電弧噴涂機(jī)器人在機(jī)械再制造中的應(yīng)用

引 言

　　裝備再制造工程是節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，舊裝備升級(jí)改造和為新裝備積累經(jīng)驗(yàn)的有效途徑，是維修工程、表面工程的繼承、發(fā)展和深化，也是其理論化和系統(tǒng)化，是創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)、建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)途徑。

　　由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)空前殘酷，裝備毀傷日益嚴(yán)重，精確保障迫在眉睫，同時(shí)，由于現(xiàn)代武器裝備的復(fù)雜性、高質(zhì)量、多品種、小批量、周期要求短、修復(fù)難度大，傳統(tǒng)的批量生產(chǎn)技術(shù)在再制造產(chǎn)品的質(zhì)量、效率、精度以及在降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少環(huán)境污染等方面已無(wú)法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需要，因此，發(fā)展自動(dòng)化、柔性化與智能化的快速制造技術(shù)已成為擺在各國(guó)軍方面前的重要課題。采用自動(dòng)化、柔性化與智能化的快速生產(chǎn)技術(shù)還可以減少庫(kù)存積壓，降低保障開支，提高保障水平，對(duì)于航海，陸、空、天等遠(yuǎn)距離以及高溫、劇毒等惡劣環(huán)境下的零件快速修復(fù)和精確保障也具有重要的戰(zhàn)略意義和軍事意義。同時(shí)，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)中，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，采用該技術(shù)可以大幅提高企業(yè)制造小批量、多品種產(chǎn)品的靈活性，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)應(yīng)變力，因此發(fā)展自動(dòng)化、柔性化與智能化快速生產(chǎn)技術(shù)在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都具有廣闊的研究、開發(fā)、應(yīng)用前景，基于再制造的機(jī)器人電弧噴涂柔性快速成型技術(shù)就是其中內(nèi)容之一。

　　基于再制造的機(jī)器人電弧噴涂柔性快速成型技術(shù)是指在機(jī)器人操作控制下，由CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)，采用電弧噴涂的方法快速制造任意形狀的裝備零件實(shí)體（主要指薄壁零件）的技術(shù)，是機(jī)械工程、CAD、自動(dòng)控制、電弧噴涂、材料能多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它是自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確的將設(shè)計(jì)思想化為具有一定功能的原型或直接制造出零件的技術(shù)。

　　本文初步探討了機(jī)器人電弧噴涂柔性快速成型技術(shù)的組成、特點(diǎn)、工作過(guò)程以及路徑規(guī)劃方法，并對(duì)該技術(shù)今后的發(fā)展作了展望。

1 系統(tǒng)組成

　　機(jī)器人電弧噴涂柔性系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體及控制器、電弧噴涂設(shè)備、變位機(jī)、周邊裝置和控制系統(tǒng)組成。

　　用于噴涂成型的工業(yè)機(jī)器人基本上都屬于六軸式關(guān)節(jié)機(jī)器人，有效載荷一般為6kg或16kg，其中下面3 個(gè)軸（手臂）的運(yùn)動(dòng)是把噴槍送到不同的空間位置，上面3個(gè)軸（手腕）是解決噴槍的姿態(tài)問(wèn)題，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)特性好，負(fù)載能力強(qiáng)，故障率低，各軸運(yùn)動(dòng)的加（減）速度也很快，機(jī)器人控制器是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它有計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路組成，軟件包括控制器系統(tǒng)軟件，機(jī)器人語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)軟件，機(jī)器人控制軟件，機(jī)器人仿真軟件，機(jī)器人自診斷和子保護(hù)軟件，控制器負(fù)責(zé)機(jī)器人工作過(guò)程中的全部信息和控制機(jī)器人的全部動(dòng)作。

