CN1488473A - 金属电弧喷涂快速制造汽车覆盖件模具专用机器人 - Google Patents

金属电弧喷涂快速制造汽车覆盖件模具专用机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够快速、经济地制造汽车覆盖件冲压模具的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人。该机器人将电弧喷涂与电刷镀两种工艺集成，由运动及工艺参数控制器、电弧喷涂装置、电刷镀装置和机械本体等组成。机器人为五自由度直角坐标型结构，定位机构采用龙门式结构，具有三个移动自由度用于实现喷涂/刷镀工作点的空间定位，手腕(参考点)具有两个转动自由度，用于喷枪或镀笔的空间姿态的调整。在手腕部分特别设计了双平行四边形机构，实现了转动自由度与移动自由度的解耦，使得喷枪/镀笔的姿态调整不会影响喷涂/刷镀工作点的空间位置。机器人以模具的三维CAD模型作为控制系统的输入，由模具型面的三维CAD数据直接驱动，无需人工编程即可自动完成模具型面的金属电弧喷涂和电刷镀两种作业。

Description

金属电弧喷涂快速制造汽车覆盖件模具专用机器人
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，涉及基于快速原型技术的快速模具制造技术，涉及汽车新车型开发与样车试制，特别涉及一种金属电弧喷涂快速制造模具的机器人。
背景技术
快速模具制造技术是相对于传统的利用数控加工的方法生产钢模具而言的。快速制模(Rapid Tooling-RT)就是利用快速成型技术(RapidPrototyping-RP)生产模具原型或母模的模具制造技术。
金属电弧喷涂制模工艺是指在RP原型或者RP原型翻制的过渡模上采用电弧喷涂的方法快速沉积一层致密的低熔点金属薄壳，然后用树脂、金属复合材料等进行补强，从而制作出注塑模或板料冲压模具的一种快速经济制造简易模具的方法。
金属电弧喷涂制模的方法对于大中型模具制造在周期和成本方面具有很大的优势。高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲难以在原型表面附着成型；而Zn或Zn-Al伪合金等低熔点金属虽然喷涂制模效果好、工艺成熟，但涂层硬度太低，影响了喷涂模具的适用范围。
电刷镀技术是应用电化学沉积原理，在能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。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。
电弧喷涂沉积效率高，但涂层硬度低；电刷镀可以获得高强度和高硬度的镀层，机械性能好，但沉积速度低，将两者结合起来是一种较为理想的快速模具制造方法。
目前电弧喷涂和电刷镀多为手工操作，当模具表面积过大时，电弧喷涂和电刷镀劳动强度太大，人工操作难以承受，并且无法保证模具质量。因此，电弧喷涂电-刷镀过程自动化，对于大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。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高效率、低成本的金属电弧喷涂快速模具制造的制模专用机器人，利用本发明制造金属喷涂模具，加工周期是传统NC的1/3～1/10，费用为传统NC的1/3～1/5或更低。
实现上述发明目的的技术方案是，一种金属电弧喷涂快速制造模具的机器人，将电弧喷涂与电刷镀两种工艺集成到一起，该机器人由运动及工艺参数控制器、电弧喷涂装置、电刷镀装置和机械本体等组成；其特点是：
机器人机械本体主要包括底座、横梁、升降臂、喷枪/刷镀笔姿态调整手腕等；底座上设置X方向移动轴，横梁上设置Y方向移动轴，升降臂上设置Z方向移动轴，X、Y、Z轴互相垂直，构成三维直角坐标系统，是机器人的定位机构；机器人手腕安装在升降轴下端，具有轴线互相垂直的R、P两个转动轴，是喷枪/刷镀笔的姿态调整机构；机器人手腕上特别设计有双平行四边形机构，由P轴带动作摆动运动，喷枪/刷镀笔安装在该双平行四边形机构中平行于连架杆的活动构件上，并且喷枪/刷镀笔的轴线与该双平行四边形机构的连架杆平行。
本发明的另一些特点是：
所述机器人手腕的双平行四边形机构的基本结构形式由五个活动构件和七个回转运动副构成，喷枪/刷镀笔安装在该双平行四边形机构中平行于连架杆的活动构件上，且喷枪/刷镀笔轴线与该双平行四边形机构的连架杆平行。
所述机器人以模具的三维CAD模型作为控制系统的输入，由模具型面的三维CAD数据直接驱动，对模具CAD模型进行分层处理，根据分层处理所得到的全息数据，全息数据包含模具型面法矢信息，自动生成喷枪/刷镀笔运动路径、运动参数，无需人工编程即可自动完成机器人的运动控制、电弧喷涂和电刷镀装置的参数控制。
由计算机控制电弧喷涂和电刷镀两种作业的工艺参数，并能根据模具型面特征自动优化工艺参数；作业过程中喷枪/刷镀笔始终与母模表面保持垂直，并且喷枪/刷镀笔的工作点与模具表面的距离保持不变。
所述喷枪/刷镀笔安装在双平行四边形机构上，通过手腕调整喷枪或镀笔的姿态时，喷枪/刷镀笔的工作点空间位置保持不变，机器人定位机构与姿态调整机构互不影响。
本发明将电弧喷涂和电刷镀两种工艺集成到一台设备中，将两者有机结合，实现了两者的优势互补。
附图说明
图1是电弧喷涂-电刷镀复合成形金属喷涂模具快速制造技术路线框图；
图2是电弧喷涂和电刷镀工艺路线示意图；
图3是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人构成原理框图；
图4是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人控制数据准备流程图；
图5是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人控制流程图；
图6是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人结构图；
