安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽合肥 230601
摘要：轨迹离线编程及仿真是喷漆机器人应用的重要组成部分，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了轨迹规划与仿真系统，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就仿真系统显示技术展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。
关键词：喷漆机器人；轨迹离线编程；仿真技术；研究
1前言
喷漆机器人轨迹离线编程及仿真是一项实践性较强的综合性工作，其具体实施方法的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对喷漆机器人的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项工作的最终整体效果。
2概述
随着汽车、电器、家具等制造业的快速发展，我国对于喷涂机器人的需求日益强烈，而喷涂机器人的喷枪轨迹直接影响着机器人对工件的喷涂效果。其表面的喷涂效果则直接影响着这些产品的质量，产品的色泽在一定程度上取决于涂层的厚度，而涂层厚度的不一致还会造成产品表面溶剂突起、不光洁，甚至在涂层过厚的地方出现皴裂倾向。在传统的喷涂机器人轨迹规划编程中，使用最普遍的方法是“人工示教法”，这是一种轨迹记忆再现的路径规划方法，其简单易行，但存在众多缺点，该方法产生的喷涂轨迹严重依赖工人经验，规划周期长，且机器人在示教期间不能用于生产，同时操作工人也要处于有害的工作环境之中。
3轨迹规划与仿真系统
将喷涂机器人离线轨迹规划与仿真系统按照功能可以划分成以下模块: 工件模型导入及预处理模块、喷涂建模模块、路径规划模块、轨迹优化模块及喷涂性能仿真模块。
3. 1 工件模型导入与预处理
在喷涂机器人轨迹规划与仿真系统中，首先就是将工件三维模型导入到软件之中，并进行相应的预处理。工件三维数据模型有多种格式，在这里对工件采用三角化网格近似模型，也即STL 格式。该数据格式可以处理任意复杂形式的工件表面，具有很高的通用性，且其精度可通过对三角网格尺寸的控制来调定，同时当前的主流绘图建模软件都支持该种模型的文件输出。在该模块中，对于导入的三维工件模型，实现各个角度的三维显示，并且能通过鼠标和键盘实现模型的平移和旋转等交互操作。同时完成对导入的工件的三角网格模型进行处理，提取三角网格的几何特征，为后面的路径规划和轨迹优化做准备。
3. 2 喷涂过程建模
喷涂过程建模是喷涂机器人离线轨迹规划系统重要的组成部分，喷涂模型的好坏直接关系着仿真结果的好坏与准确性。喷涂过程建模是通过分析涂料流量、雾化气压、喷炬张角、喷涂距离等喷涂参数对喷涂过程的影响，建立涂层累积速率模型; 结合现场喷涂实验，进行模型参数的辨识，以及模型自身的检验和修正。目前比较常用的模型主要有抛物线模型、三次曲面模型、β 曲线模型、高斯分布模型、分段函数模型等。在软件实现方面该模块主要是用来实现对喷涂模型的各项参数( 如喷枪类型，喷枪高度，喷枪速度等) 的设置，导入已有的喷涂模型与修改模型，同时可以根据参数设置与实验的测量数据，实现对这些数据的拟合，完成新的喷涂模型的建立。
3.3喷涂性能仿真
这个模块是喷涂机器人轨迹规划与仿真系统最后的一个模块，是展现轨迹规划效果的重要部分。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该模块主要对前面生成的轨迹进行仿真，实现涂层累积和喷涂轨迹规划的三维可视化仿真效果演示，仿真对象由平面、规则曲面一步步过渡到自由曲面等复杂工件表面。该模块采用OpenGL 技术实现3D 可视化的显示，显示结果主要包括喷涂轨迹图，曲面喷涂效果厚度色彩图，曲面喷涂效果厚度三维图，曲面喷涂厚度截面图等。
4仿真系统显示技术
4. 1 OpenGL 介绍
