基于MATLAB施釉机器人喷枪喷涂仿真及实验研究

牛 壮，霍 平

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

为了不断适应社会需求和满足新的施釉喷涂作业标准，实现喷涂的高效率和低成本的生产目标，越来越多的研究工作者开始将目光汇聚到喷涂机器人喷枪参数的优化仿真方面[1-2]。本文对施釉机器人喷枪在喷枪参数确定的情况下进行喷涂仿真和实验研究，通过实验对仿真结果进行验证。

1 施釉机器人喷枪参数仿真及实验研究的方案设计

本研究主要是探究喷枪参数对喷涂质量的影响，只在喷枪垂直于喷涂平面的情况下进行研究分析。施釉机器人喷枪参数优化仿真及实验研究主要包括5个方面，如图1所示。

图1 方案设计流程图

2 喷枪数学模型的建立

2.1 喷涂质量影响因素分析

釉料涂层厚度的形成过程是一个较为复杂的物理过程，因此影响釉料涂层厚度的因素多种多样。总体来说影响釉料涂层厚度的因素可以分为4类[3]，如表1所示。

第一类和第二类影响因素分别是喷涂装置加工制造和外部环境，对于实际的施釉来说这两部分是不易控制的，因此其对于喷涂质量的影响可以不进行分析。第三类和第四类影响因素对于涂层釉面质量影响较大的主要有雾化压力、喷幅压力、喷涂压力、喷涂张角、喷枪的移动速度和喷涂距离，这些参数在具体的实验中可以通过仪器和仪表进行控制和观察，因此在喷涂实验过程中可以通过控制这6个参数进行稳定的喷涂实验。

2.2 喷枪数学模型的理论分析和求解

在平面上进行喷涂仿真时，喷枪的数学模型根据涂层的釉料分布情况主要有抛物线分布模型、β分布模型和椭圆双β分布模型[4]。

表1 影响喷枪喷涂厚度的因素

按照实验要求并与工厂实际施釉情况相结合，搭建施釉机器人喷枪参数仿真及实验研究的实验平台。该实验平台主要由三坐标机器人、喷枪及管路与仪器仪表等组成，如图2所示。

图2 喷涂实验平台结构框图

实验平台搭建完毕后进行定点喷涂，根据喷涂涂层的形状分布和厚度分布情况可知，该实验平台的喷枪喷涂模型符合双β分布模型。涂层区域内任意一点单位时间内的涂层厚度计算公式为：

(1)

为了方便计算将式(1)中的参数βx-1和βy-1，用参数β1和β2代替，则双β分布的数学模型变为：

(2)

要想确定具体的喷枪模型需要求解β1和β2分布指数，这就需要通过对点喷涂的区域测量其长、短半轴的长度。表2为椭圆形涂层的长、短半轴长度测量信息。

表2 椭圆形涂层长、短半轴测量结果 mm

由表2可知：5次测量结果取平均值后得到喷涂的椭圆形区域长、短半轴的长度分别为259 mm和125.6 mm。通过利用三坐标测量仪对喷涂涂层几个特殊的点进行厚度测量得到的数据，以及测量涂层得到的长短半轴的值可以求解出分布指数为β1=2.995、β2=2.103，因此喷枪的基础数学模型得到了确立。

3 喷涂实验及仿真实验对比分析

3.1 喷定点喷涂实验

将各项参数设置到合理的喷涂范围内进行喷涂实验，确保可以得到相对规整的涂层区域，图3为进行4次点喷涂实验所得到的椭圆形涂层。

为了准确测量喷涂区域内涂层的厚度，选择喷涂形状较为规整的区域进行测量，即选择涂层2作为测量的涂层区域。首先利用三坐标测量仪扫描涂层2得到点云数据，然后将其导入MATLAB软件形成平面涂层，并对形成的平面涂层按照x方向和y方向5 mm×2 mm的网格进行划分得到测量点，如图4所示。为了减少测量的次数，只对x轴和y轴上的测量点进行涂层厚度测量。

图3 点涂实验喷涂效果 图4 涂层2测量点分布情况

对测量点进行厚度测量，每个测量点进行5次的厚度测量后取平均值，以确保测量的准确性，计算得到涂层每个测量点的真实厚度，如图5所示。

3.2 喷定点喷涂仿真实验

按照相同的参数设置在MATLAB软件中进行仿真实验，仿真结果如图6所示。

3.3 对比分析

为了更加直观地观察仿真模型预测得到的厚度与真实喷涂实验得到的涂层厚度之间的关系，将图5和图6在同一个坐标系下进行表示，如图7所示。

由图7可以发现：仿真分析得到的涂层厚度与实验测量得到的涂层厚度相吻合，证明了喷枪基础模型的正确性，利用该模型能够预测定点喷涂区域内任意一点的釉料涂层厚度。

图5 x轴和y轴方向涂层测量点厚度分布情况

图6 x轴和y轴方向仿真涂层厚度分布情况

图7 仿真和实验涂层厚度分布情况对比

4 总结

本文采用MATLAB软件进行了施釉机器人喷枪参数仿真及实验研究。首先确定了喷枪的数学模型，进而进行了平面内的喷涂仿真实验。通过对喷涂实验和仿真实验结果进行对比分析，验证了喷枪数学模型的正确性，这对于后续的喷枪变参数的仿真和实验研究具有一定的参考价值。