基于分层全息数据的金属喷涂机器人运动控制研究

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基于分层全息数据的金属喷涂机器人运动控制研究摘要：本文介绍了一种用于汽车覆盖件模具快速制造的机器人的构成、特性及其运动控制技术。该机器人具有五个自由度，由模具三维CAD模型数据直接驱动，无需编程，可自动高效地完成金属喷涂和电刷镀两种作业。该机器人用于汽车新车型开发和样车试制，可以快速低成本地制造汽车覆盖件喷涂模具。
关键词：机器人，汽车覆盖件，金属喷涂，电刷镀，快速制模，运动控制
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前言

2 S: ]+ M; ^8 J  ^汽车车身由内覆盖件和外覆盖件组成，它与底盘和发动机共同构成了汽车的三大部件，是决定汽车产品市场竞争力的主要因素之一。为了快速、不断地推出新的车型，从而提高汽车制造企业自身的市场竞争力，目前国内外汽车新车型的开发大都是在“平台”（底盘、动力总成等）不变的基础上所进行的车身外形的重新设计，新车型的开发在某种程度上说也就是车身的设计开发[1]。

0 I5 f$ J7 M/ ]1 w! V3 u样车试制模具（又称覆盖件简易模具）的制造直接决定着新车型开发的成本和周期。但是，目前国内外覆盖件金属模具主流制造技术，如消失模铸造技术、大型精密数控铣、高速数控铣等，生产周期长，费用高，难以满足样车试制和小批量生产的要求。基于RP技术发展起来的快速模具（RT）制造技术具有柔性、快速和成本低的特点，其中金属喷涂制模方法对于大中型模具的制造在周期和成本方面具有很大的优势，并且模具工作表面具有较好的强度、硬度和耐磨性，但由于目前国内只能实现低熔点金属制造喷涂模具，涂层表面硬度相对较低，严重制约着金属喷涂制模方法的应用范围[2~5]。
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( W: K( S+ I1 ^4 D0 M针对这种情况，西安交通大学先进制造技术研究所提出了一种金属喷涂/电刷镀一体化制造大中型汽车覆盖件模具的快速制模技术并研制了相应的设备。金属喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密低熔点合金涂层，从而形成所需的模具型腔。电刷镀技术用于对模具工作表面刷镀强化涂层。金属喷涂/电刷镀一体化综合利用了金属喷涂沉积速度快和电刷镀表面涂层性能优良的特点。金属喷涂制模机器人是该技术的核心技术之一，它具有五个自由度，其运动控制无需编程由3D CAD模型数据直接驱动，利用它可以实现金属喷涂和电刷镀两种工艺的自动化作业和工艺优化。本文主要介绍该机器人的组成、特点和运动控制技术。
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; D( C- J/ E) U' L$ ^1 金属喷涂和电刷镀一体化快速制模工艺及设备
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电弧金属喷涂和电刷镀复合成型模具制造是一种复形法制模技术，它需要一个实物模型（或称为原型）作为母模。母模可以是快速原型或过渡模型、产品实物以及通过高速数控加工得到的非金属模型。电弧金属喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密金属涂层，从而形成所需的模具型腔，涂层材料为低熔点合金。在填充适当的背衬材料并脱模后，利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层，进而完成模具的快速制造。
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电弧金属喷涂技术属于热喷涂技术之一，与离子喷涂、火焰喷涂等其它热喷涂技术相比，具有设备投资少、工艺简单、生产效率高、节约能源、对基体热输出小、适用范围广等优点。由于电弧喷涂法所获得的涂层具有结合强度高、结构致密孔隙率低、表面硬度和耐磨性较高等优点，近年来，在模具制造中受到广泛重视。基于RP技术的电弧金属喷涂快速制模（RT）方法用于大中型模具制造，可以显著降低成本和缩短开发的周期。在喷涂用金属材料方面，高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲难以在母模表面附着成型，Zn或Zn-Al伪合金等低熔点金属喷涂制模效果好、工艺成熟，但涂层硬度相对较低，严重制约着喷涂模具的适用范围。
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2 i: e  p  C" c2 D, ?电刷镀技术是应用电化学沉积原理，在导电的工件表面的选定部位快速沉积指定厚度镀层的表面强化技术，其基本特点是阳极通过包裹材料（由棉花或化学纤维与包套组成）与工件表面接触、阳极和选定的工件局部表面以一定的速度相对运动、使用大的电流密度和镀层厚度可以进行精确控制等。通过在零部件的表面制备一层电刷镀层，可以极大地提高零部件表面的硬度、强度、耐磨、耐蚀和抗高温氧化等性能。电刷镀工艺能形成高硬度模具表面，但与电弧金属喷涂相比其沉积速度要低得多，难以满足快速性要求，另外电刷镀安全厚度一般小于1mm。
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因此，电弧金属喷涂和电刷镀一体化快速制模工艺综合利用了电弧金属喷涂和电刷镀两种工艺的优点，实现了两者在涂层厚度、涂层性能和沉积效率等方面的互补。
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电弧喷涂工艺参数主要包括：喷涂电压、电流、空气压力、喷涂距离、喷枪运动速度等；电刷镀工艺参数包括：刷镀电流、电刷镀笔相对运动速度、电刷镀液流速等。两种工艺中既有运动量参数也有非运动量参数，都需要通过实验实现参数优化。刷镀笔和喷枪在模具型面上的运动形式基本相同，工作中镀笔和喷枪的轴线需要与工作点所在曲面垂直。
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' o$ Q( l$ d4 ^' z! |目前电弧喷涂和电刷镀多为手工操作，一方面，当模具表面积过大时，电弧喷涂和电刷镀劳动强度太大，且工作环境恶劣，人工操作难以承受；另一方面，也不利于实现工艺参数优化，而且无法保证模具制作质量。因此，实现电弧喷涂和电刷镀工艺过程自动化，对于大中型模具制作非常重要，制造工艺过程自动化水平的高低直接影响模具制造质量和制造周期，也将直接影响到该技术的推广应用。

