摘要：本文介紹了一種用于汽車覆蓋件模具快速制造的機(jī)器人的構(gòu)成、特性及其運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，由模具三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需編程，可自動(dòng)高效地完成金屬噴涂和電刷鍍兩種作業(yè)。該機(jī)器人用于汽車新車型開(kāi)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(jī)器人，汽車覆蓋件，金屬噴涂，電刷鍍，快速制模，運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)共同構(gòu)成了汽車的三大部件，是決定汽車產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，目前國(guó)內(nèi)外汽車新車型的開(kāi)發(fā)大都是在“平臺(tái)”（底盤、動(dòng)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(jì)，新車型的開(kāi)發(fā)在某種程度上說(shuō)也就是車身的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[1]。 樣車試制模具（又稱覆蓋件簡(jiǎn)易模具）的制造直接決定著新車型開(kāi)發(fā)的成本和周期。但是，目前國(guó)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(zhǎng)，費(fèi)用高，難以滿足樣車試制和小批量生產(chǎn)的要求?；赗P技術(shù)發(fā)展起來(lái)的快速模具（RT）制造技術(shù)具有柔性、快速和成本低的特點(diǎn)，其中金屬噴涂制模方法對(duì)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(shì)，并且模具工作表面具有較好的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但由于目前國(guó)內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)金屬制造噴涂模具，涂層表面硬度相對(duì)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(duì)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(qiáng)度的致密低熔點(diǎn)合金涂層，從而形成所需的模具型腔。電刷鍍技術(shù)用于對(duì)模具工作表面刷鍍強(qiáng)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(diǎn)。金屬噴涂制模機(jī)器人是該技術(shù)的核心技術(shù)之一，它具有五個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)控制無(wú)需編程由3D CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)，利用它可以實(shí)現(xiàn)金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝的自動(dòng)化作業(yè)和工藝優(yōu)化。本文主要介紹該機(jī)器人的組成、特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)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(gè)實(shí)物模型（或稱為原型）作為母模。母?？梢允强焖僭突蜻^(guò)渡模型、產(chǎn)品實(shí)物以及通過(guò)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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源、對(duì)基體熱輸出小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。由于電弧噴涂法所獲得的涂層具有結(jié)合強(qiáng)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(diǎn)，近年來(lái)，在模具制造中受到廣泛重視?；赗P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(kāi)發(fā)的周期。在噴涂用金屬材料方面，高熔點(diǎn)金屬由于冷卻收縮率大很容易開(kāi)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(diǎn)金屬噴涂制模效果好、工藝成熟，但涂層硬度相對(duì)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(qiáng)化技術(shù)，其基本特點(diǎn)是陽(yáng)極通過(guò)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(yáng)極和選定的工件局部表面以一定的速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)、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(guò)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(qiáng)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(diǎn)，實(shí)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(bǔ)。 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(yùn)動(dòng)速度等；電刷鍍工藝參數(shù)包括：刷鍍電流、電刷鍍筆相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、電刷鍍液流速等。兩種工藝中既有運(yùn)動(dòng)量參數(shù)也有非運(yùn)動(dòng)量參數(shù)，都需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。刷鍍筆和噴槍在模具型面上的運(yùn)動(dòng)形式基本相同，工作中鍍筆和噴槍的軸線需要與工作點(diǎn)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(guò)大時(shí)，電弧噴涂和電刷鍍勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，而且無(wú)法保證模具制作質(zhì)量。因此，實(shí)現(xiàn)電弧噴涂和電刷鍍工藝過(guò)程自動(dòng)化，對(duì)于大中型模具制作非常重要，制造工藝過(guò)程自動(dòng)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(kāi)發(fā)的專門用于汽車覆蓋件模具制造的裝備，由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)及工藝參數(shù)控制器、電弧噴涂設(shè)備、電刷鍍?cè)O(shè)備和和一臺(tái)五自由度機(jī)器人等組成。設(shè)備接收到覆蓋件模具三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，經(jīng)設(shè)備上的計(jì)算機(jī)處理，無(wú)需編程就可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按優(yōu)化的工藝軌跡運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)完成電刷鍍和電弧噴涂?jī)煞N作業(yè)，并且可以對(duì)電刷鍍和電弧噴涂?jī)煞N工藝的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制。機(jī)器人在計(jì)算機(jī)的控制下，保證鍍筆和噴槍的軸線始終與工作點(diǎn)所在曲面垂直。