汽車頂蓋噴涂軌跡的優(yōu)化

狄東洪

摘 要：在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和消費(fèi)者對汽車品質(zhì)需求日益提高的整體環(huán)境下，市場對汽車的噴涂質(zhì)量也日益重視。隨著我國綜合國力的提升和技術(shù)水平的提高，汽車噴涂水平迅速提高，汽車行業(yè)的各類先進(jìn)工藝技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，噴涂質(zhì)量也在不斷改善。然而，由于汽車噴涂工藝過程的復(fù)雜性和特殊性，汽車噴涂質(zhì)量始終是值得研究的課題。為了提升噴涂質(zhì)量，降低噴涂過程中人為因素引起的噴涂誤差，手工作業(yè)逐漸被機(jī)器噴涂所替代。

關(guān)鍵詞：汽車頂蓋;噴涂;軌跡優(yōu)化

1 相鄰軌跡間涂層重疊距離計(jì)算

汽車表面進(jìn)行噴涂時(shí)，由于每次噴涂的直徑有限，因此需要進(jìn)行多次往復(fù)循環(huán)噴涂才能完成整體平面的噴涂工藝過程。在汽車噴涂過程中，涂料經(jīng)過高速旋杯式靜電霧化器到達(dá)汽車頂蓋時(shí)，在離心作用和靜電作用下，涂料分子在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速率不同，因此在噴涂表面涂層的厚度分布是不均勻的。在循環(huán)噴涂時(shí)，為了最大程度上實(shí)現(xiàn)整體涂層厚度的均勻性，需要將相鄰噴涂軌跡進(jìn)行重疊化。通過確定霧化器中心軌跡之間的距離，即可確定涂層重疊軌跡。

圖1 涂層厚度疊加俯視圖

圖2 噴涂軌跡剖視圖

直角坐標(biāo)系中表示的涂層厚度疊加俯視圖，如圖1所示，O為霧化器中心點(diǎn)在工件表面的垂直投影，霧化器運(yùn)動(dòng)方向與x軸平行，v為霧化器移動(dòng)速度方向，R為涂料經(jīng)霧化器在工件表面所形成噴涂軌跡的半徑值，d為2次噴涂軌跡之間的重疊距離。根據(jù)β分布模型，得到噴涂軌跡剖視圖，如圖2，f（r）為涂層厚度，涂層1表示霧化器沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)得到的涂層模型，涂層2表示霧化器與第一次噴涂軌跡重疊距離為d時(shí)沿x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)得到的涂層模型，涂層1與涂層2相交部分形成重疊軌跡，涂層厚度為涂層1厚度與涂層2厚度的疊加。

由于往復(fù)噴涂過程中，相鄰噴涂軌跡之間的重疊距離均與涂層1和涂層2的疊加規(guī)律相同，因此只需對涂層1和涂層2中心點(diǎn)之間的涂層厚度進(jìn)行研究即可。當(dāng)噴涂過程中往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度均勻時(shí)，對涂層疊加后才能使涂層的均勻度達(dá)到更高，因此將噴涂過程中霧化器的移動(dòng)速度設(shè)置為定常數(shù)。

2 汽車表面噴涂軌跡優(yōu)化模型的建立和求解

2.1 設(shè)計(jì)變量

噴涂質(zhì)量由噴涂軌跡與涂層厚度決定。噴涂軌跡與噴涂路徑、噴涂方向相關(guān)，涂層厚度與噴涂半徑、噴涂軌跡間的重疊距離、霧化器移動(dòng)速率相關(guān)。當(dāng)涂料體積一定時(shí)，噴涂半徑與涂層厚度成反比;噴涂軌跡間的重疊距離與涂層厚度成正比，噴槍移動(dòng)速率與涂層厚度成反比。為了獲得最優(yōu)涂層厚度，需選擇合適的噴涂半徑、噴涂軌跡間的重疊距離和霧化器移動(dòng)速率。

影響涂層厚度的因素是噴涂半徑R、噴涂軌跡間的重疊距離d、霧化器移動(dòng)速率v，當(dāng)噴涂半徑R和霧化器移動(dòng)速率v確定后，只需優(yōu)化噴涂軌跡間的重疊距離d，因此優(yōu)化變量可確定為：

