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1、华中科技大学硕士学位论文机器人等离子熔射制模工艺研究及轨迹规划姓名：郭明亮申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王桂兰20050506I摘 要 快速制模技术RT由于其低成本和快速响应市场的能力已成为实现新产品快速开发和抢占市场的关键技术因其具有不受模具尺寸和熔射材料限制熔射质量高等优点而受到广泛关注基于等离子熔射的快速金属模具制造过程中的关键问题是如何保证熔射层(皮膜)的成形性与成形质量熔射层厚度不均匀温度分布不均匀都会导致熔射层翘曲和脱落在等离子熔射过程中不同的熔射路径必然伴随着不同的动态热过程因此在等离子熔射工艺中熔射路径对熔射层温度场有着重大影响从而对熔射路径进行规划非常重要 本
2、文将结合本实验室对机器人等离子熔射路径单条轨迹截面形状进行测定的结果及计算出理论最佳熔射间距值分析不同熔射间距下皮膜温度场分布和皮膜成形性以确定熔射实验的最佳熔射间距 介绍了由 CAM 加工软件设计加工轨迹 把加工轨迹转化为等离子熔射六轴机器人运动轨迹方法的实现原理 实现流程及在轨迹转化过程中需要的计算并以 VC+为平台 开发出了由 CAM 加工轨迹到熔射轨迹的接口软件 在熔射时能够精确地控制等离子喷枪的运动轨迹喷枪角度喷枪移动速度以及喷涂距离实现等离子熔射过程自动化并提出了基于特征的熔射轨迹规划的思想介绍了特征的概念与分类基于特征的轨迹规划的实现思想实现流程及软件系统结构 最后以汽车覆盖件零
3、件为例进行了轨迹生成仿真与传输采用优化的熔射工艺参数和熔射路径进行实际等离子熔射实验成功地获得了所需的等离子熔射皮膜并制作出了模具验证了等离子熔射制模技术的可行性和实用性 关键词等离子熔射制模 机器人 熔射路径 轨迹生成 仿真 IIAbstract Rapid tooling (RT) has become more and more important for its low manufacturing cost and ability of rapidly responding to the market. Plasma spray metal tooling has obtained a
4、 special attention for its advantages of high quality and fewer limits on the patterns size and spraying materials. The key problem here is how to keep formability and coating quality in rapid spray tooling. In rapid spray tooling, different spray paths and different spray crafts must bring differen
5、t dynamic heat exchange, and the plasma spray path determines distribution of the temperature field for spray coating. So it is necessary to plan the spray path for robot plasma spray. In this paper, it has gained the optimized spraying space between two paths by analyzing the distribution of temper
6、ature field and formability of coating got from experiments in different spraying spaces and by analyzing results of the shape of section of a spray path and theoretic ally optimized spraying space that got from the former experiments by other members of our laboratory. The author introduced the met
7、hod of converting the manufacturing paths got from CAM to paths for the six axis robotic rapid spray tooling in this paper. Using the VC+ software, the author developed a path converting software, so that the robot can accurately control the path, angle and traveling speed of the plasma spray gun an
8、d the spray distance between the part and gun, achieving automation of the rapid plasma spraying, and introduced a method of feature-based path layout for plasma spraying, its concept and sorts of feature and the software system framework. Finally, the paper issues an example of a car cover die form
