專利名稱：高熔點金屬電弧噴涂機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及先進制造領域中的快速模具型殼的制造裝備，特別涉及一種高熔點金屬電弧噴涂機器人。
背景技術：
金屬電弧噴涂快速制模技術是一種基于“復制”的制模技術，它以一個實物模型(或稱為原型)作為母模，以電弧為熱源，通過高速氣流將熔融狀態的金屬材料霧化，并使其噴射、沉積在母模表面上，形成一定厚度的致密金屬型殼，即模具型殼。模具型殼精確拷貝了原型的形狀，獲得了所需的模具型腔，在完成補強、脫模、拋光等后處理工藝后，即可完成模具的快速制造。電弧噴涂模具制造完成后一般不再需要另外的機械加工，就可以直接用于成形制造。根據實際情況與需 要也可以進行少切削量的數控精加工，因此，電弧噴涂制模技術實質上是一種“近凈成形制模技術”。金屬噴涂模具以母模為標準，模具型腔尺寸、幾何精度完全取決于母模，型腔表面及其精細花紋一次同時形成，故制模速度快，制造周期短，成本低，同時擁有較長的模具壽命，制造周期約為傳統數控加工的一半，制造費用可以節省至少25%以上，成為新產品開發及小批量生產的重要途徑。模具表面光潔度好，工藝簡單，設備要求低，比較適合于注射成型模、壓鑄模、板料沖壓模的快速制造，在表面形狀復雜及具有精細花紋的各種聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU發泡及各類注射成型模具中，花紋復制的特征細節甚至可以達至Ij 5 μ m0目前該快速模具制造技術已被廣泛地應用于飛機、汽車、家電、家具、制鞋、美術工藝品等行業。在美國及中國東南沿海，幾乎所有的聚氨酯鞋底制造商在其自動成型生產設備上都采用了電弧噴涂模具進行生產。在汽車制造中，可以用來生產駕駛盤、汽車儀表盤、坐墊、頭部靠墊、阻流板、汽車內飾頂蓬等。近年來，電弧噴涂制模技術已經開始用于制造汽車覆蓋件沖壓模具，噴涂材料不同，噴涂模具的強度、硬度、精度和壽命也不盡相同，因而應用范圍也存在差異，有的適合用于汽車樣車的試制，有的甚至可以在生產線上替代傳統的鋼模具進行生產。在國內，噴涂制模的材料主要是中低熔點金屬，西安交通大學和煙臺機械工藝研究所為國內最早的研發單位，西安交通大學先進制造技術研究所，自90年代以來，對表面成型制模技術、低熔點合金澆鑄成型制模技術以及模具樹脂制模技術等快速制模工藝進行了長期的研究和實踐，并在金屬電弧噴涂成型快速制模技術上擁有實用新型專利(ZL200810232335. O ；ZL03134501. 8)。在長安汽車、洛陽一拖、上海中順、柳州微汽等企業應用。經試制檢驗，合格的快速模具的3D數據用于制造大批量生產用鋼模具，可避免在鋼模具的設計和制作上的反復，保證鋼模具一次加工成功。用于電弧噴涂工藝的金屬絲材根據熔點的高低可分為低熔點材料、中熔點材料和高熔點材料。在用電弧噴涂技術制造快速模具時，型腔金屬殼體的厚度要在3mm以上，中、高熔點的熔融金屬顆粒沉積到母模上后會釋放出較多熱量，使母模發生熱變形，降低了模具型腔的復制精度，并可能導致金屬涂層在尚未達到要求厚度時就發生翹曲或開裂；低熔點金屬或合金絲材對母模的熱影響小，可減輕熔融金屬顆粒對母模的影響，減少母模熱變形，提高模具的精度，因而鋅、巴氏合金等低熔點材料較多地用于快速模具的制作。