基于分層全息數據的金屬噴涂機器人運動控制研究
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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成、特性及其運動控制技術。該機器人具有五個自由度，由模具三維CAD模型數據直接驅動，無需編程，可自動高效地完成金屬噴涂和電刷鍍兩種作業。該機器人用于汽車新車型開發和樣車試制，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

汽車車身由內覆蓋件和外覆蓋件組成，它與底盤和發動機共同構成了汽車的三大部件，是決定汽車產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自身的市場競爭力，目前國內外汽車新車型的開發大都是在“平臺”（底盤、動力總成等）不變的基礎上所進行的車身外形的重新設計，新車型的開發在某種程度上說也就是車身的設計開發[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的成本和周期。但是，目前國內外覆蓋件金屬模具主流制造技術，如消失模鑄造技術、大型精密數控銑、高速數控銑等，生產周期長，費用高，難以滿足樣車試制和小批量生產的要求。基于RP技術發展起來的快速模具（RT）制造技術具有柔性、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，但由于目前國內只能實現低熔點金屬制造噴涂模具，涂層表面硬度相對較低，嚴重制約著金屬噴涂制模方法的應用范圍[2~5]。

針對這種情況，西安交通大學先進制造技術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并研制了相應的設備。金屬噴涂技術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良的特點。金屬噴涂制模機器人是該技術的核心技術之一，它具有五個自由度，其運動控制無需編程由3D CAD模型數據直接驅動，利用它可以實現金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝的自動化作業和工藝優化。本文主要介紹該機器人的組成、特點和運動控制技術。

1 金屬噴涂和電刷鍍一體化快速制模工藝及設備

電弧金屬噴涂和電刷鍍復合成型模具制造是一種復形法制模技術，它需要一個實物模型（或稱為原型）作為母模。母模可以是快速原型或過渡模型、產品實物以及通過高速數控加工得到的非金屬模型。電弧金屬噴涂技術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。在填充適當的背襯材料并脫模后，利用電刷鍍技術在模具工作表面刷鍍強化涂層，進而完成模具的快速制造。

電弧金屬噴涂技術屬于熱噴涂技術之一，與離子噴涂、火焰噴涂等其它熱噴涂技術相比，具有設備投資少、工藝簡單、生產效率高、節約能源、對基體熱輸出小、適用范圍廣等優點。由于電弧噴涂法所獲得的涂層具有結合強度高、結構致密孔隙率低、表面硬度和耐磨性較高等優點，近年來，在模具制造中受到廣泛重視。基于RP技術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，嚴重制約著噴涂模具的適用范圍。

電刷鍍技術是應用電化學沉積原理，在導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，其基本特點是陽極通過包裹材料（由棉花或化學纖維與包套組成）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點，實現了兩者在涂層厚度、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也有非運動量參數，都需要通過實驗實現參數優化。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，且工作環境惡劣，人工操作難以承受；另一方面，也不利于實現工藝參數優化，而且無法保證模具制作質量。因此，實現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量和制造周期，也將直接影響到該技術的推廣應用。

圖1所示電弧金屬噴涂和電刷鍍一體化模具制造設備是由西安交通大學先進制造技術研究所研究開發的專門用于汽車覆蓋件模具制造的裝備，由計算機、運動及工藝參數控制器、電弧噴涂設備、電刷鍍設備和和一臺五自由度機器人等組成。設備接收到覆蓋件模具三維CAD設計數據后，經設備上的計算機處理，無需編程就可以直接驅動機器人按優化的工藝軌跡運動，自動完成電刷鍍和電弧噴涂兩種作業，并且可以對電刷鍍和電弧噴涂兩種工藝的工藝參數實現控制。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換通過裝置上的適配器實現。該裝置可制造的汽車覆蓋件模具的最大尺寸為3500mm×2000mm×500mm。