OpenGL( 全写Open Graphics Library) 是最为广泛接纳、性能卓越的三维图形接口标准，它定义了一个开放的、跨编程语言、跨平台的编程接口。OpenGL 是个与硬件平台无关的软件接口，它独立于视窗系统和操作系统，可以在不同的平台如Windows、Unix、Linux、MacOS 等之间进行移植，以它为基础开发的应用程序也可以十分方便地在各种平台间移植。微软公司也参与了OpenGL 标准的制定，这使得OpenGL 可以很好地与Visual C++相结合，使得软件开发变得很简便，同时易于实现软件算法与图形算法的结合，保证算法的正确性和可靠性。OpenGL 具有众多功能，包括: 图形建模、坐标变换、颜色模式设置、光照与材质设置、纹理映射、位图显示与图像增强、双缓存技术、选择与反馈等。这些功能使得开发高性能、高视觉表现力的图形软件变得十分容易。
4.2 OpenGL 渲染技术
OpenGL渲染过程又称为渲染流水线。主要包括显示列表、求值器、顶点操作、图元装配、像素操作、纹理装配、光栅化、片元操作、帧缓冲等过程。在使用OpenGL 绘图之前需要设置像素格式( 如像素缓存模式，颜色模式，颜色位数，深度缓存的位数等) ，创建渲染场境，以及设置渲染场景的光照、颜色和物体的材质等，在绘制结束时，清除渲染场境，处理视图窗口尺寸变化，屏幕显示等。
喷涂机器人离线轨迹规划与仿真系统是采用面向对象的编程技术( OOP) 设计与开发的，该设计方法符合人们对世界的认知习惯，代码可读性好、可维护性强、可重用性高。为了更方便地使用OpenGL，这里对OpenGL 的相关操作也采用面向对象的方式，将其封装成类，主要包括CCamera 类和COpenGLRC 类。CCam-era 类主要完成OpenGL 取景方面的功能，包括视点坐标系的确定、视图变换( 包括视点变换与模型变换) 、投影变换( 正交投影和透视投影) 、视口变换等。通过CCamera 可以方便地设置视点、视线方向，定义视景体，修改视口尺寸等。COpenGLRC 则主要封装了OpenGL 环境
设置以及OpenGL 的绘图功能，包括OpenGL 像素格式的设置、创建和设置渲染场境、设置光源、设置材料属性、设置当前色和背景色、窗口尺寸变化管理、绘图前相关准备操作以及绘图结束后的缓存处理操作等。通过COpenGLRC 可以实现和管理与Windows 窗口的关联，完成取景操作，绘制基本图形，设置光源和颜色以及鼠标拾取等功能。
4. 3 仿真实体构建
在喷涂机器人离线轨迹规划与仿真系统中，需要对场景、工件实体、曲面、轨迹、喷涂效果等进行绘制。本系统需要绘制的图形种类众多，但分析所有需要绘制的图形，可以将其抽象成一个可以绘制和操作的基本几何实体，在C++使用抽象类CEntity 来表示。对于具体的绘制实体CSTLModel、CSurface、CLine、CTrajectory、CPaintPoint、CTriChip、CSurfaceThick 等都由CEntity派生获得。对于复杂的物体则分解成简单的物体，通过对简单物体的渲染完成复杂物体的绘制，其基本结构是: 基本原子模型→复杂模型。
在CEntity 中定义纯虚函数virtual void Draw( )= 0，CSTLModel、CSurface、CLine、CTrajectory、CPaint-Point、CTriChip、CSurfaceThick等具体模型类继承并实现Draw( ) 这个虚函数。这样通过C++ 中的虚函数机制，在绘图操作中通过对显示链表pDisplayEntityList遍历，调用CEntity 的Draw( ) 函数，就可以调用具体实体模型类的Draw( ) 函数，实现整个仿真场景中不同工件、曲面、轨迹等的渲染。
5结束语
综上所述，加强对喷漆机器人轨迹离线编程及仿真的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献
[1]王清辉，王彪.VisualC++CAD应用程序开发技术[M].北京:机械工业出版社，2016（21）：88-89.
[2]OpenGL编程指南[M].邓郑祥译.第4版.北京:人民邮电出版社，2005．
[3]许万荣，樊自田．OpenGL中交互式任意旋转三维场景的实现[J].计算机应用，2006，26(6):147－148.
论文作者:陈勇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/24
标签：轨迹论文; 模型论文; 工件论文; 机器人论文; 离线论文; 曲面论文; 模块论文; 《基层建设》2018年第15期论文;