但這種低熔點材料的模具壽命較低，只能用于小批量試生產，若要提高噴涂模具的壽命，可以先在母模上噴一層低熔點材料以增強母模的耐熱性，然后再噴鋼或其他強度較高的合金，以增強模具的強度，從而提高模具的壽命。[0007]高熔點、高硬度材料的電弧噴涂技術在金屬母模上比較容易實現，但在非金屬母模表面制造模具型殼，工藝上存在較大困難。例如，碳素鋼、合金鋼等高熔點金屬在噴涂時型殼收縮率、熱應力、孔隙率都比較大，型殼易開裂、翹曲、剝落，模具型殼制造困難，工藝參數控制難以掌握，模具型殼變形和內應力都較大，無法滿足工業生產需要。制造高熔點、高硬度的金屬涂層不可能依靠手工噴涂實現，噴涂制模工藝中噴嘴的運動參數、電弧噴涂工藝參數以及涂層和基體的溫度等都需要根據特定的目標進行精確控制，智能電弧噴涂系統是實現高熔點、高硬度金屬電弧噴涂快速制模的根本保證。實用新型專利“一種高熔點金屬電弧噴涂快速制模方法(專利號為ZL200810232335. O) ”只是介紹了根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高溫陶瓷原料制作無焙燒陶瓷母模基體，通過電弧噴涂高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不銹鋼到母模表面，按照設計參數，使噴嘴能沿母模基體輪廓形狀運動并且噴涂作用，從母模的一端噴涂到另一端，重復這樣的過程，直到噴涂涂層厚度達到10 20mm，得到母模的金屬型殼。至于承載母模基體的工作臺的結構和運動特點、帶動噴嘴運動的動力頭結構和運動方式以及工作臺是否對母模具有加熱性能都未作詳細的介紹和說明；實用新型專利“金屬電弧噴涂快速制造汽車覆蓋件模具專用機器人(專利號為ZL03134501.8)”公開了一種用于制造汽車覆蓋件沖壓模具的金屬電弧噴涂快速模具制造專用機器人，該機器人將電弧噴涂與電刷鍍兩種工藝集成，機器人為五自由度直角坐標型結構，定位機構采用龍門式結構，具有三個移動自由度用于實現噴涂/刷鍍工作點的空間定位，手腕具有兩個轉動自由度，用于噴嘴或刷筆的空間姿態的調整，手腕部分為雙平行四邊形機構，實現轉動自由度與移動自由度的解耦。該機器人的特點是以床身、立柱、橫梁作為支承部件，按照X、Y、Z坐標運動疊加的串聯運動學原理形成噴嘴的加工表面軌跡，但這種串聯機器人噴嘴的運動精度是各運動構件簡單的線性累加，因此運動精度低，可靠性差，控制機構復雜，結構復雜，重量大，模塊化程度不高，嚴重制約了大型復雜模具快速制造工藝的推廣應用。

實用新型內容本實用新型針對現有技術高熔點金屬電弧噴涂快速制模技術存在的不足，提供一種高熔點金屬電弧噴涂機器人，它結構合理，使用方便，模塊化程度高，成本低。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種高熔點金屬電弧噴涂機器人，它主要由設備本體，六自由度并聯平臺，三自由度擺頭，母模加熱裝置以及控制計算機組成；其中設備本體的底座上設有裝卡母模的六自由度并聯平臺，在設備本體的橫梁上裝有三自由度擺頭，三自由度擺頭裝有噴嘴且與六自由度并聯平臺的動平臺相對并配合工作，在六自由度并聯平臺的動平臺設有母模加熱裝置，同時三自由度擺頭隨橫梁沿著立柱進行Z軸方向進給運動；六自由度并聯平臺、三自由度擺頭、母模加熱裝 置均與控制計算機連接。所述六自由度并聯平臺是包括安裝在底座上的定平臺，六個伸縮桿的一端與定平臺連接，另一端與動平臺連接，通過伸縮桿的伸縮調整動平臺的姿態，實現六自由度調整，同時各伸縮桿均與控制計算機連接。