刷鍍筆和噴涂噴槍的轉(zhuǎn)換通過(guò)裝置上的適配器實(shí)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(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 金屬噴涂機(jī)器人性能要求及構(gòu)成 金屬噴涂機(jī)器人機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中標(biāo)示了X、Y、Z三個(gè)自由度，其余兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度未標(biāo)注，共5個(gè)自由度。各自由度位移參數(shù)分別為： ①X方向，運(yùn)動(dòng)范圍3500mm； ②Y方向，運(yùn)動(dòng)范圍2000mm； ③Z方向，運(yùn)動(dòng)范圍500mm； ④擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以X正方向?yàn)槌跏挤较颍瑖姌寴O限擺動(dòng)范圍±90°； ⑤轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以X正方向?yàn)槌跏挤较?，噴槍極限轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±90°。 X和Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余三個(gè)方向由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的是專用計(jì)算機(jī)加多單片機(jī)-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(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，升級(jí)換代困難，無(wú)法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點(diǎn)。因此，最終我們選擇了具有開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器－－國(guó)產(chǎn)MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制卡。這種機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要特點(diǎn)在于它采用通用個(gè)人計(jì)算機(jī)加DSP-多控制回路的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)以及它的網(wǎng)絡(luò)控制特性。 MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制卡提供了16位PIO，32位DI和DO，6個(gè)ADC通道，4個(gè)DAC通道，可以同時(shí)控制4路伺服電機(jī)和4路步進(jìn)電機(jī)，IO接口板還提供了光電隔離輸入，可方便地用于限位開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)歸零和其它信號(hào)的中斷輸入。 由MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成機(jī)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(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)，處理機(jī)器人控制中的非實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)時(shí)任務(wù)由MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制卡處理。 3 金屬噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) 3.1 基于STL模型分層處理的全息數(shù)據(jù) 機(jī)器人可以自動(dòng)完成噴涂和電刷鍍兩種作業(yè)，無(wú)論母模形狀如何，都無(wú)需針對(duì)特定母模原型編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制程序，完全由3D CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的獲取通過(guò)對(duì)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(duì)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(diǎn)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(shuō)明全息數(shù)據(jù)的定義。在ASCII格式的SLF文件中，有10個(gè)關(guān)鍵詞，它們用空格與其它項(xiàng)分開(kāi)。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(diǎn)總數(shù)） node x0, y0 （層輪廓線第0個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)） … … node x node_sum-1, y node_sum-1（層輪廓線的第node_sum-1個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn) 所采用MCT8000F4運(yùn)動(dòng)控制器提供的軟件包括：運(yùn)動(dòng)控制卡的BIOS函數(shù)庫(kù)（用戶可直接操作MCT8000的所有I/O）、基本運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)（1－3維的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)）、擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)（機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以大大地縮短機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及工藝參數(shù)等非運(yùn)動(dòng)量參數(shù)的控制流程見(jiàn)圖5所示。 圖5中用于運(yùn)動(dòng)控制的全息數(shù)據(jù)是模具CAD模型在機(jī)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(shí)物原型，實(shí)物原型在裝載到機(jī)器人工作平臺(tái)后，通過(guò)實(shí)測(cè)得到母模原型在機(jī)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(shí)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。 4 結(jié)論 金屬噴涂機(jī)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(dòng)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(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加國(guó)產(chǎn)基于DSP處理器的運(yùn)動(dòng)控制器組成機(jī)器人的控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，而且可以方便地完成工藝參數(shù)等非運(yùn)動(dòng)量的控制。 采用對(duì)STL模型分層處理得到的全息數(shù)據(jù)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，無(wú)論模型簡(jiǎn)單與否，都可以方便地得到全息數(shù)據(jù)，無(wú)需針對(duì)特定的模具模型編程。此外，還可以通過(guò)控制STL模型的生成來(lái)忽略模具型面的微小變化，有利于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。 參考文獻(xiàn) [1] 周永泰.模具行業(yè)“十五”期間市場(chǎng)預(yù)測(cè)[J].模具工業(yè)，2000，（1）：3～6. 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