　　電弧噴涂設(shè)備一般包括噴槍、噴涂電源、送絲機(jī)構(gòu)以及附屬機(jī)構(gòu)組成。為保證機(jī)器人控制器能夠?qū)�噴涂參�?shù)進(jìn)行控制和編程，機(jī)器人與噴涂設(shè)備之間接口協(xié)議必須一致。

　　變位機(jī)主要是在噴涂過(guò)程中與機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，處于適當(dāng)位置，以便獲得成型質(zhì)量較好的零件。

　　周邊裝置主要包括工件夾具和安全防碰撞裝置等。

　　控制系統(tǒng)采用以系列可編程控制器為核心的I/O 高速總線控制，主要有控制箱、示教器等組成，示教器裝有可編程終端（觸摸屏），能完成所有操作、提供各種指示以及參數(shù)的輸入，特別是調(diào)整夾具或操作程序時(shí)，不需更換硬件，通過(guò)可編程觸摸終端即可方便的實(shí)現(xiàn)。

2 技術(shù)特點(diǎn)

(1) 高速度、高柔性和技術(shù)高密集實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化；
(2) 自由成型制造，不受零件復(fù)雜程度的限制，實(shí)現(xiàn)噴涂零件的柔性化生產(chǎn)；
(3) 無(wú)需傳統(tǒng)刀具、夾具及模具，保持了噴涂參數(shù)的穩(wěn)定性，提高了零件成型的一致性；
(4) 生產(chǎn)周期短，市場(chǎng)響應(yīng)快，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；
(5) 生產(chǎn)成本低，零件質(zhì)量高，成本僅為傳統(tǒng)加工的1/3 1/5，經(jīng)濟(jì)效益突出，節(jié)材，節(jié)能，環(huán)保，符合綠色生產(chǎn)理念；
(6) 可實(shí)現(xiàn)武器裝備零部件的備品零庫(kù)存和戰(zhàn)場(chǎng)的快速精確保障，軍事意義顯著。

3 工作過(guò)程

　　機(jī)器人電弧噴涂柔性快速成型制造技術(shù)與傳統(tǒng)的受迫成形(如鍛造成形)和去除成形(如切削加工)不同,是一種基于離散-堆積的成形過(guò)程。首先，借助三維CAD或用反求工程采集得到有關(guān)零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，從而獲得目標(biāo)原型的概念，并以此建立數(shù)字化描述模型。之后，將這些信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)逐點(diǎn)、逐面進(jìn)行材料的“三維堆砌”成型，再經(jīng)過(guò)必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其一般工作過(guò)程是：1）建立三維CAD數(shù)據(jù)模型；2）離散化處理；3）層面信息處理；4）確定粉體材料，采用電弧噴涂工藝，層面加工；5）原型或零件的噴涂堆砌制造；6）原型或零件的后處理。

4 路徑規(guī)劃方法

　　機(jī)器人軌跡規(guī)劃是使機(jī)器人在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，按一定的速度及加速度，從初始狀態(tài)移動(dòng)到某個(gè)規(guī)定的目標(biāo)狀態(tài)。其路徑規(guī)劃方法主要有直角坐標(biāo)空間法和關(guān)節(jié)空間法兩種。關(guān)節(jié)空間法優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，效率高，僅受關(guān)節(jié)速度及加速度的限制，不會(huì)發(fā)生機(jī)構(gòu)的奇異性問(wèn)題，特別適合機(jī)器人末端執(zhí)行器離開物體不要求規(guī)定路徑的、進(jìn)入空行程大范圍內(nèi)快速移動(dòng)的軌跡段，該方法的缺點(diǎn)是機(jī)器人在未執(zhí)行末端執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前，難以形象末端執(zhí)行器在空間的真實(shí)軌跡，特別是在機(jī)器人工作空間內(nèi)有障礙的情況下，容易發(fā)生危險(xiǎn)。直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)是分段點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)能很好的確定，非常適合已定義的函數(shù)軌跡，缺點(diǎn)是不僅要進(jìn)行空間插補(bǔ)，又要轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)，且難以估計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間、關(guān)節(jié)速度以及加速度達(dá)到的極限。

