摘要：作者將要討論的是普通噴涂及特別是熱噴涂中連續(xù)工藝中路徑生成的研究試驗(yàn)。目標(biāo)是對(duì)噴涂機(jī)器人的離線編程進(jìn)行工藝仿真。把工藝模型與機(jī)器人及工件的模型集成于單個(gè)CAD“專門應(yīng)用軟件包”中，簡(jiǎn)化了噴涂任務(wù)的準(zhǔn)備及優(yōu)化工作。本論文將描述應(yīng)用軟件包的原則和規(guī)范，強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)方面：工藝建模本身，和運(yùn)動(dòng)生成，該運(yùn)動(dòng)生成考慮了熱噴涂約束條件的允差。

1．導(dǎo)言

現(xiàn)在CAD系統(tǒng)的性能及計(jì)算功率允許在制造工藝的建模中進(jìn)行一定的擴(kuò)展。通過離線編程，可用模型來確定工具路徑。這一手段對(duì)熱噴涂是非常有價(jià)值的，它涉及到覆蓋復(fù)雜表面的連續(xù)軌跡的編程問題，該復(fù)雜表面在噴涂速度、位置及噴射距離上有嚴(yán)格的限制。

工藝建模是復(fù)雜的，涉及物理現(xiàn)象，這些物理現(xiàn)象有時(shí)難于控制并且與CAD系統(tǒng)所使用的相互影響手段決不相容，并因此常常只受工藝幾何圖象的限制。對(duì)于熱噴涂工藝或噴漆工藝，輸出變量就是涂層厚度及均勻性。實(shí)驗(yàn)圖表通常允許因物理現(xiàn)象（基底的種類、粉末的種類等）而作出修改及相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出變量。

本文討論的是基于等離子噴涂工藝CAD模型的機(jī)器人編程問題。在討論用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了的模型之后，描述了從該模型生成運(yùn)動(dòng)的一種方法，以保證在簡(jiǎn)單的曲面上形成指定厚度的均勻等離子沉積層。該方法是根據(jù)Froissart(Froissart1991;Froissart1993)為弧焊提出的方法而推導(dǎo)出來的，我們使它適用于處理往返點(diǎn)之間及固定方位的運(yùn)動(dòng)。最后，介紹了等離子噴涂的最初結(jié)果。

2．目標(biāo)：機(jī)器人編程

2．1 現(xiàn)代機(jī)器人編程技術(shù)的局限性

為提高質(zhì)量和產(chǎn)量而日益采用工業(yè)機(jī)器人來完成噴涂作業(yè)。噴涂機(jī)器人通常是在任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工示教來編程。實(shí)際上不可能使噴頭的工具中心點(diǎn)（TCP）具體化，但它與噴涂圓錐有聯(lián)系（圖1）。工具只能靠視覺來定位。然而，噴涂工藝對(duì)機(jī)器人的位置及噴具的速度的控制要求非常嚴(yán)格。對(duì)簡(jiǎn)單工件的編程是不困難的，但如果對(duì)彎曲表面要保持工藝約束條件的話，編程很快就變得麻煩了。

圖1 噴涂工具坐標(biāo)
由于連續(xù)工藝中與機(jī)器人有沖突的局限性（缺點(diǎn)），設(shè)計(jì)者被迫采用最簡(jiǎn)單形狀的零件。例如，加熱爐只用帶45°倒角的平滑零件來組成，以保證能對(duì)機(jī)器人容易地編程。因此，重要的是根據(jù)應(yīng)用的工藝把零件的形狀加以分解（按不同類型加以區(qū)別）。

2．2 CAD編程：原理及優(yōu)點(diǎn)

用CAD系統(tǒng)來完成圖形編程對(duì)連續(xù)工藝是有利的。CAD系統(tǒng)提供了一些手段用以驗(yàn)證與機(jī)器人或工藝本身有關(guān)的某些約束條件消失了。

對(duì)于熱噴涂，我們的目標(biāo)是使運(yùn)動(dòng)生成與工藝仿真結(jié)合起來：軌跡的幾何圖形的確定將由工藝參數(shù)值加以充實(shí)。目的是對(duì)機(jī)器人要素：姿態(tài)、路徑（插入若干姿態(tài)的軌跡）、通路（為涂覆整個(gè)表面而采取用的一組聯(lián)接的路徑）、任務(wù)（整體工藝）建立分級(jí)體系。每一級(jí)都結(jié)合了與工藝有關(guān)概念的例子，諸如厚度或線速度（表1）。