6 x4 U/ i; J: p/ [; f# E图1所示电弧金属喷涂和电刷镀一体化模具制造设备是由西安交通大学先进制造技术研究所研究开发的专门用于汽车覆盖件模具制造的装备，由计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂设备、电刷镀设备和和一台五自由度机器人等组成。设备接收到覆盖件模具三维CAD设计数据后，经设备上的计算机处理，无需编程就可以直接驱动机器人按优化的工艺轨迹运动，自动完成电刷镀和电弧喷涂两种作业，并且可以对电刷镀和电弧喷涂两种工艺的工艺参数实现控制。机器人在计算机的控制下，保证镀笔和喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直。刷镀笔和喷涂喷枪的转换通过装置上的适配器实现。该装置可制造的汽车覆盖件模具的最大尺寸为3500mm×2000mm×500mm。
% n( `9 k6 V6 L+ H6 ~2 金属喷涂机器人系统构成
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4 \# H- T# Z! b! {: _8 e2.1 金属喷涂机器人性能要求及构成
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金属喷涂机器人机械本体的结构如图2所示。图中标示了X、Y、Z三个自由度，其余两个转动自由度未标注，共5个自由度。各自由度位移参数分别为：
①X方向，运动范围3500mm；
2 }: q" h$ f) ?8 s: V, c0 E②Y方向，运动范围2000mm；
③Z方向，运动范围500mm；
④摆动运动，绕Y轴转动，以X正方向为初始方向，喷枪极限摆动范围±90°；
& l6 I9 q5 H' r* c3 W  b⑤转动运动，绕Z轴转动，以X正方向为初始方向，喷枪极限转动范围±90°。