所述伸縮桿結構相同，均包括氣缸，氣缸一端通過虎克鉸與定平臺連接；另一端的活塞桿通過球形萬向節與動平臺連接；氣缸采用雙作用帶閥氣缸，其兩端采用電氣伺服閥與設備的氣壓驅動裝置相連，電氣伺服閥在計算機控制下向氣缸內輸送壓力氣體或排除氣體以實現動作循環；在氣缸上還設有位置檢測傳感器，通過外接計數器與控制計算機相聯系；通過改變各個活塞桿的伸縮長度，帶動上面的動平臺做平移、升降、繞三維坐標軸擺轉以及各種復合運動，進而帶動母模實現六自由度復雜曲面的位姿定位。所述設備本體包括底座，底座一側設有立柱，在立柱上設有升降運動的橫梁，橫梁的驅動裝置與控制系統連接。所述三自由度擺頭主要由上支架和下支架通過兩個轉動副串聯所得，其中上支架上端與橫梁相連，隨橫梁沿Z向運動；上支架下端裝有轉動軸I，轉動軸I與下支架采用相應的鍵I連接，轉動軸I位于上支架內的兩端分別安裝在滾動軸承上，實現相對轉動，在滾動軸承處設有軸承端蓋；下支架下端裝有轉動軸II，轉動軸II與噴頭之間采用相應的鍵I連接，轉動軸II位于下支架內的兩端分別安裝在相應的滾動軸承上，實現相對轉動，在滾動軸承處設有軸承端蓋；噴頭與噴嘴固結；轉動軸I與下支架間以及噴頭與轉動軸II之間分別設有軸向定位裝置；轉動軸I和轉動軸II分別通過各自的傳動裝置I和傳動裝置II與相應的動力裝置連接；兩動力裝置與控制計算機連接。所述動力裝置均為伺服電機，分別安裝在上支架和下支架相應的大端蓋上；傳動裝置I和傳動裝置II結構相同，均包括主動齒輪，它通過鍵III裝在伺服電機轉軸上，主動齒輪與從動齒輪嚙合，從動齒輪通過鍵II裝在轉動軸II或轉動軸I上；各伺服電機通過各自的伺服驅動器與控制計算機連接，在各伺服電機上還設有光電編碼器，光電編碼器與控制計算機連接。所述軸向定位裝置為安裝在轉動軸I和轉動軸II上的軸用彈性擋圈。所述母模加熱裝置為電磁加熱器，它通過隔熱陶瓷塊放置在動平臺上；母模基體溫度和涂層溫度由溫度傳感器實時檢測，檢測的溫度數據反饋給電磁控制器，電磁控制器與控制計算機連接，控制計算機通過電磁控制器控制電磁加熱器對加熱溫度進行實時控制。本實用新型系統具有母模六自由度并聯平臺的位姿定位，噴嘴具有兩個方向轉動和一個縱向移動的空間姿態調整；在六自由度并聯平臺的動平臺上設有加熱裝置，可對母模進行電磁加熱、溫度可以實時控制。本實用新型的有益效果是具有運動精度高，控制系統精確可靠，設備本體結構簡單，模塊化程度高，成本低，可對母模進行九自由度的聯動噴涂作業，不僅可實現任意復雜曲面母模基體的噴涂作業，而且可實現對大型母模基體，特別是大型汽車覆蓋件基體的噴涂加工，具有明顯的經濟和社會效應。

圖I為高熔點金屬電弧噴涂機器人主視圖；圖2為高熔點金屬電弧噴涂機器人左視圖；圖3為伸縮桿結構圖；圖4為三自由度擺頭結構圖；圖5為伺服電機控制框圖；圖6為伸縮桿控制框圖；圖7為加熱裝置控制框圖。其中，I-橫梁，2-上支架，3-下支架，4-噴頭，5-噴嘴，6-動平臺，7-底座，8-立柱，9-球形萬向節，10-活塞桿，11-氣缸，12-虎克鉸，13-定平臺，14-轉動軸I，15-鍵I，16-軸用彈性擋圈，17-軸承端蓋，18-從動齒輪，19-鍵II，20-鍵III，21-伺服電機，22-大端蓋，23-主動齒輪，24-滾動軸承，25-轉動軸II。