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(gòu)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(shù)據(jù)直接驅(qū)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(yè)。該機器人用于汽車新車型開發(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(nèi)覆蓋件和外覆蓋件組成，它與底盤和發(fā)動機共同構(gòu)成了汽車的三大部件，是決定汽車產(chǎn)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(yè)自身的市場競爭力，目前國內(nèi)外汽車新車型的開發(fā)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(fā)在某種程度上說也就是車身的設計開發(fā)[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(fā)的成本和周期。但是，目前國內(nèi)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(shù)控銑、高速數(shù)控銑等，生產(chǎn)周期長，費用高，難以滿足樣車試制和小批量生產(chǎn)的要求。基于RP技術發(fā)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(yōu)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(nèi)只能實現(xiàn)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(yōu)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(shù)據(jù)直接驅(qū)動，利用它可以實現(xiàn)金屬噴涂和電刷鍍兩種工藝的自動化作業(yè)和工藝優(yōu)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(chǎn)品實物以及通過高速數(shù)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?shù)谋骋r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(chǎn)效率高、節(jié)約能源、對基體熱輸出小、適用范圍廣等優(yōu)點。由于電弧噴涂法所獲得的涂層具有結(jié)合強度高、結(jié)構(gòu)致密孔隙率低、表面硬度和耐磨性較高等優(yōu)點，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(fā)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(yōu)點，實現(xiàn)了兩者在涂層厚度、涂層性能和沉積效率等方面的互補。

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、噴槍運動速度等；電刷鍍工藝參數(shù)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(shù)也有非運動量參數(shù)，都需要通過實驗實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)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(huán)境惡劣，人工操作難以承受；另一方面，也不利于實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，而且無法保證模具制作質(zhì)量。因此，實現(xiàn)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(zhì)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(fā)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(shù)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(shù)據(jù)后，經(jīng)設備上的計算機處理，無需編程就可以直接驅(qū)動機器人按優(yōu)化的工藝軌跡運動，自動完成電刷鍍和電弧噴涂兩種作業(yè)，并且可以對電刷鍍和電弧噴涂兩種工藝的工藝參數(shù)實現(xiàn)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(zhuǎn)換通過裝置上的適配器實現(xiàn)。該裝置可制造的汽車覆蓋件模具的最大尺寸為3500mm×2000mm×500mm。

圖1 電弧金屬噴涂和電刷鍍一體化模具制造設備構(gòu)成
2 金屬噴涂機器人系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 金屬噴涂機器人性能要求及構(gòu)成

金屬噴涂機器人機械本體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中標示了X、Y、Z三個自由度，其余兩個轉(zhuǎn)動自由度未標注，共5個自由度。各自由度位移參數(shù)分別為：