摘要：本文介紹了一種用于汽車覆蓋件模具快速制造的機器人的構(gòu)成、特性及其運動控制技術(shù)。該機器人具有五個自由度，由模具三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，無需編程，可自動高效地完成金屬噴涂和電刷鍍兩種作業(yè)。該機器人用于汽車新車型開發(fā)和樣車試制，可以快速低成本地制造汽車覆蓋件噴涂模具。 關(guān)鍵詞：機器人，汽車覆蓋件，金屬噴涂，電刷鍍，快速制模，運動控制 前言 汽車車身由內(nèi)覆蓋件和外覆蓋件組成，它與底盤和發(fā)動機共同構(gòu)成了汽車的三大部件，是決定汽車產(chǎn)品市場競爭力的主要因素之一。為了快速、不斷地推出新的車型，從而提高汽車制造企業(yè)自身的市場競爭力，目前國內(nèi)外汽車新車型的開發(fā)大都是在“平臺”（底盤、動力總成等）不變的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的車身外形的重新設(shè)計，新車型的開發(fā)在某種程度上說也就是車身的設(shè)計開發(fā)[1]。 樣車試制模具（又稱覆蓋件簡易模具）的制造直接決定著新車型開發(fā)的成本和周期。但是，目前國內(nèi)外覆蓋件金屬模具主流制造技術(shù)，如消失模鑄造技術(shù)、大型精密數(shù)控銑、高速數(shù)控銑等，生產(chǎn)周期長，費用高，難以滿足樣車試制和小批量生產(chǎn)的要求。基于RP技術(shù)發(fā)展起來的快速模具（RT）制造技術(shù)具有柔性、快速和成本低的特點，其中金屬噴涂制模方法對于大中型模具的制造在周期和成本方面具有很大的優(yōu)勢，并且模具工作表面具有較好的強度、硬度和耐磨性，但由于目前國內(nèi)只能實現(xiàn)低熔點金屬制造噴涂模具，涂層表面硬度相對較低，嚴(yán)重制約著金屬噴涂制模方法的應(yīng)用范圍[2～5]。 針對這種情況，西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所提出了一種金屬噴涂/電刷鍍一體化制造大中型汽車覆蓋件模具的快速制模技術(shù)并研制了相應(yīng)的設(shè)備。金屬噴涂技術(shù)用于在母模表面噴涂具有一定厚度和強度的致密低熔點合金涂層，從而形成所需的模具型腔。電刷鍍技術(shù)用于對模具工作表面刷鍍強化涂層。金屬噴涂/電刷鍍一體化綜合利用了金屬噴涂沉積速度快和電刷鍍表面涂層性能優(yōu)良的特點。金屬噴涂制模機器人是該技術(shù)的核心技術(shù)之一，它具有五個自由度，其運動控制無需編程由3D CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，利用它可以實現(xiàn)金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝的自動化作業(yè)和工藝優(yōu)化。本文主要介紹該機器人的組成、特點和運動控制技術(shù)。 1 金屬噴涂和電刷鍍一體化快速制模工藝及設(shè)備 電弧金屬噴涂和電刷鍍復(fù)合成型模具制造是一種復(fù)形法制模技術(shù)，它需要一個實物模型（或稱為原型）作為母模。母?？梢允强焖僭突蜻^渡模型、產(chǎn)品實物以及通過高速數(shù)控加工得到的非金屬模型。電弧金屬噴涂技術(shù)用于在母模表面噴涂具有一定厚度和強度的致密金屬涂層，從而形成所需的模具型腔，涂層材料為低熔點合金。在填充適當(dāng)?shù)谋骋r材料并脫模后，利用電刷鍍技術(shù)在模具工作表面刷鍍強化涂層，進(jìn)而完成模具的快速制造。 電弧金屬噴涂技術(shù)屬于熱噴涂技術(shù)之一，與離子噴涂、火焰噴涂等其它熱噴涂技術(shù)相比，具有設(shè)備投資少、工藝簡單、生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、對基體熱輸出小、適用范圍廣等優(yōu)點。由于電弧噴涂法所獲得的涂層具有結(jié)合強度高、結(jié)構(gòu)致密孔隙率低、表面硬度和耐磨性較高等優(yōu)點，近年來，在模具制造中受到廣泛重視。基于RP技術(shù)的電弧金屬噴涂快速制模（RT）方法用于大中型模具制造，可以顯著降低成本和縮短開發(fā)的周期。在噴涂用金屬材料方面，高熔點金屬由于冷卻收縮率大很容易開裂、卷曲難以在母模表面附著成型，Zn或Zn-Al偽合金等低熔點金屬噴涂制模效果好、工藝成熟，但涂層硬度相對較低，嚴(yán)重制約著噴涂模具的適用范圍。 電刷鍍技術(shù)是應(yīng)用電化學(xué)沉積原理，在導(dǎo)電的工件表面的選定部位快速沉積指定厚度鍍層的表面強化技術(shù)，其基本特點是陽極通過包裹材料（由棉花或化學(xué)纖維與包套組成）與工件表面接觸、陽極和選定的工件局部表面以一定的速度相對運動、使用大的電流密度和鍍層厚度可以進(jìn)行精確控制等。通過在零部件的表面制備一層電刷鍍層，可以極大地提高零部件表面的硬度、強度、耐磨、耐蝕和抗高溫氧化等性能。