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖I中，本實用新型的高熔點金屬電弧噴涂機器人，是由五部分組成，即設備本體，六自由度并聯平臺，三自由度擺頭，母模加熱裝置以及控制計算機組成，在設備本體的底座7上設有裝卡母模的六自由度并聯平臺，在設備本體的橫梁I上裝有三自由度擺頭，三自由度擺頭裝有噴嘴5且與六自由度并聯平臺的動平臺6相對安裝，在六自由度并聯平臺的動平臺6設有母模加熱裝置，同時三自由度擺頭能隨橫梁I沿著立柱8進行Z軸方向進給運動。結合圖I和圖2可見，六自由度并聯平臺是由動平臺6，定平臺13和六個伸縮桿組成，六自由度并聯平臺的定平臺13固定在設備本體的底座7上面，與上面的動平臺6相對。動平臺6和定平臺13之間有六個伸縮桿。結合圖3可見，這種伸縮桿主要由氣缸11和活塞桿10構成，氣缸11采用雙作用帶閥氣缸，其兩端采用電氣伺服閥與設備的氣壓驅動裝置相連，可在控制計算機控制下向氣缸11內輸送或排除氣體以實現動作循環。在氣缸11上還設有位置檢測傳感器，通過外接計數器與控制計算機相聯系。氣缸11下端與定平臺13通過虎克鉸12相連接,活塞桿10上端和動平臺6通過球形萬向節9相連接,通過改變六個伸縮桿中活塞桿10的伸縮長度，帶動上面的動平臺6做平移、升降、繞三維坐標軸擺轉以及各種復合運動，進而帶動母模實現六自由度復雜曲面的位姿定位。結合圖1，圖2可見，設備本體是由橫梁1，立柱8，底座7構成，橫梁I可沿立柱8上下運動，驅動橫梁I上下運動的驅動裝置與控制計算機連接。結合圖4可見，所述三自由度擺頭主要由上支架2和下支架3通過兩個轉動副串聯所得，其中上支架2上端與橫梁I相連，隨橫梁I沿Z向運動；上支架2下端裝有轉動軸114，轉動軸114與下支架3采用相應的鍵115 (由于轉動軸114、轉動軸1125的結構相同，它們各自的傳動裝置也相同，因此僅在圖中給出了轉動軸1125及其傳動裝置II的結構，轉動軸I和傳動裝置I的結構未畫)連接，轉動軸114位于上支架2內的兩端分別安裝在滾動軸承24上，實現相對轉動，在滾動軸承處24設有軸承端蓋17 ；下支架3下端裝有轉動軸1125，轉動軸1125與噴頭4之間采用相應的鍵115連接，轉動軸Π25位于下支架3內的兩端分別安裝在相應的滾動軸承24上，實現相對轉動，在滾動軸承24處設有軸承端蓋17 ；噴頭4與噴嘴5固結；轉動軸114與下支架3間以及噴頭4與轉動軸1125之間分別設有軸向定位裝置；轉動軸114和轉動軸1125分別通過各自的傳動裝置I和傳動裝置II與相應的動 力裝置連接；兩動力裝置與控制計算機連接。所述動力裝置均為伺服電機21，分別安裝在上支架2和下支架3相應的大端蓋22上；傳動裝置I和傳動裝置II結構相同，均包括主動齒輪23，它通過鍵II20I裝在伺服電機21轉軸上，主動齒輪23與從動齒輪18嚙合，從動齒輪18通過鍵1119裝在轉動軸1125或轉動軸114上；各伺服電機21通過各自的伺服驅動器與控制計算機連接，在各伺服電機21上還設有光電編碼器，光電編碼器與控制計算機連接。所述軸向定位裝置為安裝在轉動軸114和轉動軸1125上的軸用彈性擋圈16。由于六自由度并聯平臺的工作范圍有限，當伸縮桿處于最大極限位置時，防止無法實現對小體積模具的噴涂處理，故使得三自由度擺頭所在橫梁I能夠實現Z向進給運動。高熔點金屬電弧噴涂機器人的三自由度擺頭的兩方向的旋轉運動以及Z方向的移動由伺服電機驅動、六自由度并聯平臺伸縮桿的運動由氣壓驅動控制。