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(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、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(shí)，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(shí)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(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(gè)軸（手臂）的運(yùn)動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)問題，各關(guān)節(jié)的運(yùn)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(yùn)動的加（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)器人語言、機(jī)器人運(yùn)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)娡繀?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(yùn)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(shí)，不需更換硬件，通過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(shí)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(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)，經(jīng)過逐點(diǎn)、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(jì)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(shí)間內(nèi)，按一定的速度及加速度，從初始狀態(tài)移動到某個(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(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程中，不僅要求機(jī)器人在運(yùn)動終點(diǎn)準(zhǔn)確定位，而且要求運(yùn)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(gè)位姿。同時(shí)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(diǎn)時(shí)運(yùn)動是連續(xù)的。

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

(1) 空間直線運(yùn)動

此時(shí)機(jī)器人只需在運(yùn)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(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)過運(yùn)動學(xué)反解，即可求得各個(gè)關(guān)節(jié)對應(yīng)點(diǎn)所需要的關(guān)節(jié)角度。