電刷鍍工藝能形成高硬度模具表面，但與電弧金屬噴涂相比其沉積速度要低得多，難以滿足快速性要求，另外電刷鍍安全厚度一般小于1mm。 因此，電弧金屬噴涂和電刷鍍一體化快速制模工藝綜合利用了電弧金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝的優(yōu)點，實現(xiàn)了兩者在涂層厚度、涂層性能和沉積效率等方面的互補。 電弧噴涂工藝參數(shù)主要包括：噴涂電壓、電流、空氣壓力、噴涂距離、噴槍運動速度等；電刷鍍工藝參數(shù)包括：刷鍍電流、電刷鍍筆相對運動速度、電刷鍍液流速等。兩種工藝中既有運動量參數(shù)也有非運動量參數(shù)，都需要通過實驗實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。刷鍍筆和噴槍在模具型面上的運動形式基本相同，工作中鍍筆和噴槍的軸線需要與工作點所在曲面垂直。 目前電弧噴涂和電刷鍍多為手工操作，一方面，當(dāng)模具表面積過大時，電弧噴涂和電刷鍍勞動強度太大，且工作環(huán)境惡劣，人工操作難以承受；另一方面，也不利于實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，而且無法保證模具制作質(zhì)量。因此，實現(xiàn)電弧噴涂和電刷鍍工藝過程自動化，對于大中型模具制作非常重要，制造工藝過程自動化水平的高低直接影響模具制造質(zhì)量和制造周期，也將直接影響到該技術(shù)的推廣應(yīng)用。 圖1所示電弧金屬噴涂和電刷鍍一體化模具制造設(shè)備是由西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所研究開發(fā)的專門用于汽車覆蓋件模具制造的裝備，由計算機、運動及工藝參數(shù)控制器、電弧噴涂設(shè)備、電刷鍍設(shè)備和和一臺五自由度機器人等組成。設(shè)備接收到覆蓋件模具三維CAD設(shè)計數(shù)據(jù)后，經(jīng)設(shè)備上的計算機處理，無需編程就可以直接驅(qū)動機器人按優(yōu)化的工藝軌跡運動，自動完成電刷鍍和電弧噴涂兩種作業(yè)，并且可以對電刷鍍和電弧噴涂兩種工藝的工藝參數(shù)實現(xiàn)控制。機器人在計算機的控制下，保證鍍筆和噴槍的軸線始終與工作點所在曲面垂直。刷鍍筆和噴涂噴槍的轉(zhuǎn)換通過裝置上的適配器實現(xiàn)。該裝置可制造的汽車覆蓋件模具的最大尺寸為3500mm×2000mm×500mm。 2 金屬噴涂機器人系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 金屬噴涂機器人性能要求及構(gòu)成 金屬噴涂機器人機械本體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中標(biāo)示了X、Y、Z三個自由度，其余兩個轉(zhuǎn)動自由度未標(biāo)注，共5個自由度。各自由度位移參數(shù)分別為： ①X方向，運動范圍3500mm； ②Y方向，運動范圍2000mm； ③Z方向，運動范圍500mm； ④擺動運動，繞Y軸轉(zhuǎn)動，以X正方向為初始方向，噴槍極限擺動范圍±90°； ⑤轉(zhuǎn)動運動，繞Z軸轉(zhuǎn)動，以X正方向為初始方向，噴槍極限轉(zhuǎn)動范圍±90°。 X和Y兩個方向的運動由交流伺服電機驅(qū)動，其余三個方向由步進(jìn)電機驅(qū)動。 2.2 機器人運動控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 機器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)采用的是專用計算機加多單片機-多控制回路的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器在高速、高精度和多軸同步運動控制等方面存在技術(shù)瓶頸。此外還存在制造和使用成本高，開發(fā)周期長，升級換代困難，無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點。因此，最終我們選擇了具有開放式體系結(jié)構(gòu)的運動控制器－－國產(chǎn)MCT8000F4運動控制卡。這種機器人控制系統(tǒng)的重要特點在于它采用通用個人計算機加DSP-多控制回路的開放式體系結(jié)構(gòu)以及它的網(wǎng)絡(luò)控制特性。 MCT8000F4運動控制卡提供了16位PIO，32位DI和DO，6個ADC通道，4個DAC通道，可以同時控制4路伺服電機和4路步進(jìn)電機，IO接口板還提供了光電隔離輸入，可方便地用于限位開關(guān)、系統(tǒng)歸零和其它信號的中斷輸入。 由MCT8000F4運動控制卡構(gòu)成機器人的控制系統(tǒng)如圖3所示。本系統(tǒng)采用PC總線的工業(yè)計算機作為硬件平臺，處理機器人控制中的非實時任務(wù)，實時任務(wù)由MCT8000F4運動控制卡處理。 