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。 2 金屬噴涂機器人系統構成 2.1 金屬噴涂機器人性能要求及構成 金屬噴涂機器人機械本體的結構如圖2所示。圖中標示了X、Y、Z三個自由度，其余兩個轉動自由度未標注，共5個自由度。各自由度位移參數分別為： 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軸轉動，以X正方向為初始方向，噴槍極限擺動范圍±90°； ⑤轉動運動，繞Z軸轉動，以X正方向為初始方向，噴槍極限轉動范圍±90°。 X和Y兩個方向的運動由交流伺服電機驅動，其余三個方向由步進電機驅動。 2.2 機器人運動控制系統的硬件構成 機器人控制系統是一種典型的多軸實時運動控制系統。傳統的機器人控制系統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構。這種結構的控制器在高速、高精度和多軸同步運動控制等方面存在技術瓶頸。此外還存在制造和使用成本高，開發周期長，升級換代困難，無法添加系統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構的運動控制器－－國產MCT8000F4運動控制卡。這種機器人控制系統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構以及它的網絡控制特性。 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、系統歸零和其它信號的中斷輸入。 由MCT8000F4運動控制卡構成機器人的控制系統如圖3所示。本系統采用PC總線的工業計算機作為硬件平臺，處理機器人控制中的非實時任務，實時任務由MCT8000F4運動控制卡處理。 3 金屬噴涂機器人運動控制技術 3.1 基于STL模型分層處理的全息數據 機器人可以自動完成噴涂和電刷鍍兩種作業，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模型數據直接驅動。其運動控制數據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，傳統的RP系統對STL模型分層處理后所得到層輪廓數據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。我們把標準STL模型經分層處理后所獲得的包含法矢的層輪廓數據稱為“全息數據”。 我們所定義的SLF格式文件有ASCII和二進制兩種表達方式。下面以ASCII格式文件為例說明全息數據的定義。在ASCII格式的SLF文件中，有10個關鍵詞，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文件結構如下： part [PartName] （零件名） layersum Layer_Sum （分層總數） layerthk Layer_thickness （分層厚度） layerbeg layerpsn z （層z坐標） nodesum node_sum （層節點總數） node x0, y0 （層輪廓線第0個節點的坐標） … … node x node_sum-1, y node_sum-1（層輪廓線的第node_sum-1個節點坐標x, y） vector nx0，ny0，nz0 （層輪廓線第0條線段法向量數據） … … vector nx node_sum -1，ny node_sum -1，nz node_sum –1 （層輪廓線第node_sum -1條線段法向量數據） layerend … … endpart [PartName] （零件名） 3.2 機器人運動控制實現 所采用MCT8000F4運動控制器提供的軟件包括：運動控制卡的BIOS函數庫（用戶可直接操作MCT8000的所有I/O）、基本運動函數庫（1－3維的運動插補和運動控制函數）、擴展運動函數庫（機器人運動學模型和智能PLC代碼翻譯器等）和網際在線控制器（基于TCP/IP的點對點安全通訊協議）。利用MCT8000F4所提供的軟件系統和圖形化的開發平臺，可以大大地縮短機器人控制系統的開發周期。機器人運動控制及工藝參數等非運動量參數的控制流程見圖5所示。 圖5中用于運動控制的全息數據是模具CAD模型在機器人坐標系中重定位后經分層獲得的。模具CAD模型重定位指的是：由模具數據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系中的位置，將此位置數據反饋給分層處理軟件以確定模具的三維CAD數據模型在坐標系中的擺放位置，使得實物原型與數據模型在坐標系中具有相同的位置和方向。這樣分層全息數據就可以直接用于機器人的運動控制。 4 結論 金屬噴涂機器人是汽車覆蓋件模具快速制造系統中的核心設備，可以自動高效地完成金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝作業，為大中型噴涂模具的制作提供了方便和快捷的途徑，并為優化工藝參數提供了實驗的平臺。 采用工業控制計算機加國產基于DSP處理器的運動控制器組成機器人的控制系統，不僅實現了機器人的運動控制，而且可以方便地完成工藝參數等非運動量的控制。 采用對STL模型分層處理得到的全息數據控制機器人的運動，無論模型簡單與否，都可以方便地得到全息數據，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 [1] 周永泰.模具行業“十五”期間市場預測[J].模具工業，2000，（1）：3～6. [2] Margaret BVS. Rapid tooling——another better idea from Ford[J]. Forming & Fabricating, 2002，9（5）：29～34. [3] Takeo Nakagawa. Advances in prototype and low volume sheet forming and tooling [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000，98（2）：244～250. [4] 朱東波. 基于RP技術的板料成形模具快速制造系統研究[D].西安：西安交通大學機械工程學院，2001. [5] Cheah C.M., Chua C.K., Lee C.W. et al. Rapid Sheet Metal Manufacturing. Part 1: Indirect Papid Tooling [J]. Advanced Manufacturing Technology,2002,19：411～417.