面向大型风力叶片的机器人喷涂轨迹规划及仿真研究.pdf

摘要

随着可再生能源需求量的不断增长，我国风电产业正蓬勃发展。风力叶片作

为风力发电机组的核心部件，其质量的好坏决定了风力机组的性能和效益。由于

大型风力机叶片的后处理工艺占用了叶片生产时间的三分之一以上，尤其是传统

人工喷涂阶段对底、中、面多道喷涂耗时较大，效率较低。因此，这里详细研究

了在喷涂机器人运动范围内，如何基于不同曲率下的膜厚误差对叶片表面进行分

片处理，并通过多目标优化算法对喷涂轨迹参数进行优化，提高其喷涂质量和效

率。最后基于VisualStudio搭建的开发环境，使用C#语言在RobotStudio的基础

上进行二次开发，构建一款针对风力叶片的自动化喷涂监控系统。完成的主要工

作内容如下。

(1)喷涂系统的搭建。基于SOLIDWORKS和ROBOTSTUDIO建模软件搭建

大型风力叶片的自动化喷涂架构。针对风力叶片模型特点，设计了叶片固定装置，

采用了双边机器人协同工作和风力叶片间歇式移动的工作模式。搭建了喷涂工作

站的控制系统，利用上位机离线软件系统下达喷涂指令来调节电机转速和各喷涂

参数。搭建了喷涂工作站的电气系统，通过激光定位传感器判断叶片位置，将

PLC程序和上位机结合。

(2)风力叶片外型的分片造型。基于风力叶片STL模型文件的特点，研究了

其模型信息的存储和提取方法，建立了双边协作机器人的风力叶片喷涂系统，针

对喷涂模型的表面处理，提出了考虑涂膜误差和机器人运动空间的分片方法。通

过蒙特卡洛法求解双边机器人各自运动区域，并得到其喷涂重叠空间和机器人布

局，并利用回溯算法遍历机械手末端所能达到的空间范围对其进行分片。利用聚

类算法将风力叶片的表面分割为多个曲率近似的大面片。通过仿真对比了不同的

全局法线夹角阈值大小对模型分片的形态影响，充分探究了在给定阈值下叶片各

面片的具体形态和成型规律。

(3)喷涂轨迹参数的优化。喷涂时的轨迹间距、喷涂高度和喷涂速度等参数

对最后的涂层效果影响较大，这里通过改进的IMOTDO多目标优化算法对其进行

了探究。建立了空气喷枪的数学模型，对比分析了光栅型和螺旋形路径在叶片不

同面片上的喷涂效果，将漆膜累积速率模型导入到PlatEMO平台中求解了帕累托

前沿最优解。引入Metropolis准则和自适应权重系数处理多目标参数的轨迹优化

问题，并使用MATLAB进行仿真验证。最后利用切片法将与模型的交点连接并偏

置，得到喷涂轨迹。

(4)仿真与实验验证。基于VisualStudio开发环境，在RobotStudio基础上进

行二次开发，设计了针对风力叶片的喷涂监控系统。为验证了分片方法和轨迹优

化的可行性，并在系统中进行了喷涂仿真，得到了喷涂轨迹优化前后的数据点膜

厚方差。可知研究的优化方案得到的喷涂效率提高了16.4%，膜厚均匀性标准差

提升了33.2%，验证了其有效性。

本研究课题设计了基于离线编程技术的机器人喷涂系统，结合了模型分片和

喷涂轨迹规划等工艺技术，通过多目标优化算法对双边协作机器人喷涂轨迹的效

率和膜厚质量进行优化，从而使得涂层质量满足工艺要求。此课题对推进“中国

制造2025”具有广泛的应用前景，拥有重要意义。

关键词：风力叶片；喷涂机器人；曲面分片；喷涂轨迹优化；RobotStudio

Abstract

Withthecontinuousgrowthofrenewableenergydemand,Chinaswindpower

industryhasdevelopedrapidly.Fanbladeisthecorecomponentofwindturbine,andits

workingconditiondeterminestheperformanceandbenefitofwindturbine.Becausethe

post-treatmentprocessoflargewindturbinebladesoccupiesmorethanone-thirdofthe

productiontimeoftheblades,especiallythetraditionalmanualsprayingstageofthe