1、1西安航空职业学院毕业论文机器人喷涂不规则曲面的模拟计算研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 2摘 要：针对涂层厚度控制的问题，结合ABB IRB 580-12型喷涂机器人操作工艺参数的设置及喷涂轨迹的设定，应用CFD-ACE-SOLVER模块，包括Flow（流动）模块、Turbulent（湍流）模块和Spray（颗粒）模块等，求解喷枪出口下游的气体流动和湍动情况，以及喷雾粒子（或液滴）的运动情况和涂层的生长率等问题；通过生成可校核的模拟仿真数值求解方法，模拟涂装效果，使用喷涂机器人对模拟优化后的工艺参数和喷涂轨迹进行验证；结果表明，模拟计算参数经喷涂机器人喷涂直
2、角内侧曲面试验，涂层厚度满足施工公差要求，建立涂装仿真模拟数值求解方法，为复杂制件的涂装模拟研究提供数据基础。关键词：喷涂机器人；模拟计算；涂层生长率模块；二次开发0 引言随着计算机技术的进步，计算机模拟仿真技术已广泛应用于材料科学的研究中。计算机模拟的应用研究使得材料科学研究从传统的“试错”变为基于机理的一门定量科学。研究者逐渐转向采用数值模拟的方法求解复杂问题，不仅在材料研制阶段提高材料设计筛选的效率，同时对材料制造中工艺参数的确定提供了模拟计算的研究途径。美国洛马公司在研制 F-35 隐形战斗机过程中，由该公司制造技术部开发了一套机器人飞机精密喷涂系统(RAFS)，其良好的硬件设计和喷涂
3、工艺开发实现了 F-35 涂层厚度的精确控制，满足了飞机的公差要求 1。目前，国内飞机部件表面涂层的涂敷大部分采用手工空气喷涂。由于不同部件形状各异，人工喷涂很难达到表面涂装均匀性要求。涂层厚度的控制对功能涂层性能的保证起到至关重要的作用，且直接影响产品的外观。在涂层的实际施工中，不仅工艺参数会影响涂层厚度，喷涂轨迹通过控制涂层叠加的方式直接影响涂层厚度的均匀性。机器人喷涂在保持了手工喷涂对复杂形面的适应性特点的同时又具有更好的精确性和重复性，已在汽车制造业得到广泛应用。喷涂机器人的喷涂效果与机器人的运动轨迹、被涂工件表面形状、喷枪参数等诸多因素有关。李发忠等 2提出在有凹凸结构的曲面上进行喷
4、涂轨迹优化，并采用一种基于 CAD 的轨迹优化算法以提高曲面漆膜厚度的一致性。赵德安等 3提出采用遗传算法对喷涂机器人喷枪轨迹进行优化，该方法的喷涂效果无提高，且没有经过喷涂实验论证。Sheng 等 4按照工件几何特点，在对复杂曲面进行分片处理后，通过建立优化目标函数来设计喷涂机器人喷枪的路径模式和走向，但该方法并未考虑涂层均匀性优化问题，无法实现复杂曲面上的轨迹优化。Chen 等 5利用平面上的喷涂模型对涂层重叠区域宽度进行优化，生成喷枪空间路径，在曲率变化较小的曲面上实现了沿指定空间路径的喷涂机器人喷枪轨迹的优化，并通过实验的方法推出平面上的涂层累积速率模型，建立了曲面上的喷涂模型。王康等
5、 6采用将三维造型软件 UG 和数值计算工具 MATLAB 利用二次开发相结合的方式来进行机器人喷涂轨迹及涂层厚度控制的喷涂模拟仿真，进行复杂曲面喷涂路径的优化。本文采用法国 ESI 集团的 CFD 系列产品并经过二次开发进行分析计算，求解机器人喷涂的工艺参数设定及喷涂轨迹设计模拟问题，建立机器人涂装不规则曲面的数值求解方法，并采用 ABB IRB 580-12 喷涂机器人喷涂 XX 牌号飞机涂料进行试验验证。应用的 CFD-ACE-SOLVER 模块包括 Flow（流动）模块、Deform（动网格）模块、Turbulent（湍流）模块以及Spray（颗粒）模块，其中，Flow 模块应用 N-