4.1 直角坐標(biāo)空間法

　　在電弧噴涂快速成形過(guò)程中，不僅要求機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)準(zhǔn)確定位，而且要求運(yùn)動(dòng)軌跡具有一定的精度即要求對(duì)手臂進(jìn)行連續(xù)軌跡(Continuous Path)控制。為保證可靠的抓取與卸除噴槍，要求有一準(zhǔn)備動(dòng)作，因此需要增加逼近與脫離兩個(gè)位姿。同時(shí)為避免多余的抖動(dòng)與停頓，常常也要求執(zhí)行器在經(jīng)過(guò)這些空間點(diǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的。

　　CP 運(yùn)動(dòng)方式有空間直線運(yùn)動(dòng)、空間圓弧運(yùn)動(dòng)及空間橢圓運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式。

(1) 空間直線運(yùn)動(dòng)

　　此時(shí)機(jī)器人只需在運(yùn)動(dòng)中完成一條空間直線軌跡，其軌跡控制采用在直角坐標(biāo)空間里的直線插補(bǔ)方式。只要給出直角坐標(biāo)空間內(nèi)軌跡起點(diǎn)和終點(diǎn)的位姿信息，即可計(jì)算出由兩點(diǎn)所確定的直線段上的一系列點(diǎn)的位姿信息。這一系列點(diǎn)的位姿經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，即可求得各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)點(diǎn)所需要的關(guān)節(jié)角度。

(2) 空間圓弧運(yùn)動(dòng)

　　三維空間軌跡除了簡(jiǎn)單的直線、圓弧、橢圓，還包括拋物線、雙曲線、螺旋線等復(fù)雜的曲線。設(shè)機(jī)器人由起始點(diǎn)位姿T06經(jīng)過(guò)中間某一點(diǎn)T16后到達(dá)終止點(diǎn)T26在固定坐標(biāo)系X、Y、Z 方向上起始點(diǎn)位置為p*0=(p*0x，p*0y，p*0z)T，姿態(tài)角為α0、β0、γ0 中間點(diǎn)的位置為 p*1=(p*1x，p*1y，p*1z)T，姿態(tài)角為α1、β1、γ1，終止點(diǎn)的位置為p*2=(p*2x，p*2y，p*2z)T，姿態(tài)角為α2、β2、γ2。

　　如果根據(jù)空間圓方程:(x-x0)*2+ (y-y0)*2+(z-z0)*2=r*2
　　對(duì)上式進(jìn)行軌跡規(guī)劃，編寫軌跡的參數(shù)方程十分困難，對(duì)上述方程進(jìn)行插補(bǔ)也是非常復(fù)雜的。為了便于計(jì)算圓的軌跡方程，必須先將圓的軌跡方程由固定坐標(biāo)系進(jìn)行變換，然后在新坐標(biāo)系中引入軌跡規(guī)劃插值后，再反變換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。

(3) 空間橢圓運(yùn)動(dòng)

　　焊接機(jī)器人的橢圓運(yùn)動(dòng)方式與圓弧運(yùn)動(dòng)方式相似，不同之處在于是以橢圓進(jìn)行規(guī)劃的。根據(jù)軌跡上的任意三個(gè)點(diǎn)，并給出長(zhǎng)短軸比例k=a/b，即可進(jìn)行橢圓的軌跡規(guī)劃。當(dāng)a=b時(shí)，橢圓的軌跡規(guī)劃即為圓的軌跡規(guī)劃。