工作過程如下將所要噴涂的母模的三維模型導入計算機中，經過計算機的分析生成加工控制的程序，然后分配給各個驅動源的控制器，實現每個運動部件的運動，然后經過運動合成，實現動平臺6的六個自由度的運動以及擺頭的三個自由度的運動。結合圖5可見，伺服電機17的運動控制過程如下控制計算機分配的單個運動參數送給該伺服電機17的伺服驅動器，然后由伺服驅動器控制伺服電機17的運動，經過伺服電機17的尾部的光電編碼器的監測，將所測得速度和轉角信息送給控制計算機內，由控制計算機分析下一脈沖的運動補償量，對下次運動進行修正。結合圖6可見，伸縮桿的運動控制過程如下控制計算機分配的單個運動參數送給該動力源的控制器，控制器發出的信號經過D/A轉換，送入電氣伺服閥，控制伸縮桿的運動，經過氣缸11上的位置檢測傳感器的監測將脈沖信號送入計數器，之后計數器中的計數值送入控制計算機分析，對下次運動進行補償，實現伸縮桿的位置精確運動。高熔點金屬電弧噴涂機器人的母模加熱裝置具有電磁加熱、溫度可以實時控制的功能。在動平臺6上放置隔熱陶瓷塊，陶瓷塊之上放置母模加熱裝置，母模加熱裝置為電磁加熱器，將母模放置在電磁加熱器中，在噴涂前可對母模進行預熱，去除母模中所含的水分；在噴涂過程中，可以對母模基體和金屬涂層進行溫度控制，在母模保持相變所需溫度下進行噴涂，保證碳鋼涂層組織轉變所需的溫度和時間要求，使沉積的金屬完成組織轉變，獲得所需的涂層組織。母模基體溫度和涂層溫度由溫度傳感器實時檢測，檢測的溫度數據反饋給電磁控制器，對溫度進行實時控制。噴涂結束后，依據需要可在保溫一段時間后，根據一定的冷卻策略冷卻到室溫。圖7中，母模加熱裝置的溫度控制過程如下將噴涂所需要的溫度值輸入電磁控制器，經過電磁控制器對交流電的整流變成直流電，再將直流電轉換為頻率為20-40KHZ的高頻高壓電送入電磁加熱器進行加熱，電磁加熱器上的溫度傳感器對溫度實現在線監測，將監測信號送入電磁控制器 對控制信號進行修整，以實現溫度的恒定。
權利要求1.一種高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，它主要由設備本體，六自由度并聯平臺，三自由度擺頭，母模加熱裝置以及控制計算機組成；其中設備本體的底座上設有裝卡母模的六自由度并聯平臺，在設備本體的橫梁上裝有三自由度擺頭，三自由度擺頭裝有噴嘴且與六自由度并聯平臺的動平臺相對并配合工作，在六自由度并聯平臺的動平臺設有母模加熱裝置，同時三自由度擺頭隨橫梁沿著立柱進行Z軸方向進給運動；六自由度并聯平臺、三自由度擺頭、母模加熱裝置均與控制計算機連接。
2.如權利要求I所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述六自由度并聯平臺是包括安裝在底座上的定平臺，六個伸縮桿的一端與定平臺連接，另一端與動平臺連接，通過伸縮桿的伸縮調整動平臺的姿態，實現六自由度調整，同時各伸縮桿均與控制計算機連接。
3.如權利要求2所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述伸縮桿結構相同，均包括氣缸，氣缸一端通過虎克鉸與定平臺連接；另一端的活塞桿通過球形萬向節與動平臺連接；氣缸采用雙作用帶閥氣缸，其兩端采用電氣伺服閥與設備的氣壓驅動裝置相連，電氣伺服閥在計算機控制下向氣缸內輸送壓力氣體或排除氣體以實現動作循環；在氣缸上還設有位置檢測傳感器，通過外接計數器與控制計算機相聯系；通過改變各個活塞桿的伸縮長度，帶動上面的動平臺做平移、升降、繞三維坐標軸擺轉以及各種復合運動，進而帶動母模實現六自由度復雜曲面的位姿定位。
