噴涂軌跡優化研究

田雨涵　張雁輝

摘要：在陶瓷生產過程中，釉噴涂工藝用釉噴槍或釉噴涂機在壓縮空氣中噴霧釉，使釉粘附在粘土體上，不均勻的釉料在燒制過程中會產生裂紋，造成工件報廢，所以噴涂過程中噴涂釉料的厚度要求盡可能均勻。建立橢圓雙β分布模型為基礎的噴槍軌跡生成方法，研究了平面分布模型，提出了基于噴涂過程仿真的涂層厚度計算方法，建立了帶約束的優化函數，來優化各條軌跡的噴涂參數。首先選擇噴幅覆蓋區域較大的短軸為運動方向，應用解析法求解釉層厚度分布，提出了一種通用的釉層厚度求解方法，運用MATLAB進行仿真實驗，得到平面噴涂的累積情況，噴槍軌跡合適的重疊區間在86.5mm。

關鍵詞：化學工藝;噴釉;軌跡生成與優化;解析法

中圖分類號：RTB2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）06-0045-01

Abstract：Intheceramicproductionprocess，theglazesprayingprocesswiththeglazespraygunortheglazespraymachineinthecompressedairsprayglaze，maketheglazeadheretotheclaybody，unevenglazeinthefiringprocesswillproducecracks，resultingintheworkpiecescrap，sothesprayingglazethicknessinthesprayingprocessasuniformaspossible.Basedontheellipticdoubledistributionmodel，thesprayguntrajectorygenerationmethodwasestablished，theplanedistributionmodelwasstudied，thecoatingthicknesscalculationmethodbasedonthesprayingprocesssimulationwasproposed，andtheconstrainedoptimizationfunctionwasestablishedtooptimizethesprayingparametersofeachtrajectory.Firstly，theshortaxiswithalargesprayingareawasselectedasthemovementdirection，andtheglazethicknessdistributionwassolvedbyanalyticalmethod.Ageneralglazethicknesssolvingmethodwasproposed.MATLABwasusedforsimulationexperimenttoobtaintheaccumulationofplanespraying.

Keywords：chemicalprocess;Sprayglaze;Trajectorygenerationandoptimization;Analyticalmethod

引言：噴釉是現代陶瓷施釉技法之一，噴釉是用噴槍或噴霧器使釉漿霧化噴到坯體表面，適用于大型器皿及造型復雜或薄胎制品。噴釉機能夠保證釉層厚度[1]均勻，容易實現生產過程的機械化和自動化，大大提高效率，但其噴涂軌跡存在的問題也很多，噴涂過程中噴槍的噴射張角、噴涂高度、涂料流量、需要的涂層厚度、允許的涂層厚度偏差、噴涂時間等都還需要完善，考慮到經濟、效率等問題，對于噴槍軌跡[2]的優化，一直是研究的重要內容。

針對噴釉機現狀，通過優化噴槍參數來比較釉層厚度求解。通過改變噴涂高度和噴槍速率[3]來保證涂層的均勻性，仿真實驗取得了較好的效果，但是此方法在噴涂過程中噴涂高度和噴槍速率都隨噴槍的運動而改變，由于噴涂系統有一定的滯后性，改變噴射高度和噴槍速度對噴涂模型[4]的影響不是瞬時的，所以此方法在實際噴涂中的效果有待驗證。對噴釉槍進行軌跡分析，確定其需要優化的參數為路徑、高度、速率、方向，基于橢圓的雙β分布，并通過釉層厚度得到最優的重疊間隔。

1模型的建立

1.1針對噴槍的分析。噴槍在空間中有六個自由度，如果噴槍是自由運動的，那么一條軌跡就需要優化六個參數，規定噴槍軸線始終垂直于被噴涂面，噴槍的噴涂高度也是固定的，這樣，所需要優化的參數就減少為一個，極大簡化了問題的復雜性。四個因素能夠確定一條噴釉軌跡：路徑、方向、高度和速率。在沿一條軌跡噴釉時，噴射方向始終垂直于工件表面，噴涂高度也是保持不變的，而確定兩條軌跡的間距后即可得到噴槍路徑，所以，確定噴槍運動速率和相鄰軌跡間的距離即可確定一條噴釉軌跡。

1.2橢圓分布區的橢圓分布模型。噴槍軸線垂直于平面進行噴涂時，平面上釉層厚度累積速率為：

其中：a-噴霧橢圓半長軸（mm）;b-噴霧橢圓半短軸（mm）;zmax-漆膜的最大厚度;β-x方向中的β分布指數;β-y方向截面中的β分布指數。

1.3釉層厚度的計算。橢圓雙β分布模型[5]在平面上的噴幅為一個橢圓，因此噴釉時噴槍移動方向既可以沿著長軸方向，也可以沿著短軸方向。但當運動方向沿著短軸的方向時，噴幅覆蓋的區域比沿著長軸運動時大，所以選擇噴槍沿著噴幅的短軸方向進行噴釉。以沿著短軸方向為例，計算平面噴涂的累積情況。

噴槍沿著兩條相鄰軌跡噴釉時的情況，對噴幅區域內，點s所在的位置不同時，點s處釉層厚度也不同，如圖所示為噴槍沿著兩條相鄰軌跡噴釉時的情況，表示噴幅區域內一點到第一條軌跡的距離，為在第一條軌跡上的投影，為相鄰兩條軌跡間的距離，此時：

2模型的求解

霧化壓力P₁和隔膜泵壓力P₂取0.2Mpa，噴射距離h取225mm，可求得[a b z_maxβ₁β₂]=[109.8438 470812 212.7664 2.3655 4.8999]理想的釉層厚度為50μm，噴槍噴釉的方向保持不變，在平面上噴釉，經過上式計算得到噴槍的v_c=21.14mm/s，v₁=21.14mm/s，h₁=118.64mm，v₂=20.94mm，h₂=127.36mm則交界處的釉層厚度分布情況如圖所示。釉層厚度最大值最小值為50.3845μm，最小值為47.6248μm。重疊區間在19.85，67.353。

3結論

本文基于噴槍軌跡優化問題的特點，以獲得最佳噴涂效果中的涂層均勻性和涂料利用率為研究目標，采用優化理論中的方法分別討論了工件表面具有平面特征自的噴槍軌跡優化問題。

通過解析法，提出了一種基于動態噴釉仿真的厚度求解方法。軌跡生成與優化為目標函數，釉層厚度為約束條件的優化目標，對噴釉參數進行優化。仿真結果表明，本文提出的各種軌跡優化方法是正確有效的。本文建立的優化目標與一般的優化目標相比，能夠縮短噴釉時間、提高效率。

參考文獻：

[1]陳奇峰.噴漆機器人漆膜厚度控制方法與工藝研究[D].上海交通大學，2009.

[2]趙德安，王振濱，等.噴漆機器人噴槍最優軌跡規劃的研究[D].江蘇理工大學學報（自然科學版），2001，22（5）：55-59.

[3]龔俊，崔朝玉，崔延華，蔣謀株.噴涂過程中的涂層生長速率模型的建模及仿真研究[D].機械制造，2008：2-3.

[4]張永貴，黃玉美，高峰，王偉.噴壤機器人空氣噴槍的新模型[D].機械工程學報，2007：226-227.

[5]CaillecL，MarcJ，ReneG.Comparisonofstatisticalindicesusingthirdor-derstatisticsfornonlinearitydetection[J].SignalProcessing，2004，84（3）：499-525.