图7是本发明特别设计机器人手腕上的双平行四边形机构图；
图8是机器人手腕部分双平行四边形机构工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和发明人完成的实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明将电弧喷涂和电刷镀两种工艺集成到一台设备中，将两者有机结合，实现了两者的优势互补。
图1与图2给出了利用本设备进行金属喷涂模具快速制造的技术途径及工艺路线。
其中，(a)母模表面抛光：先涂一层离型剂，然后均匀地涂上一层脱模剂，静置约30min。(b)用电弧喷枪喷涂制模金属以形成具有一定厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直。喷涂完成后切除不必要部分。(c)把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内。(d)在模具工作表面电刷镀一定厚度的高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直。(e)制作完毕的汽车覆盖件半金属模具。
1、金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造专用机器人构成原理
如图3所示，金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人由计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂装置、电刷镀装置和机械本体等组成。机器人为五自由度直角坐标型结构，定位机构有三个相互垂直的移动自由度，手腕部有两个轴线相互垂直的转动自由度。
机器人控制系统采用“PC+运动控制卡”的控制方案，控制系统采用上、下位机控制形式，上位机为工控机，下位机选用基于DSP的运动控制卡；运动控制卡通过ISA/PCI总线或者USB接口直接与计算机相连，并通过双端口存储器与主机交换数据，具有控制伺服电机和步进电机的能力，并具有A/D及D/A功能和模拟/数字输入输出接口等，既能完成实时的运动控制，又能实现参数控制，因此称之为“运动及工艺参数控制器”。计算机与运动及工艺参数控制器一起构成了机器人的控制器，计算机处理非实时任务，运动及工艺参数控制器根据计算机指令处理实时控制任务，既完成机器人位置、速度及加速度等运动量的控制，也进行电流、电压、喷气压力、喷枪送丝速度等工艺参数的控制，即对电弧喷涂设备和电刷镀设备进行控制。
2、金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造专用机器人控制原理
如图4所示，机器人接收到模具三维CAD设计数据后，首先将CAD模型转化为标准STL格式模型，为后续的分层处理做好准备。然后，用计算机上的分层处理软件进行分层处理，就可以输出包含模具型面法矢信息的分层数据(简称全息数据，以区别于传统RP设备中应用的不带法矢的分层数据)。机器人根据分层处理所得到的全息数据自动生成喷枪/刷镀笔运动路径、运动参数，无需人工编程，就可以控制喷枪/刷镀笔按优化的工艺轨迹运动，自动完成电弧喷涂和电刷镀两种工艺作业。
图5所示为该机器人的控制流程图。该机器人以模具的CAD模型作为输入，由模具型面的三维CAD数据直接驱动，无需人工编程即可自动完成模具型面的金属电弧喷涂和电刷镀作业。
3、金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造专用机器人机械本体
如图6所示，机器人是具有五个自由度的直角坐标型机器人，具有X、Y、Z三个移动自由度和R、P两个转动自由度。该机器人定位机构采用龙门式结构，X、Y、Z三个移动自由度构成机器人的三维直角坐标定位系统，用于实现喷涂/刷镀工作点的空间定位。手腕(参考点)具有R、P两个相互垂直的转动自由度，安装在Z轴的下端，是喷枪或镀笔的姿态调整机构，手腕上特别设计的双平行四边形机构实现了转动自由度与移动自由度的解耦，进行喷枪或镀笔的姿态调整并不改变其工作焦点的空间位置，从而大大简化了喷枪或镀笔的运动控制。
机器人五个轴中，X与Y轴采用了伺服电机驱动，Z、R及P轴采用了步进电机驱动。X和Z轴采用齿轮齿条传动，Y轴采用丝杆传动，R与P轴采用同步带传动。各轴均采取了反向间隙消除措施。
4.机器人手腕部特别设计的双平行四边形机构
图7所示为机器人手腕部的结构，具有R与P两个轴线相互垂直的回转自由度，用于调整工作过程中喷枪或镀笔的姿态。图8所示为双平行四边形机构运动简图。双平行四边形机构的基本结构形式由五个活动构件和七个回转运动副构成，喷枪/刷镀笔安装在该双平行四边形机构中平行于连架杆的构件上，且喷枪/刷镀笔轴线与该双平行四边形机构的连架杆平行。
机器人手腕调整喷枪/刷镀笔姿态的工作原理如下：R轴轴线与平行四边形机构的机架平行，且与喷枪/刷镀笔的轴线共面，喷枪/刷镀笔轴线与平行四边形机构连架杆平行。R轴带动P轴及双平行四边形机构一起绕R轴的轴线转动，P轴通过同步带传动带动双平行四边形的转臂转动，即带动喷枪/镀笔转动。R与P轴联动，可以使喷枪/刷镀笔作一绕锥顶的圆锥运动，圆锥底面的大小由P轴及双平行四边形机构确定，锥顶为R轴轴线与喷枪或刷镀笔轴线的交点，我们把它称作喷枪和镀笔的“工作焦点”。无论R轴与P轴如何转动，都不会改变该工作焦点的空间位置，即工作焦点的X、Y和Z坐标不会随R与P轴变化，机器人的定位机构与手腕的姿态调整机构没有耦合作用。因此，调整R与P两个轴就可以调整喷枪或刷镀笔的姿态，使喷枪或刷镀笔保持与工作焦点处母模表面垂直，又因为姿态调整并不改变工作焦点的X、Y及Z坐标，所以喷枪/刷镀笔的工作焦点与模具表面的距离又得以保持不变。机器人手腕部的双平行四边形机构解除了两个转动自由度R和P与三个移动自由度X、Y和Z之间的耦合作用，使得R和P轴的转动不影响喷枪或镀笔工作点X、Y和Z轴的坐标，极大地简化了喷枪和镀笔的运动控制。