X和Y两个方向的运动由交流伺服电机驱动，其余三个方向由步进电机驱动。

2.2 机器人运动控制系统的硬件构成
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机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统采用的是专用计算机加多单片机-多控制回路的封闭式体系结构。这种结构的控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在技术瓶颈。此外还存在制造和使用成本高，开发周期长，升级换代困难，无法添加系统的新功能等一系列缺点。因此，最终我们选择了具有开放式体系结构的运动控制器－－国产MCT8000F4运动控制卡。这种机器人控制系统的重要特点在于它采用通用个人计算机加DSP-多控制回路的开放式体系结构以及它的网络控制特性。
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MCT8000F4运动控制卡提供了16位PIO，32位DI和DO，6个ADC通道，4个DAC通道，可以同时控制4路伺服电机和4路步进电机，IO接口板还提供了光电隔离输入，可方便地用于限位开关、系统归零和其它信号的中断输入。
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9 A& L8 M2 r7 s  O1 r由MCT8000F4运动控制卡构成机器人的控制系统如图3所示。本系统采用PC总线的工业计算机作为硬件平台，处理机器人控制中的非实时任务，实时任务由MCT8000F4运动控制卡处理。
3 金属喷涂机器人运动控制技术
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3.1 基于STL模型分层处理的全息数据
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机器人可以自动完成喷涂和电刷镀两种作业，无论母模形状如何，都无需针对特定母模原型编写运动控制程序，完全由3D CAD模型数据直接驱动。其运动控制数据的获取通过对模具的STL模型分层处理得到，如图4所示。我们知道，传统的RP系统对STL模型分层处理后所得到层轮廓数据是一系列首尾相接的三维直线段，并不包含每一直线段的法向矢量，而且RP工艺也不需要每一直线段的法向矢量。但是金属喷涂和电刷镀工艺需要喷枪和镀笔在工作中始终与工作点所在曲面垂直，需要知道每一直线段的法向矢量，所以图4中的SLF格式文件是包含法矢的。我们把标准STL模型经分层处理后所获得的包含法矢的层轮廓数据称为“全息数据”。
我们所定义的SLF格式文件有ASCII和二进制两种表达方式。下面以ASCII格式文件为例说明全息数据的定义。在ASCII格式的SLF文件中，有10个关键词，它们用空格与其它项分开。它们是part、layersum、layerthk、layerbeg、layerend、layerpsn、nodesum、node、vector、endpart。ASCII格式的SLF文件结构如下：

+ U- |, q* O  w* _$ Jpart [PartName] (零件名)
layersum Layer_Sum （分层总数）
layerthk Layer_thickness (分层厚度)
. d2 {( a2 N9 |0 F6 @1 c2 `7 a( Blayerbeg layerpsn z (层z坐标)
nodesum node_sum （层节点总数）
- _+ O' e% J3 {# N! cnode x0, y0 （层轮廓线第0个节点的坐标）
… …
% O! I& w) b2 [( }, L" C$ g% unode x node_sum-1, y node_sum-1（层轮廓线的第node_sum-1个节点坐标x, y）
3 t) i: L: K. q8 Y: zvector nx0，ny0，nz0 (层轮廓线第0条线段法向量数据)
… …
* h) f( `1 _+ z  `* q) i/ @2 d- Uvector nx node_sum -1，ny node_sum -1，nz node_sum –1 (层轮廓线第node_sum -1条线段法向量数据)
layerend
… …
1 n1 }7 ]2 t+ X) z8 aendpart [PartName] (零件名)
# u/ g" p+ E  o# N+ b
8 D$ c/ f! b" O9 N. t. U3.2 机器人运动控制实现
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所采用MCT8000F4运动控制器提供的软件包括：运动控制卡的BIOS函数库（用户可直接操作MCT8000的所有I/O）、基本运动函数库（1－3维的运动插补和运动控制函数）、扩展运动函数库（机器人运动学模型和智能PLC代码翻译器等）和网际在线控制器（基于TCP/IP的点对点安全通讯协议）。利用MCT8000F4所提供的软件系统和图形化的开发平台，可以大大地缩短机器人控制系统的开发周期。机器人运动控制及工艺参数等非运动量参数的控制流程见图5所示。
6 P2 S. ?" e$ h* O1 `6 W图5中用于运动控制的全息数据是模具CAD模型在机器人坐标系中重定位后经分层获得的。模具CAD模型重定位指的是：由模具数据模型制作出实物原型，实物原型在装载到机器人工作平台后，通过实测得到母模原型在机器人坐标系中的位置，将此位置数据反馈给分层处理软件以确定模具的三维CAD数据模型在坐标系中的摆放位置，使得实物原型与数据模型在坐标系中具有相同的位置和方向。这样分层全息数据就可以直接用于机器人的运动控制。

4 结论

8 U9 C) i" M4 M5 L' [/ a金属喷涂机器人是汽车覆盖件模具快速制造系统中的核心设备，可以自动高效地完成金属喷涂和电刷镀两种工艺作业，为大中型喷涂模具的制作提供了方便和快捷的途径，并为优化工艺参数提供了实验的平台。

6 }% \& D+ h9 y3 A+ e, g/ J) i采用工业控制计算机加国产基于DSP处理器的运动控制器组成机器人的控制系统，不仅实现了机器人的运动控制，而且可以方便地完成工艺参数等非运动量的控制。
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采用对STL模型分层处理得到的全息数据控制机器人的运动，无论模型简单与否，都可以方便地得到全息数据，无需针对特定的模具模型编程。此外，还可以通过控制STL模型的生成来忽略模具型面的微小变化，有利于机器人的运动控制。