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全息数据金属喷涂机器人运动控制研究
2006年8月2日 9:17  
 

摘要:本文介绍了一种用于汽车覆盖件模具快速制造的机器人的构成、特性及其运动控制技术。该机器人具有五个自由度,由模具三维CAD模型数据直接驱动,无需编程,可自动高效地完成金属喷涂和电刷镀两种作业。该机器人用于汽车新车型开发和样车试制,可以快速低成本地制造汽车覆盖件喷涂模具。
关键词:机器人,汽车覆盖件,金属喷涂,电刷镀,快速制模,运动控制

前言

汽车车身由内覆盖件和外覆盖件组成,它与底盘和发动机共同构成了汽车的三大部件,是决定汽车产品市场竞争力的主要因素之一。为了快速、不断地推出新的车型,从而提高汽车制造企业自身的市场竞争力,目前国内外汽车新车型的开发大都是在“平台”(底盘、动力总成等)不变的基础上所进行的车身外形的重新设计,新车型的开发在某种程度上说也就是车身的设计开发[1]。

样车试制模具(又称覆盖件简易模具)的制造直接决定着新车型开发的成本和周期。但是,目前国内外覆盖件金属模具主流制造技术,如消失模铸造技术、大型精密数控铣、高速数控铣等,生产周期长,费用高,难以满足样车试制和小批量生产的要求。基于RP技术发展起来的快速模具(RT)制造技术具有柔性、快速和成本低的特点,其中金属喷涂制模方法对于大中型模具的制造在周期和成本方面具有很大的优势,并且模具工作表面具有较好的强度、硬度和耐磨性,但由于目前国内只能实现低熔点金属制造喷涂模具,涂层表面硬度相对较低,严重制约着金属喷涂制模方法的应用范围[2~5]。

针对这种情况,西安交通大学先进制造技术研究所提出了一种金属喷涂/电刷镀一体化制造大中型汽车覆盖件模具的快速制模技术并研制了相应的设备。金属喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密低熔点合金涂层,从而形成所需的模具型腔。电刷镀技术用于对模具工作表面刷镀强化涂层。金属喷涂/电刷镀一体化综合利用了金属喷涂沉积速度快和电刷镀表面涂层性能优良的特点。金属喷涂制模机器人是该技术的核心技术之一,它具有五个自由度,其运动控制无需编程由3D CAD模型数据直接驱动,利用它可以实现金属喷涂和电刷镀两种工艺的自动化作业和工艺优化。本文主要介绍该机器人的组成、特点和运动控制技术。

1 金属喷涂和电刷镀一体化快速制模工艺及设备

电弧金属喷涂和电刷镀复合成型模具制造是一种复形法制模技术,它需要一个实物模型(或称为原型)作为母模。母模可以是快速原型或过渡模型、产品实物以及通过高速数控加工得到的非金属模型。电弧金属喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密金属涂层,从而形成所需的模具型腔,涂层材料为低熔点合金。在填充适当的背衬材料并脱模后,利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层,进而完成模具的快速制造。

电弧金属喷涂技术属于热喷涂技术之一,与离子喷涂、火焰喷涂等其它热喷涂技术相比,具有设备投资少、工艺简单、生产效率高、节约能源、对基体热输出小、适用范围广等优点。由于电弧喷涂法所获得的涂层具有结合强度高、结构致密孔隙率低、表面硬度和耐磨性较高等优点,近年来,在模具制造中受到广泛重视。基于RP技术的电弧金属喷涂快速制模(RT)方法用于大中型模具制造,可以显著降低成本和缩短开发的周期。在喷涂用金属材料方面,高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲难以在母模表面附着成型,Zn或Zn-Al伪合金等低熔点金属喷涂制模效果好、工艺成熟,但涂层硬度相对较低,严重制约着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,其基本特点是阳极通过包裹材料(由棉花或化学纤维与包套组成)与工件表面接触、阳极和选定的工件局部表面以一定的速度相对运动、使用大的电流密度和镀层厚度可以进行精确控制等。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。电刷镀工艺能形成高硬度模具表面,但与电弧金属喷涂相比其沉积速度要低得多,难以满足快速性要求,另外电刷镀安全厚度一般小于1mm。

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