4.2 關(guān)節(jié)空間法

　　首先用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)矢量角度值，然后對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)擬合一光滑函數(shù)，從初始點(diǎn)依次通過(guò)所有路徑點(diǎn)，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)并使每一路徑各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)間均相同。關(guān)節(jié)軌跡同時(shí)要滿足一組約束條件，如位姿、速度、加速度與連續(xù)性等。在滿足約束條件下，可選取不同類型的關(guān)節(jié)插值函數(shù)。常用的插值函數(shù)有：三次多項(xiàng)式插值、高階多項(xiàng)式插值及用拋物線過(guò)渡的線性插值等。各關(guān)節(jié)函數(shù)之間是相互獨(dú)立的，且不會(huì)發(fā)生機(jī)構(gòu)的奇異性問(wèn)題。

(1) 無(wú)中間點(diǎn)的PTP運(yùn)動(dòng)

　　無(wú)中間點(diǎn)的PTP運(yùn)動(dòng)指機(jī)器人的手部運(yùn)動(dòng)時(shí)，由機(jī)器人起點(diǎn)某位姿運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)另一位姿時(shí)，手部不經(jīng)過(guò)任何中間位姿點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。設(shè)機(jī)器人的起始位姿為 T*06，此時(shí)位姿的幾個(gè)關(guān)節(jié)角度為q*0i(i=1，2，...，6)。經(jīng)過(guò)時(shí)間tf后，機(jī)器人手部不經(jīng)任何其它的中間點(diǎn)直接到達(dá)目標(biāo)位姿T*16，相應(yīng)的關(guān)節(jié)位置為q*1i(i=1，2，...，6)。為了使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)快速協(xié)調(diào)，須找出光滑函數(shù)qi(t)。三次多項(xiàng)式插值：qi(t)=a0+a1t+a2t*2+a3t*3 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)從靜止起點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)靜止結(jié)束，4個(gè)系數(shù)可由起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的約束條件求得。

(2) 帶中間點(diǎn)的PTP運(yùn)動(dòng)

　　一般情況下，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要經(jīng)過(guò)一些中間點(diǎn)，并希望機(jī)器人能夠平穩(wěn)地通過(guò)中間點(diǎn)，以便機(jī)器人迅速到達(dá)目標(biāo)位置。設(shè)機(jī)器人由起始位姿T*06，經(jīng)過(guò)中間點(diǎn)T*16，T*26，...，T*m-16，最后到達(dá)終止點(diǎn)T*m6，其各位姿點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度為q0*i，q1*i，q2*i，...，qm*i(i=1，2，...，6)，每一段運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔為t1 t2 tm 如果每一段都用一個(gè)三次多項(xiàng)式表示，則：q*ji(t)=a*ji0+a*ji1t+a*ji2t*2+a*ji3t*3 (i=1，2 ，… ，6；j=1，2 ，… ，m；0
為了方便每一段時(shí)間從零開始計(jì)算，上述共4m個(gè)方程，每個(gè)方程有4個(gè)系數(shù)，共計(jì)4m個(gè)系數(shù)，系數(shù)可由中間點(diǎn)的速度、加速度、連續(xù)性及起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的約束條件求得。

5 結(jié) 語(yǔ)

　　同其它制造技術(shù)相比，機(jī)器人電弧噴涂柔性快速成型技術(shù)在制造小批量薄壁零件方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，能顯著降低成本，縮短時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)武器裝備的備品零庫(kù)存和戰(zhàn)場(chǎng)的快速精確，并能大幅提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，因此該技術(shù)在軍事和民用方面具有較大的研究、開發(fā)和應(yīng)用潛力,發(fā)展前景十分廣闊。尤其是近年來(lái)信息智能技術(shù)的興起更是為該技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。但該技術(shù)的研究還剛剛起步，在如何提高快速成型產(chǎn)品的控制精度和生產(chǎn)效率、降低零部件的內(nèi)聚強(qiáng)度、以及如何積極將其最新研究成果應(yīng)用于軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中等方面尚待進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究，相信在相關(guān)科技人員的共同努力下,該技術(shù)一定會(huì)逐步發(fā)展完善，并在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮作用。