4.如權利要求I所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述設備本體包括底座，底座一側設有立柱，在立柱上設有升降運動的橫梁，橫梁的驅動裝置與控制系統連接。
5.如權利要求I所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述三自由度擺頭主要由上支架和下支架通過兩個轉動副串聯所得，其中上支架上端與橫梁相連，隨橫梁沿Z向運動； 上支架下端裝有轉動軸I，轉動軸I與下支架采用相應的鍵I連接，轉動軸I位于上支架內的兩端分別安裝在滾動軸承上，實現相對轉動，在滾動軸承處設有軸承端蓋； 下支架下端裝有轉動軸II，轉動軸II與噴頭之間采用相應的鍵I連接，轉動軸II位于下支架內的兩端分別安裝在相應的滾動軸承上，實現相對轉動，在滾動軸承處設有軸承端蓋; 噴頭與噴嘴固結； 轉動軸I與下支架間以及噴頭與轉動軸II之間分別設有軸向定位裝置； 轉動軸I和轉動軸II分別通過各自的傳動裝置I和傳動裝置II與相應的動力裝置連接；兩動力裝置與控制計算機連接。
6.如權利要求I所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述動力裝置均為伺服電機，分別安裝在上支架和下支架相應的大端蓋上；傳動裝置I和傳動裝置II結構相同，均包括主動齒輪，它通過鍵III裝在伺服電機轉軸上，主動齒輪與從動齒輪嚙合，從動齒輪通過鍵II裝在轉動軸II或轉動軸I上；各伺服電機通過各自的伺服驅動器與控制計算機連接，在各伺服電機上還設有光電編碼器，光電編碼器與控制計算機連接。
7.如權利要求5所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述軸向定位裝置為安裝在轉動軸I和轉動軸II上的軸用彈性擋圈。
8.如權利要求I所述的高熔點金屬電弧噴涂機器人，其特征是，所述母模加熱裝置為電磁加熱器，它通過隔熱陶瓷塊放置在動平臺上；母模基體溫度和涂層溫度由溫度傳感器實時檢測，檢測的溫度數據反饋給電磁控制器，電磁控制器與控制計算機連接，控制計算機通過電磁控制器控制電磁加熱器對加熱溫度進行實時控制
專利摘要本實用新型公開了一種高熔點金屬電弧噴涂機器人，它結構合理，使用方便，模塊化程度高，成本低。它主要由設備本體，六自由度并聯平臺，三自由度擺頭，母模加熱裝置以及控制計算機組成；其中設備本體的底座上設有裝卡母模的六自由度并聯平臺，在設備本體的橫梁上裝有三自由度擺頭，三自由度擺頭裝有噴嘴且與六自由度并聯平臺的動平臺相對并配合工作，在六自由度并聯平臺的動平臺設有母模加熱裝置，同時三自由度擺頭隨橫梁沿著立柱進行Z軸方向進給運動；六自由度并聯平臺、三自由度擺頭、母模加熱裝置均與控制計算機連接。它不僅可實現任意復雜曲面母模基體的噴涂作業，而且可實現對大型母模基體，特別是大型汽車覆蓋件基體的噴涂加工，具有明顯的經濟和社會效應。
文檔編號C23C4/12GK202356230SQ20112050577
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者李長河, 王勝 申請人:青島理工大學