成满足复杂目标路径精度要求的机器人工具路径。     

复杂曲面零件激光随形熔覆轨迹规划研究

为实现复杂曲面的随形熔覆，针对PDC钻头牙翼部位表面形貌进行了机器人熔覆路径的工艺规划，同时对插补点的位置规划算法进行了研究。通过一组平行截面与曲面相交得到交线，采用非均匀有理B样条(NURBS)描述交线。然后提取交线的特征参数，以离焦量的最大值作为误差阈值进行插补点规划，为实现激光束轴线与插补点所在的曲面法矢尽可能重合，对插补点进行姿态规划，从而得到完整的熔覆路径。最后采用Robotstudio仿真软件建立激光熔覆工作站，并对熔覆路径进行仿真，结果表明熔覆仿真过程中，未出现奇异点，机器人各关节、熔覆头与待熔覆工件之间未发生碰撞，并且能够按照事先规划好的路径进行熔覆，试验表明达到了较好的熔覆效果。     

一种复杂曲面类增材制造零件分层截面生成算法

针对传统增材制造分层方法对复杂曲面类零件STL模型分层易造成部分层面轮廓线失真的问题,提出一种基于NURBS曲线的复杂曲面类零件分层截面轮廓生成算法。针对STL模型数据量大和分层速度慢的特点,采用了分组排序的求交算法进行分层,生成截面轮廓点云数据。以切平面与STL模型三角面片的交点作为NURBS曲线的型值点,设定型值点的权值,利用矩阵形式和切失边界条件确定了NURBS曲线的权因子,求解NURBS曲线的控制顶点,采用矩阵形式建立了各切片层的截面轮廓所对应的NURBS曲线方程,绘制了基于NURBS曲线的各层层面轮廓。采用基于NURBS曲线的复杂曲面类零件分层截面生成算法对燃气轮机中压缸动叶片和Ganesha模型进行了分层试验仿真和误差分析。进行了燃气轮机中压缸动叶片的打印试验,通过测量表明:采用本算法打印叶片的轮廓度偏差值符合要求,相比传统算法打印的叶片精度更高,从而验证了所提出的基于NURBS曲线的复杂曲面类零件分层截面生成算法的可行性和准确性。     

基于拓扑约束释放与重构的变结构设计技术研究

针对拓扑约束型模型难以进行变结构处理的问题，提出了一种约束释放、形状变形、拓扑重构的变结构设计方法。对三维实体进行面片分解以形成面片族，结合增减关键点的策略，以使每一曲面点集的局部拓扑关系确定化，只记录实体点集的数据而释放其拓扑连接关系。通过对约束释放的拓扑自由面片进行细分操作，并运用工具对其进行编辑，实现了变结构处理。对编辑完成的面片进行优化和拓扑重构操作，完成变结构的过程。最后给出了应用实例。     

三轴与五轴数控渐进复合成形轨迹规划

综合考虑挤压工具对待成形件曲面的可接近性和数控渐进成形效率,提出了三轴与五轴数控渐进复合成形策略及其成形轨迹规划方法。通过识别待成形件STL模型的三角面片各边的凸凹性,以三轴数控渐进成形挤压工具对模型各曲面的可接近性,将模型曲面划分出三轴数控渐进成形与五轴数控渐进成形加工的区域,进而对成形轨迹进行分区规划并在相应的曲面分区内分别生成出三轴数控渐进成形和五轴数控渐进成形加工轨迹。算法应用实例表明,该方法能够实现三轴与五轴数控渐进复合成形所需曲面分区及其成形轨迹规划与生成。