6、S 方程求解喷枪出口下游的气体流动情况，Deform 模块主要求解喷枪运动，Turbuent 模块主要求解喷管出口下游气体流场的湍动情况，Spray 模块求解粒子的运动情况，包括粒子速度分布情况、与基底的撞击情况、涂层的生长率等问题。 3图 1 ABB IRB 580-12 喷涂机器人1 模拟计算1.1 涂层生长率的求解在涂层复杂形面喷涂工艺模拟仿真中，涂层生长率模块是最为关键和重要的，它将是喷涂领域革新的一项技术。它包含的难点有：（1）涂层机理理解的基础上以及试验数据的验证下将颗粒现象与行为换算为计算机语言，并与软件接轨；（2）程序编写过程中与ACE+软件中颗粒相关参数无缝连接与继承；（3）
7、计算结果的验证，确保严谨准确。1.2 软件二次开发颗粒（离散相）的模拟随着CFD本身技术的发展以及计算机水平的快速突破近年来已经有了长足的发展，一般的颗粒相（离散相）/连续相两相流对于很多商业软件来说都可以直接进行求解，比如颗粒的扩散、颗粒的搅混、颗粒的撞击等现象。喷涂中涉及到的颗粒问题和现象十分复杂，它不仅涉及到离散相/连续相两相流的计算，还包含粒子间结合的机理，粒子在高速碰撞到基底或是已积涂层上时会发生严重的塑形变形从而导致粒子间的结合，这个过程对于目前所有的商业软件均不能直接模拟求解。因此，在对涂装过程理解的基础上，经试验数据验证，对Spray模块进行二次开发，用于涂层生长情况的求解，该
8、模块将会准确反映喷涂工艺中基底涂层的生长率在CFD-ACE+的基础上进行二次开发。具体的二次开发过程如下图所示：4图 2 涂层生长率模块开发流程图图 3 二次开发详细流程图在 CFD-ACE+二次开发使用 FORTRAN 语言，编译为 dll 动态链接库进行计算。在程序中加入 increase_rate（沉积速度），increase_total（沉积厚度）两个变量对喷涂过程进行量化。REAL(real_p), allocatable:increase_rate(:), increase_total(:)5判断边界是否为壁面，如果是壁面则继续。call get_bc_type(bc_face,
9、bctype, error) if(bctype /= WALL)thenreturnend if设定油漆颗粒吸附的判定条件（目前为速度 V_n 小于设定的阈值，则涂料颗粒吸附于壁面）。call get_cur_drop_state(cell_id , x, y, z, u, v, w, tem, dia, ndrp, error) V_n = sqrt(u*2 + v*2 + w*2)if (V_n V_yuzhi) then进行沉积计算volume = pi * dia*3 / 6rate = nden * volume / area * 10e9increase_rate(face_no
10、des(i) = increase_rate(face_nodes(i) + rateincrease_total(i) = increase_total(i) + increase_onestep(i)设置节点速度控制网格运动if (time = 0.27 ) thennode_value = timeelseif(time = 1.78 ) thennode_value = 0.27elseif(time = 3.484 ) thennode_value = 0.27elseif(time = 3.754 ) thennode_value = 0.27 - (time - 3.484)en
11、difcall set_value_one_node(node_index, var_index, node_value, error)将最终计算的结果保存于 DTF 文件。var_name = increase_rateuser_units = nm/scall write_nodal_solution_to_dtf(var_name, n_nodes, increase_rate, user_units, error) var_name = increase_totaluser_units = nmcall write_nodal_solution_to_dtf(var_name, n_n