X=j5i0abt0b （1）

2.2 目標(biāo)函數(shù)

保證涂層厚度合理的情況下，要求涂層厚度盡可能均勻，若以實(shí)際噴涂涂層厚度與理想噴涂涂層厚度的差值為目標(biāo)函數(shù)，則存在正負(fù)差值相互抵消的情況，因此，在滿足實(shí)際情況需要且盡量減少計(jì)算復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，取實(shí)際噴涂涂層最大厚度與最小厚度的差值進(jìn)行優(yōu)化，其中qmax（d）表示最大涂層厚度，qmin（d）表示最小涂層厚度，待優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

（2）

2.3 約束條件

從實(shí)際角度出發(fā)，當(dāng)噴涂軌跡間的重疊距離大于R，為了達(dá)到更高的涂層厚度可以通過調(diào)整噴涂半徑R和噴槍移動(dòng)速率v，因此噴涂軌跡間的重疊距離在完全不重疊與重疊半徑為噴涂半徑R之間。

2.4 計(jì)算最優(yōu)重疊距離

采用單次冒泡法計(jì)算相鄰軌跡間的最優(yōu)重疊距離，涂層厚度與s點(diǎn)到霧化器中心點(diǎn)的距離y、重疊距離d相關(guān)。

假設(shè)霧化器與車體表面的距離為250 mm，霧化器噴涂形成的錐形涂層在車體表面形成的涂層半徑R=40 cm，根據(jù)β型涂層沉積速率得：

f（d）=18（R2?d2）f（d）=18（R2-d2） （3）

在對噴涂軌跡之間的重疊距離進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，先將噴涂重疊距離d的初始值設(shè)置為0，計(jì)算出各點(diǎn)處的涂層厚度和該噴涂重疊距離d下最大涂層厚度與最小涂層厚度差值，若噴涂重疊距離d的值不大于霧化器噴涂形成的涂層半徑R，則將噴涂重疊距離d的值增加一個(gè)單位值（增加的單位值越小，計(jì)算出的最大最小涂層厚度差值越精確，選擇的最優(yōu)噴涂距離d的值越接近實(shí)際值），為了便于分析，選取1作為每次重疊距離d的遞增值，并繼續(xù)計(jì)算該噴涂重疊距離d下的各點(diǎn)的涂層厚度和最大涂層厚度與最小涂層厚度差值，依次對d的值進(jìn)行遞增和循環(huán)計(jì)算，直至噴涂重疊距離d的值大于霧化器噴涂形成的涂層半徑R，此時(shí)，基于冒泡排序法的原理，采用單次冒泡排序法對以上各噴涂重疊距離下得到的最大涂層厚度與最小涂層厚度差進(jìn)行比較，將各相鄰?fù)繉雍穸炔钪颠M(jìn)行比較，較小者存放在后者位置，第一輪比較完畢，則最小值存放在末位置。末位置的涂層厚度差為最小涂層厚度差，該情況下得到的涂層即為最優(yōu)涂層，且此時(shí)的噴涂重疊距離d為最優(yōu)噴涂重疊距離。

2.5 重疊距離結(jié)果分析

根據(jù)對噴涂軌跡重疊距離的優(yōu)化計(jì)算，得出當(dāng)涂層半徑為40.0 cm時(shí)，相鄰軌跡間的重疊距離最優(yōu)解為24.0 cm，此時(shí)涂層最大厚度與最小厚度的差值最小，涂層均勻度最高，汽車表面噴涂質(zhì)量最好。

3 結(jié)論

（1）選取β分布函數(shù)，對涂層沉積厚度模型進(jìn)行研究，計(jì)算出相鄰軌跡間的最優(yōu)重疊距離，最大程度上實(shí)現(xiàn)了汽車噴涂過程中涂層厚度的均勻性。

（2）以汽車頂蓋為例，獲取復(fù)雜曲面的噴涂軌跡，并完成對噴涂軌跡的規(guī)劃，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的噴涂軌跡優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓鴻志.高品質(zhì)汽車涂裝工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[2]湯宇洋.涂裝機(jī)器人噴涂模型與離線編程關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.

[3]李發(fā)忠.靜電噴涂機(jī)器人變量噴涂軌跡優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.