喷枪喷射及着面研究

刘祥俊 陶鹏 王建涛

摘要：釉喷雾过程用釉喷枪或釉喷雾器在压缩空气中喷洒釉，以将釉粘附到粘土体上。这是一个在陶瓷生产中易于自动化的过程。但釉烧不均会产生裂纹，造成零件报废，喷涂过程中喷釉厚度尽可能均匀。基于此，我们做了以下工作：基于椭圆双β分布模型。根据喷枪喷射过程参数之间的关系，进入给定的相关值，得到最大膜厚，半长轴，短轴，分布指数等参数的值。另外，优化模型采用等距离优化算法建立了膜厚变化规律。结果表明，当重叠区间为86.08mm时，膜厚变化最为均匀。基于平面膜厚变化模型，推导了曲面膜厚累积率模型。通过分析MATLAB软件的函数图像，证明了这是一个畸变的圆柱曲面，并利用遗传算法优化了圆柱曲面的轨迹。当重叠间隔为78.45mm时，计算得到釉料厚度要求。

关键词：椭圆双β分布;遗传算法; 等距离优化算法;重叠区间;

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）12-0078-01

引言：釉喷涂工艺用釉喷枪或釉喷涂机在压缩空气中喷雾釉，使釉粘附在粘土体上。由于烧制过程中不均匀的釉料会产生裂纹，造成工件报废，所以喷涂过程中喷涂釉料的厚度要求尽可能均匀。在实际的空气喷涂中，通常在喷枪口两侧设置压缩空气，雾锥被压扁成椭圆锥体，被喷漆雾形成的喷雾锥所覆盖的平面上的区域为椭圆形，半b的a轴和半短轴的主轴。

1 平面重叠区间的计算

在实际的空气喷涂中，通常在喷枪口两侧设置压缩空气，雾锥被压扁成椭圆锥体，被喷漆雾形成的喷雾锥所覆盖的平面上的区域为椭圆形[1]，短半轴的长度为b和长半轴的长度为a，它们符合椭圆双β模型：因此喷釉时喷枪移动方向既可以沿着长轴方向，也可以沿着短轴方向。当运动方向沿着短轴的方向时，喷涂覆盖的范围比沿着长轴运动时大，所以选择喷枪沿着椭圆短轴的方向运动来进行喷釉[2]。

喷枪最优轨迹的目的是能够使平面表面涂层厚度变化最小，从而实现使涂层厚度变化更为均匀[4]。参照椭圆双β模型，假设该平面是一块宽度为100mm长度无限的平板，喷枪始终以30mm/s的速度沿x轴运动，能够接受的涂层厚度的误差范围为10%，即±21.28μm。

按照等距离优化算法，通过matlab实现，得出当相邻路径间的距离d=86.08mm时，满足所设定的涂层厚度误差要求，平面涂层厚度均匀变化的图像如图4所示，图形的左边有部分漆膜厚度较低，是因为较低部分处在边缘，喷涂过程中可以通过将平板适当右移来弥补缺陷。

2 曲面轨迹模型建立及优化

当喷涂表面为曲面时，会产生角度问题，所以搭接间隔不再适用，需要根据平面上的喷涂模型来推导出曲面上的喷涂模型，为之后的曲面上的轨迹优化做准备。

曲面函数z=-x2+x-xy-10≤x≤10，-10≤y≤10可以看作是由一个圆柱面弯曲而形成的，当y等于10时，函数为z=-x2+11x。

当x∈-10，10时，求得l=261.25，将其看作圆柱底面的周长，则半径为41.58。因此要想求出该函数的图像轨迹，我们需要先知道圆柱面的喷涂模型，然后对圆柱面上的喷涂轨迹进行优化，从而得出在该函数的曲面上进行喷涂的最优化轨迹。

优化函数不再是釉层均匀性最佳，而是建立以喷釉时间最短为优化目标，釉层厚度为约束条件的优化函数。需要优化的两个参数（喷枪速率v、相邻轨迹间距d）都对喷釉时间有影响，即喷枪速率越快，相邻轨迹距离越远，喷涂同一工件所需时间越短，所以，可以用这两个参数来表征喷涂时间。

适应度函数的建立是遗传算法的一个重要步骤，根据提出的优化函数，考虑喷枪速率v、相邻轨迹间距d处于一个数量级，且对时间影响的权重一样，约束条件以惩罚函数的形式表现，建立适应度函数。

当釉层厚度不满足要求时，通过惩罚函数使得适应度函数为无穷大，这样，在算法的迭代中，不滿足厚度要求的个体都会被淘汰，最后求出的最优解即满足了耗时最少，也符合釉层厚度要求。将函数图像等效成的圆柱面参数代入遗传算法中，就可以得出满足误差要求的重叠间隔d=78.45mm。

结论：针对平面喷涂问题本文在椭圆双β模型的基础上，以漆膜厚度为优化目标，引入了以等距离搜索为基础的邻路径重叠区域漆膜厚度模型，较好地解决了平面漆膜厚度计算和喷漆路径设计的基本问题。对于变化的曲面，本文设计了一种沿曲面周线的喷釉轨迹，建立以喷釉时间最短为目标函数，釉层厚度为约束条件的优化目标，采用遗传算法对各个喷釉参数进行求解，较准确地解决了曲面喷釉路径的问题。

参考文献：

[1]冯浩，吴秋，王小平.基于椭圆双β模型的球面喷涂轨迹优化[J].机械设计与制造，2016（04）：249-252+257.

[2]张永贵，黄玉美，高峰，王伟.喷漆机器人空气喷枪的新模型[J].机械工程学报，2006（11）：226-233.

[3]龚俊，李玉洋，李翠明，张鹏.面向圆形弯管的喷涂机器人喷枪参数优化[J].现代制造工程，2016（11）：23-27.

[3]Gong Jun， Li Yuyang， Li Cuiming， Zhang Peng. Parameter optimization of spray gun for spray robot with circular bent pipe [J]. modern manufacturing engineering， 2016， （11）： 23-27.

[4]陈伟，赵德安，汤养.自由曲面喷漆机器人喷枪轨迹优化[J].农业机械学报，2008（01）：147-150.

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