Claims (5)

1.一种制造汽车覆盖件冲压模具的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，将电弧喷涂与电刷镀两种工艺集成到一台设备上，包括一计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂装置、电刷镀装置和机械本体等组成；由计算机控制电刷镀和电弧喷涂两种作业的工艺参数；其特征在于：
机器人机械本体主要包括底座、横梁、升降臂、喷枪/刷镀笔姿态调整手腕等；底座上设置X方向移动轴，横梁上设置Y方向移动轴，升降臂上设置Z方向移动轴，X、Y、Z轴互相垂直，构成三维直角坐标系统，是机器人的定位机构；机器人手腕安装在升降轴下端，是喷枪/刷镀笔的姿态调整机构，具有轴线互相垂直的R、P两个转动轴；机器人手腕上特别设计有双平行四边形机构，由P轴带动作摆动运动，喷枪/刷镀笔安装在该双平行四边形机构上。
2.如权利要求1所述的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，其特征在于，所述机器人手腕的双平行四边形机构的基本结构形式由五个活动构件和七个回转运动副构成，喷枪/刷镀笔安装在该双平行四边形机构中平行于连架杆的活动构件上，且喷枪/刷镀笔轴线与该双平行四边形机构的连架杆平行。
3.如权利要求1所述的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，其特征在于，所述机器人以模具的三维CAD模型作为控制系统的输入，由模具型面的三维CAD数据直接驱动，对模具CAD模型进行分层处理，根据分层处理所得到的全息数据，全息数据包含模具型面法矢信息，自动生成喷枪/刷镀笔运动路径、运动参数，无需人工编程即可自动完成机器人的运动控制、电弧喷涂和电刷镀装置的参数控制。
4.如权利要求1所述的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，其特征在于，由计算机控制电弧喷涂和电刷镀两种作业的工艺参数，并能根据模具型面特征自动优化工艺参数；作业过程中喷枪/刷镀笔始终与母模表面保持垂直，并且喷枪/刷镀笔的工作点与模具表面的距离保持不变。
5.如权利要求1所述的金属电弧喷涂快速模具制造专用机器人，其特征在于，所述喷枪/刷镀笔安装在双平行四边形机构上，通过手腕调整喷枪或镀笔的姿态时，喷枪/刷镀笔的工作点空间位置保持不变，机器人定位机构与姿态调整机构互不影响。
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