引 言
裝備再制造工程是節(jié)約資源，保護環(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、建設循環(huán)經(jīng)濟、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，裝備毀傷日益嚴重，精確保障迫在眉睫，同時，由于現(xiàn)代武器裝備的復雜性、高質(zhì)量、多品種、小批量、周期要求短、修復難度大，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、天等遠距離以及高溫、劇毒等惡劣環(huán)境下的零件快速修復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，增強企業(yè)競爭力和市場應變力，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)濟中都具有廣闊的研究、開發(fā)、應用前景，基于再制造的機器人電弧噴涂柔性快速成型技術(shù)就是其中內(nèi)容之一。
基于再制造的機器人電弧噴涂柔性快速成型技術(shù)是指在機器人操作控制下，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)，是機械工程、CAD、自動控制、電弧噴涂、材料能多學科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它是自動、快速、準確的將設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
機器人電弧噴涂柔性系統(tǒng)主要由機器人本體及控制器、電弧噴涂設備、變位機、周邊裝置和控制系統(tǒng)組成。
用于噴涂成型的工業(yè)機器人基本上都屬于六軸式關(guān)節(jié)機器人，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
交流伺服電機驅(qū)動，動態(tài)特性好，負載能力強，故障率低，各軸運動的加（減）速度也很快，機器人控制器是整個系統(tǒng)的中樞，它有計算機硬件、軟件和一些專用電路組成，軟件包括控制器系統(tǒng)軟件，機器人語言、機器人運動學和動力學軟件，機器人控制軟件，機器人仿真軟件，機器人自診斷和子保護軟件，控制器負責機器人工作過程中的全部信息和控制機器人的全部動作。
電弧噴涂設備一般包括噴槍、噴涂電源、送絲機構(gòu)以及附屬機構(gòu)組成。為保證機器人控制器能夠?qū)娡繀?shù)進行控制和編程，機器人與噴涂設備之間接口協(xié)議必須一致。
變位機主要是在噴涂過程中與機器人協(xié)調(diào)運動，處于適當位置，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)了設計制造一體化；
(2) 自由成型制造，不受零件復雜程度的限制，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，市場響應快，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品競爭力強；
(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控制的機電集成制造系統(tǒng)，經(jīng)過逐點、逐面進行材料的“三維堆砌”成型，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強度和性能等方面達到設計要求。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
機器人軌跡規(guī)劃是使機器人在規(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)定的目標狀態(tài)。其路徑規(guī)劃方法主要有直角坐標空間法和關(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)生機構(gòu)的奇異性問題，特別適合機器人末端執(zhí)行器離開物體不要求規(guī)定路徑的、進入空行程大范圍內(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，缺點是不僅要進行空間插補，又要轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)，且難以估計運動時間、關(guān)節(jié)速度以及加速度達到的極限。
4.1 直角坐標空間法
在電弧噴涂快速成形過程中，不僅要求機器人在運動終點準確定位，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空間里的直線插補方式。只要給出直角坐標空間內(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)過運動學反解，即可求得各個關(guān)節(jié)對應點所需要的關(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、螺旋線等復雜的曲線。設機器人由起始點位姿T06經(jīng)過中間某一點T16后到達終止點T26在固定坐標系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，對上述方程進行插補也是非常復雜的。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系進行變換，然后在新坐標系中引入軌跡規(guī)劃插值后，再反變換到基準坐標系中。
(3) 空間橢圓運動
焊接機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，即可進行橢圓的軌跡規(guī)劃。當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，到達目標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運動指機器人的手部運動時，由機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。設機器人的起始位姿為 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，機器人手部不經(jīng)任何其它的中間點直接到達目標位姿T*16，相應的關(guān)節(jié)位置為q*1i(i=1，2，...，6)。為了使機器人的運動快速協(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，機器人的運動要經(jīng)過一些中間點，并希望機器人能夠平穩(wěn)地通過中間點，以便機器人迅速到達目標位置。設機器人由起始位姿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)聚強度、以及如何積極將其最新研究成果應用于軍事和國民經(jīng)濟中等方面尚待進一步深入系統(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)濟中發(fā)揮作用。