例如，所有各級(jí)都知道最終厚度，但必須在最高一級(jí)（即在“任務(wù)”級(jí)）來確定。相似地，雖然通過繼承，它已被所有較低的級(jí)所知曉，但它只能在任務(wù)級(jí)中修改。

級(jí)和繼承的概念為軌跡的生成提供了更相容和更豐富的結(jié)構(gòu)。但是，離線編程中產(chǎn)生的虛擬模型與實(shí)際模型間的一致性方面問題，使得需對(duì)機(jī)器人及其環(huán)境模型進(jìn)行修正。
表1 級(jí)定義及要素分布
D：可變定義，H：繼承，X：未知變量

2．3 具體應(yīng)用任務(wù)的要求

當(dāng)CAD技術(shù)能對(duì)關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí)，工藝模型的集成就可能對(duì)機(jī)器人任務(wù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。對(duì)于噴涂來說，在仿真過程中必須對(duì)表面上沉積形狀的形成進(jìn)行模擬。沉積模型（圖2）是在研究熱噴涂（Fashing等，1993年）和涂漆(Hy?tyniemi等，1990年)的基礎(chǔ)上建立的，在該兩項(xiàng)噴涂中涂料在噴涂圓錐中的分布典型地接近高斯曲線。建立噴涂模型意味著根據(jù)機(jī)器人參數(shù)及工藝參數(shù)的演變?nèi)ビ?jì)算新的涂料分布情況，據(jù)此就可繪制出涂料在表面上的厚度。分布情況可由數(shù)學(xué)模型或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ蛠慝@取。

圖2 用ROBCAD對(duì)噴漆進(jìn)行仿真
采用數(shù)學(xué)模型（Hy?tyniemi等，1990年）時(shí)，沉積厚度h的演變由以下函數(shù)（規(guī)律）確定：

h=f(d,α,x,v) (1)

它可用特有的噴涂圖形來說明（圖3），圖中d是噴射（涂）距離，α是噴涂角，x是在噴涂圓錐中的位置，而v是噴炬的線速度（h與其它變量的關(guān)系較小，在我們的實(shí)踐中予以忽略不計(jì)）。

圖3 連續(xù)的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)Hy?tyniemi的研究，其結(jié)果可能是正弦曲線或高斯曲線。用這種方法確定的數(shù)學(xué)函數(shù)適用于工藝的噴涂幾何條件及物理現(xiàn)象。因此模型是復(fù)雜的，而運(yùn)行時(shí)間是緊張的；通過集成工藝物理?xiàng)l件，噴涂圓錐內(nèi)涂料顆粒的路徑必須確定下來，然后這一方程式必須推廣到整個(gè)噴涂圓錐以獲得沉積層的整個(gè)形狀。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停‵ashing等，1993年）是基于實(shí)驗(yàn)近似法，只給出沉積層形狀的幾何圖形演變情況。此處只考慮由于噴炬位置及方向變化而導(dǎo)致的改變。我們出于它的計(jì)算效率而選用了第二種方法。對(duì)于給定的噴涂配置（噴炬、功率及基底材料）完成了一系列簡(jiǎn)單樣件的測(cè)試，而沉積層的形狀由連貫的金相橫截面圖（圖4）來確定。其結(jié)果是得出一組（x,h）坐標(biāo)。如果噴炬的位置和斜度改變了，根據(jù)實(shí)時(shí)的噴涂參數(shù)，得出的結(jié)果是一組新的點(diǎn)（x',h'）。

圖4 測(cè)試樣件的金相橫斷面圖
對(duì)于噴炬的精確速度給出了基本分布狀態(tài)；只在相同的速度時(shí)，所有計(jì)算出的分布狀態(tài)才是有效的。由于涂料流速是固定的，當(dāng)橫移速度改變時(shí)，沉積的涂料數(shù)量的重量隨速度的變化率而改變。因此變量只有速度、噴射距離及傾斜角。

這一幾何圖形是建立在位于噴射半徑上的涂料是恒定的基礎(chǔ)上的。利用同族矢量表示，通過變換法由參考分布狀態(tài)來確定新的分布狀態(tài)，該變換法包含被噴表面的轉(zhuǎn)動(dòng)R和平移T（圖5）。通過簡(jiǎn)單的幾何變換來重新構(gòu)成新的分布狀態(tài)；因此：

H = T×R（2）

此處H決定轉(zhuǎn)動(dòng)α′及平移（d′- d ）。如果X點(diǎn)在參考分布狀態(tài)的一組點(diǎn)之外及X′在新分布狀態(tài)的一組點(diǎn)之外，則：