9、ing process. The track was generated, simulated and translated, and the plasma spray was realized according the track adopting a Z shaped spray path and optimized spraying parameters, gained better sprayed coating and made the mould and die of the part successfully, validated the feasibility and pra
10、cticability of the plasma spraying tooling. Key wordsPlasma spray tooling, Robot, Spray path planning, Track generation, Simulation III独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果近我所知除文中已标明引用的内容外本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书
11、 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 11 绪 言 1.1 课题的来源和意义 1.1.1 课题的来源 本课题来源于十五“863”制造自动化领域机器人主题项目2001AA421150“等离子数字化熔射快速制造汽车摩托车覆盖件模具” 1.1.2
12、 课题的目的和意义 进入 21 世纪,尤其是我国加入 WTO 以后,我国汽车工业迅猛发展,正在开发自己的轿车车型汽车工业是国民经济的支柱产业,汽车的更新换代主要取决于车身的开发周期而车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计与制造但是目前设计制造汽车覆盖件模具成为制约汽车更新换代的瓶颈环节如何提高实现汽车覆盖件的快速模具制造成为汽车行业竞争的关键因素之一而快速模具制造技术能够达到快速模具制造的要求 快速模具制造技术Rapid ToolingRT是集激光材料信息及控制等于一体的高新制造技术是近年来制造业技术发展的前沿热点之一机器人技术则是一门多学科交叉的综合性技术也是近年来发展非常迅速的热门学科之一
13、其应用范围正在逐渐扩大将机器人技术与快速模具制造技术相结合特别是采用机器人直接制造耐高温的熔射原型的工艺和机器人等离子熔射制模工艺是一种创新性的研究1-4等离子熔射快速模具制造Rapid Plasma Spray ToolingRPST是快速模具制造技术的一种具有不受模具尺寸熔射材料的限制和熔射质量高等特点可由快速原型或天然素材原型通过复制得到用于批量生产的模具因而受到人们的高度关注5-6等离子熔射制模有别于用于耐磨防腐蚀等表面改性改质的常规熔射不允2许熔射层与被熔射基体之间形成紧密的物理化学结合但要求有高精度的原型表面形状复制性和后工序可离型性如何在基体表面稳定地形成表面复制精度高致密且在成
14、品工序又易与被熔射原型分离的皮膜是熔射快速制模技术的关键这对熔射工艺设计以及与熔射过程相关的质量设计提出了严格要求 等离子熔射成形是一个高温高速的复杂过程影响熔射层皮膜成形质量的因素很多有 80 个之多7但其中比较重要的有十几个而熔射层形成时出现的问题主要是由于温度和应力分布不均衡导致熔射层翘曲甚至破坏影响熔射层形成的因素很多其中喷枪的运行轨迹对熔射层的温度和热应力均匀分布厚度的均匀性影响显著所以对在等离子熔射成形过程中成形工艺中的熔射间距研究就显得非常重要 以往等离子喷枪由人工操作喷枪的位置角度移动速度喷枪到工件的距离等轨迹参数都不可能很精确控制难以定量地形成熔射轨迹所以单凭人工经验很难得到
15、模具表面最佳熔射层质量为了保证获得具有良好质量的模具表面等离子熔射层需要精确控制喷枪的角度运动路径移动速度以及其到工件的熔射距离等参数形成合理的熔射轨迹由于机器人具有工作范围大柔性强高精确性的特点有必要采用机器人来代替人工进行等离子熔射操作研究机器人熔射轨迹自动生成的方法得到最佳的等离子熔射轨迹 本文研究的目的是通过理论与实验相结合的方法确定影响等离子熔射皮膜成形的一个重要参数 熔射间距同时针对机器人等离子熔射过程进行离线编程把由 CAM 得到的加工轨迹转化为能用于等离子熔射过程的机器人轨迹 并通过具体零件的等离子熔射实验验证等离子熔射制模工艺可行性和实用性 1.2 国内外研究概况 1.2.1
16、 快速成型及快速制模技术 1.2.1.1 快速成型技术 快速原型技术RPRapid Prototyping Technology是基于离散/堆积成形原理的3新型数字化成形技术7它是在计算机控制管理下将零件的 CAD 模型离散为一系列二维层面通过材料的精确堆积制造原型或零件RP 概念的提出可追朔到 1979年日本东京大学中川威雄教授发明的叠层模型造型法81987 年美国 3DSystems 公司推出第一台快速原型实用装置标志着 RP 技术的实用化近年来随着激光材料科学和计算机技术的发展快速原型技术已日趋成熟10-12 自从 1987 年美国 3DSystems 公司推出第一台基于 SLAStereo Lithography Apparatus:立体光刻工艺的快速成型机 SLA1 以来国外许多快速成型系统开发公司都就快速成型工艺及材料等方面开展了工作并推出了商品机比较著名的有美国 Helisys 公司的 LOM
