在先进制造业中,工业机器人逐渐取代人力而成为社会主要生产力,作为工业机器人的一种,喷涂机器人被广泛地应用于汽车、航空和家具等行业的涂装生产线。喷涂离线轨迹规划是喷涂机器人的技术核心,合理的喷涂轨迹是喷涂作业各项性能达标的关键。复杂自由曲面不同于一般的平面和规则曲面,因具有几何形状不规则和曲面曲率可任意变化的特点,为其进行喷涂轨迹规划一直是一个难题。本文面向复杂自由曲面进行喷涂轨迹规划关键技术的研究,按照是否包含孔洞,将其划分为无孔洞自由曲面和带有孔洞复杂曲面,分别进行研究。本文主要研究内容如下:分析了实际喷涂中涂料沉积的影响因素,考虑喷涂速度、路径间距等主要影响因素,建立了漆膜累积速率模型;考虑动态喷涂下膜厚的累积,推导了直线路径下的漆膜厚度分布模型;在此基础上构建了平面喷涂路径参数的优化模型,以黄金分割法计算得到最优相邻轨迹间距,为复杂自由曲面的喷涂轨迹规划奠定基础。针对无孔洞自由曲面,提出了一套喷涂轨迹规划方案,将喷涂轨迹规划分解为喷涂路径的规划和喷涂速度的优化两个子问题。在喷涂路径规划部分,首先通过主成分分析法确定点云切片的方向,然后利用点云切片法生成初始喷涂路径,最后基于单调链算法消除路径的自相交,完成喷涂路径的规划。在喷涂速度优化部分,考虑喷涂质量和喷涂效率建立多目标优化模型,对各段路径上的喷涂速度进行优化,利用快速非支配遗传算法求解该模型得到喷涂轨迹。针对带有孔洞复杂曲面,提出了一套基于曲面分割的喷涂轨迹组合规划方案。首先基于二维平面上的牛耕式分解算法思想,设计了三维曲面的拓扑分割算法,将带有孔洞的复杂曲面分割成不含孔洞的一组子面片;然后结合无孔洞自由曲面的喷涂轨迹规划算法对各个子面片进行喷涂轨迹规划;最后将各条子轨迹间的组合规划问题近似为广义旅行商问题,提出一种双染色体交叉变异粒子群算法对该问题求解,最终完成对整个曲面的喷涂轨迹规划。本文完成了面向复杂自由曲面的喷涂轨迹规划方法的设计和仿真实现,并针对典型工件,利用MATLAB编程,仿真验证了所提方案的有效性和实用性。