12、odes, increase_total, user_units, error)在三维笛卡儿坐标中，用于管内流动模型的时均微分方程组如下：(1) 连续性方程：(3-1)0ixu(2) 动量方程：6(3-2) ikefijjiefjjii xpuxuux 32(3) 能量方程：(3-3) kijjiefiiefTipii xuxxxcx 32(4) 湍流动能：(3-4)2Skkuliefiii(5) 湍流动能耗散率：(3-5)RkCkxxx liefiii 221 (6) 理想可压缩流体状态方程：(3-6)RTp(7) 有效粘度：(3-7)21kCmololef粒子在流场中的运动满足方程：(3-
13、8)2 模拟试验2.1 平板喷涂模拟试验采用边长500mm的正方形平板，机器人喷涂XX牌号飞机涂料（厚度要求20m60m）进行平板验证试验。将喷枪喷漆幅宽和涂层厚度的实测值与模拟值进行对比。模拟结果如图所示（单位：nm）：图 4 平板喷涂模拟计算厚度云图平板验证试验参数见表1，模拟结果见表2。表 1 平板验证试验参数试验参数名称 试验参数数值喷枪距离 22cm7喷枪速度 0.25m/s喷枪口径 1.44mm压力 0.6Mpa送漆量 7g/s重复次数 3表 2 平板喷涂试验结果与模拟结果对比项目 实验值 模拟值幅宽 24cm 24cm厚度 36m 38.3m2.2 不规则曲面喷涂模拟试验2.2.
14、1 直角内侧模拟计算计算外形如图所示：图 5 直角内侧计算外形图对于直角拐弯处，因为喷枪尺寸的限制，靠近拐角处只能通过旋转喷枪的方式进行喷涂。计算模拟的方式是将喷枪旋转 90，如图 6 所示：图 6 喷枪运动示意图经过多次轨迹优化优化，不同时间段采取不同的角速度，角速度的分布如下：表 3 不同时间段的角速度分布时间段（s） 角速度（deg/s）0.0-0.1 112.50.1-0.2 112.580.2-0.35 750.35-0.45 56.250.45-0.6 37.50.6-0.75 37.50.75-0.85 56.250.85-1.0 751.0-1.1 112.51.1-1.2 1
15、12.5模拟结果如图所示：图 7 直角内侧涂层 I 厚度云图（单位：m）图 8 直角内侧涂料 II 厚度云图（单位：m）在曲面上截取 8 个点，得到的厚度如表 4，截点位置见图 9。表 4 直角内侧厚度模拟值（单位：m）9序号 1 2 3 4 5 6 7 8 最大偏差涂层 I 厚度 51.1 48.3 49.2 48.5 48.6 51.3 48.0 47.7 2.3涂层 II 厚度 508.6 501.3 485.3 488.6 465.5 477.2 492.0 478.6 34.5图 9 直角内侧模拟计算涂层厚度截点位置2.2.2 半圆弧翼型曲面模拟计算计算所用曲面为平面连接一半圆弧曲面
16、，如图所示：图 10 翼型计算曲面图当喷枪以匀速运动时，在具有弧度的部位会导致喷涂的厚度过厚，因此在该部分应增加喷枪的运动速度。对于模拟所用的算例，经过多次优化，将喷枪在圆弧处的移动速度提高为平面处的 2.75 倍，优化速度后计算结果如下：10图 11 翼型外侧涂层 I 厚度云图图 12 翼型外侧涂层 I 厚度云图在翼型曲面上截取 8 个点，得到的厚度如表 5。表 5 翼型外侧厚度模拟值（单位：m）序号 1 2 3 4 5 6 7 8 最大偏差涂层 I 厚度 52.5 53.2 50.8 52.0 46.3 47.6 48.1 46.9 3.7涂层 II 厚度 515.6 525.0 529.3 518.2 475.5 479.6 495.1 482.6 29.3