3 金屬噴涂機器人運動控制技術(shù) 3.1 基于STL模型分層處理的全息數(shù)據(jù) 機器人可以自動完成噴涂和電刷鍍兩種作業(yè)，無論母模形狀如何，都無需針對特定母模原型編寫運動控制程序，完全由3D CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動。其運動控制數(shù)據(jù)的獲取通過對模具的STL模型分層處理得到，如圖4所示。我們知道，傳統(tǒng)的RP系統(tǒng)對STL模型分層處理后所得到層輪廓數(shù)據(jù)是一系列首尾相接的三維直線段，并不包含每一直線段的法向矢量，而且RP工藝也不需要每一直線段的法向矢量。但是金屬噴涂和電刷鍍工藝需要噴槍和鍍筆在工作中始終與工作點所在曲面垂直，需要知道每一直線段的法向矢量，所以圖4中的SLF格式文件是包含法矢的。我們把標(biāo)準(zhǔn)STL模型經(jīng)分層處理后所獲得的包含法矢的層輪廓數(shù)據(jù)稱為“全息數(shù)據(jù)”。 我們所定義的SLF格式文件有ASCII和二進(jìn)制兩種表達(dá)方式。下面以ASCII格式文件為例說明全息數(shù)據(jù)的定義。在ASCII格式的SLF文件中，有10個關(guān)鍵詞，它們用空格與其它項分開。它們是part、layersum、layerthk、layerbeg、layerend、layerpsn、nodesum、node、vector、endpart。ASCII格式的SLF文件結(jié)構(gòu)如下： part [PartName] （零件名） layersum Layer_Sum （分層總數(shù)） layerthk Layer_thickness （分層厚度） layerbeg layerpsn z （層z坐標(biāo)） nodesum node_sum （層節(jié)點總數(shù)） node x0, y0 （層輪廓線第0個節(jié)點的坐標(biāo)） … … node x node_sum-1, y node_sum-1（層輪廓線的第node_sum-1個節(jié)點坐標(biāo)x, y） vector nx0，ny0，nz0 （層輪廓線第0條線段法向量數(shù)據(jù)） … … vector nx node_sum -1，ny node_sum -1，nz node_sum –1 （層輪廓線第node_sum -1條線段法向量數(shù)據(jù)） layerend … … endpart [PartName] （零件名） 3.2 機器人運動控制實現(xiàn) 所采用MCT8000F4運動控制器提供的軟件包括：運動控制卡的BIOS函數(shù)庫（用戶可直接操作MCT8000的所有I/O）、基本運動函數(shù)庫（1－3維的運動插補和運動控制函數(shù)）、擴(kuò)展運動函數(shù)庫（機器人運動學(xué)模型和智能PLC代碼翻譯器等）和網(wǎng)際在線控制器（基于TCP/IP的點對點安全通訊協(xié)議）。利用MCT8000F4所提供的軟件系統(tǒng)和圖形化的開發(fā)平臺，可以大大地縮短機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。機器人運動控制及工藝參數(shù)等非運動量參數(shù)的控制流程見圖5所示。 圖5中用于運動控制的全息數(shù)據(jù)是模具CAD模型在機器人坐標(biāo)系中重定位后經(jīng)分層獲得的。模具CAD模型重定位指的是：由模具數(shù)據(jù)模型制作出實物原型，實物原型在裝載到機器人工作平臺后，通過實測得到母模原型在機器人坐標(biāo)系中的位置，將此位置數(shù)據(jù)反饋給分層處理軟件以確定模具的三維CAD數(shù)據(jù)模型在坐標(biāo)系中的擺放位置，使得實物原型與數(shù)據(jù)模型在坐標(biāo)系中具有相同的位置和方向。這樣分層全息數(shù)據(jù)就可以直接用于機器人的運動控制。 4 結(jié)論 金屬噴涂機器人是汽車覆蓋件模具快速制造系統(tǒng)中的核心設(shè)備，可以自動高效地完成金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝作業(yè)，為大中型噴涂模具的制作提供了方便和快捷的途徑，并為優(yōu)化工藝參數(shù)提供了實驗的平臺。 采用工業(yè)控制計算機加國產(chǎn)基于DSP處理器的運動控制器組成機器人的控制系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了機器人的運動控制，而且可以方便地完成工藝參數(shù)等非運動量的控制。 采用對STL模型分層處理得到的全息數(shù)據(jù)控制機器人的運動，無論模型簡單與否，都可以方便地得到全息數(shù)據(jù)，無需針對特定的模具模型編程。此外，還可以通過控制STL模型的生成來忽略模具型面的微小變化，有利于機器人的運動控制。 參考文獻(xiàn) [1] 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