“中国制造2025”以及中国“工业4.0”对智能化装备和智能化生产提出了新的需求,进一步促进了我国工业机器人的发展。作为重要的一个分支,喷涂机器人广泛应用于汽车、航天、轮船、家具等领域。目前喷涂机器人离线编程技术主要应用于单品种、大批量工件的喷涂,对于多品种、小批量工件或者非标准件的喷涂仍以示教编程为主,特别是国内,对于喷涂机器人的研究起步较晚,自动喷涂轨迹规划技术尚不成熟。因此,对于多品种、小批量工件以及非标准件,如何获取其精确的三维模型以及完成自动喷涂轨迹规划,实现更加自动化、更加智能化、更高质量的喷涂是一项具有巨大学术意义和应用价值的课题。本文基于喷涂机器人离线编程技术,对涂层累积模型的建立、工件三维重建、喷涂轨迹优化等展开研究,具体如下:（1）建立了空气喷涂涂层累积模型:使用VOF（流体体积法）+DPM（离散相模型）耦合的方法对空气喷涂两相流场进行数值模拟,分析了不同扇面控制气体压力对气体流场和涂层厚度分布的影响规律,使用椭圆双β分布函数对涂层厚度进行拟合,建立了静态涂层累积模型,并通过实验验证了模型的可靠性。（2）研究了一种新的空气喷涂双喷嘴结构:在空气喷枪单喷嘴的基础上建立了双喷嘴三维物理模型,使用数值模拟的方法对双喷嘴两相流场进行了仿真计算,分析了两油漆孔间距L和轴线夹角θ对干涉气体流场和涂层厚度分布的影响规律,从而确定了最优的双喷嘴结构参数,通过仿真实验与单喷嘴喷涂效果进行比较,结果表明双喷嘴有效涂层宽度和涂层均匀性均优于单喷嘴。（3）提出了一种基于散斑结构光的半稠密点云获取算法:首先使用距离加权的二值化方法对散斑图像进行预处理,利用聚类算法计算散斑的中心像素坐标,将散斑简化为单个像素;然后使用卷积核函数的方法创建散斑二进制描述子,不仅简化了散斑描述子复杂度,而且提高了匹配率,使用计算汉明距离的方法进行散斑图像匹配,根据测量距离范围确定了搜索块大小,并从相似性约束和显著性约束两方面对匹配点对进行了筛选,根据激光散斑深度计算公式即可获得三维点云数据,最后搭建了结构光3D视觉传感器硬件平台,并进行了实验分析。（4）研制了一款融合结构光3D传感器和双目视觉的喷涂工件三维重建装置:针对现有标定方法中存在畸变参数和线性参数耦合的问题,采用先进行畸变校正然后求解摄像机线性参数的改进张氏标定方法,对于机器人双目视觉系统,提出了一种基于单目标点的摄像机内参数和机器人手眼关系同时求解的标定方法;另外使用基于ORB的多约束特征匹配方法,利用双目视觉原理计算特征点的三维坐标,然后根据获取的特征点计算相邻帧结构光点云之间的转换矩阵,完成点云拼接;最后搭建了融合结构光3D传感器和双目视觉的三维重建硬件平台,对喷涂工件进行了三维重建。（5）对平面、柱面以及平-柱组合曲面上的喷涂轨迹优化过程进行了研究,并提出了一种双层喷涂轨迹优化方法:首先根据平面涂层累积模型,建立了平面和柱面上动态涂层累积模型,以涂层均匀性为优化目标,使用遗传算法对平面、柱面以及平-柱组合曲面上喷涂轨迹进行了优化;对于需要较厚涂层或者涂层均匀性要求更严格的产品进行喷涂时,提出了一种双层喷涂轨迹优化方法,通过仿真实验表明了涂层均匀性优于单层喷涂;然后使用四元数法表示机器人末端姿态,对喷涂机器人进行了平滑轨迹规划,使喷涂轨迹转换为机器人运动轨迹;最后搭建喷涂机器人系统硬件平台,完成了喷涂实验。