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，舊裝備升級改造和為新裝備積累經(jīng)驗的有效途徑，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、建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要技術(shù)途徑。

　　由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭空前殘酷，裝備毀傷日益嚴(yán)重，精確保障迫在眉睫，同時，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強(qiáng)度，減少環(huán)境污染等方面已無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要，因此，發(fā)展自動化、柔性化與智能化的快速制造技術(shù)已成為擺在各國軍方面前的重要課題。采用自動化、柔性化與智能化的快速生產(chǎn)技術(shù)還可以減少庫存積壓，降低保障開支，提高保障水平，對于航海，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，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會中，市場競爭激烈，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)競爭力和市場應(yīng)變力，因此發(fā)展自動化、柔性化與智能化快速生產(chǎn)技術(shù)在國防和國民經(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，采用電弧噴涂的方法快速制造任意形狀的裝備零件實體（主要指薄壁零件）的技術(shù)，是機(jī)械工程、CAD、自動控制、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、快速、準(zhǔn)確的將設(shè)計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、工作過程以及路徑規(guī)劃方法，并對該技術(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 個軸（手臂）的運動是把噴槍送到不同的空間位置，上面3個軸（手腕）是解決噴槍的姿態(tài)問題，各關(guān)節(jié)的運動由交流伺服電機(jī)驅(qū)動，動態(tài)特性好，負(fù)載能力強(qiáng)，故障率低，各軸運動的加（減）速度也很快，機(jī)器人控制器是整個系統(tǒng)的中樞，它有計算機(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)器人語言、機(jī)器人運動學(xué)和動力學(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)器人工作過程中的全部信息和控制機(jī)器人的全部動作。

　　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)主要是在噴涂過程中與機(jī)器人協(xié)調(diào)運動，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，不需更換硬件，通過可編程觸摸終端即可方便的實現(xiàn)。

2 技術(shù)特點

(1) 高速度、高柔性和技術(shù)高密集實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化；
(2) 自由成型制造，不受零件復(fù)雜程度的限制，實現(xiàn)噴涂零件的柔性化生產(chǎn)；
(3) 無需傳統(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，市場響應(yīng)快，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品競爭力強(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) 可實現(xiàn)武器裝備零部件的備品零庫存和戰(zhàn)場的快速精確保障，軍事意義顯著。

3 工作過程

　　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算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)，經(jīng)過逐點、逐面進(jìn)行材料的“三維堆砌”成型，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計要求。其一般工作過程是：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)定時間內(nèi)，按一定的速度及加速度，從初始狀態(tài)移動到某個規(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)點是計算量小，效率高，僅受關(guān)節(jié)速度及加速度的限制，不會發(fā)生機(jī)構(gòu)的奇異性問題，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)快速移動的軌跡段，該方法的缺點是機(jī)器人在未執(zhí)行末端執(zhí)行指令實現(xiàn)運動前，難以形象末端執(zhí)行器在空間的真實軌跡，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。直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的優(yōu)點是分段點之間的運動能很好的確定，非常適合已定義的函數(shù)軌跡，缺點是不僅要進(jìn)行空間插補(bǔ)，又要轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)，且難以估計運動時間、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程中，不僅要求機(jī)器人在運動終點準(zhǔn)確定位，而且要求運動軌跡具有一定的精度即要求對手臂進(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)備動作，因此需要增加逼近與脫離兩個位姿。同時為避免多余的抖動與停頓，常常也要求執(zhí)行器在經(jīng)過這些空間點時運動是連續(xù)的。

　　CP 運動方式有空間直線運動、空間圓弧運動及空間橢圓運動等運動方式。

(1) 空間直線運動

　　此時機(jī)器人只需在運動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)軌跡起點和終點的位姿信息，即可計算出由兩點所確定的直線段上的一系列點的位姿信息。這一系列點的位姿經(jīng)過運動學(xué)反解，即可求得各個關(guān)節(jié)對應(yīng)點所需要的關(guān)節(jié)角度。

(2) 空間圓弧運動

　　三維空間軌跡除了簡單的直線、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)器人由起始點位姿T06經(jīng)過中間某一點T16后到達(dá)終止點T26在固定坐標(biāo)系X、Y、Z 方向上起始點位置為p*0=(p*0x，p*0y，p*0z)T，姿態(tài)角為α0、β0、γ0 中間點的位置為 p*1=(p*1x，p*1y，p*1z)T，姿態(tài)角為α1、β1、γ1，終止點的位置為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，對上述方程進(jìn)行插補(bǔ)也是非常復(fù)雜的。為了便于計算圓的軌跡方程，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) 空間橢圓運動

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

　　首先用逆運動學(xué)將路徑點轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)矢量角度值，然后對每個關(guān)節(jié)擬合一光滑函數(shù)，從初始點依次通過所有路徑點，到達(dá)目標(biāo)點并使每一路徑各關(guān)節(jié)運動時間均相同。關(guān)節(jié)軌跡同時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：三次多項式插值、高階多項式插值及用拋物線過渡的線性插值等。各關(guān)節(jié)函數(shù)之間是相互獨立的，且不會發(fā)生機(jī)構(gòu)的奇異性問題。

(1) 無中間點的PTP運動

　　無中間點的PTP運動指機(jī)器人的手部運動時，由機(jī)器人起點某位姿運動到終點另一位姿時，手部不經(jīng)過任何中間位姿點的運動。設(shè)機(jī)器人的起始位姿為 T*06，此時位姿的幾個關(guān)節(jié)角度為q*0i(i=1，2，...，6)。經(jīng)過時間tf后，機(jī)器人手部不經(jīng)任何其它的中間點直接到達(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)器人的運動快速協(xié)調(diào)，須找出光滑函數(shù)qi(t)。三次多項式插值：qi(t)=a0+a1t+a2t*2+a3t*3 關(guān)節(jié)運動從靜止起點開始運動到終點靜止結(jié)束，4個系數(shù)可由起始點和終止點的約束條件求得。

(2) 帶中間點的PTP運動

　　一般情況下，機(jī)器人的運動要經(jīng)過一些中間點，并希望機(jī)器人能夠平穩(wěn)地通過中間點，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)過中間點T*16，T*26，...，T*m-16，最后到達(dá)終止點T*m6，其各位姿點的關(guān)節(jié)角度為q0*i，q1*i，q2*i，...，qm*i(i=1，2，...，6)，每一段運動的時間間隔為t1 t2 tm 如果每一段都用一個三次多項式表示，則：q*ji(t)=a*ji0+a*ji1t+a*ji2t*2+a*ji3t*3 (i=1，2 ，… ，6；j=1，2 ，… ，m；0
為了方便每一段時間從零開始計算，上述共4m個方程，每個方程有4個系數(shù)，共計4m個系數(shù)，系數(shù)可由中間點的速度、加速度、連續(xù)性及起始點和終止點的約束條件求得。

5 結(jié) 語

　　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，能顯著降低成本，縮短時間，可實現(xiàn)武器裝備的備品零庫存和戰(zhàn)場的快速精確，并能大幅提高企業(yè)競爭力，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)一定會逐步發(fā)展完善，并在國防和國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮作用。