三维CAD数据直接驱动专用机器人运动的方法 【技术领域】
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及基于快速原型技术的快速模具制造技术，涉及汽车新车型开发与样车试制，特别涉及一种三维CAD数据直接驱动金属电弧喷涂快速制造模具的机器人运动的方法。
背景技术
将传统的模具制造技术与CAD/RE、RP等技术相结合，为新产品开发提供快速、低成本的系统集成技术，是一种新型的快速模具制造技术。为实现电刷镀/电铸-电弧喷涂复合成型模具制造技术和研制出相应的一体化智能设备，必须研究适合的三维实体零件分层处理技术，开发出相应的软件，同时要解决三维实体零件在计算机坐标系和在一体化智能设备坐标系中的转换问题。
金属电弧喷涂制模工艺是指在RP原型或者RP原型翻制的过渡模上采用电弧喷涂的方法快速沉积一层致密地低熔点金属薄壳，然后用树脂、金属复合材料等进行补强，从而制作出注塑模或板料冲压模具的一种快速经济制造简易模具的方法。
金属电弧喷涂制模的方法对于大中型模具制造在周期和成本方面具有很大的优势。高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲难以在原型表面附着成型；而Zn或Zn-Al伪合金等低熔点金属虽然喷涂制模效果好、工艺成熟，但涂层硬度太低，影响了喷涂模具的适用范围。
电刷镀技术是应用电化学沉积原理，在能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。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。
电弧喷涂沉积效率高，但涂层硬度低；电刷镀可以获得高强度和高硬度的镀层，机械性能好，但沉积速度低，将两者结合起来是一种较为理想的快速模具制造方法。
目前电弧喷涂和电刷镀多为手工操作，当模具表面积过大时，电弧喷涂和电刷镀劳动强度太大，人工操作难以承受，并且无法保证模具质量。因此，电弧喷涂电-刷镀过程自动化，对于大型模具制作非常重要，制造工艺过程自动化水平的高低直接影响模具制造质量和制造周期，也将直接影响到该技术的推广应用。
【发明内容】
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种简便的三维CAD数据直接驱动金属电弧喷涂快速模具制造的制模专用机器人运动的方法，利用本发明，制造金属喷涂模具，加工周期是传统NC的1/3～1/10，费用为传统NC的1/3～1/5或更低。
实现上述发明目的的技术方案是，一种三维CAD数据直接驱动专用机器人运动的方法，将数据模型的切片技术和机器人控制技术结合起来，该方法包括汽车覆盖件冲压模具三维CAD数据的生成；数据模型的分层处理；逐层切片方法；三维实体零件在计算机坐标系和在快速制模设备坐标系中的坐标转换；机器人的执行机构，其特点是：
汽车覆盖件冲压模具三维CAD数据来自三维CAD软件；数据模型的分层处理采用STL模型整体拓扑信息的分层处理方法；切片后输出SLF格式文件；三维实体零件在计算机坐标系和在快速制模设备坐标系中的坐标转换采用三点定位法则；机器人的执行机构为伺服电机和步进电机驱动的运动机构。这样处理的优点就是大大地简化了CAD模型的数据格式，数据模型切片输出SLF格式文件，作为机器人的输入，自动生成喷枪/刷镀笔运动路径、运动参数，无需人工编程即可自动完成机器人的运动控制、电弧喷涂和电刷镀装置的参数控制。
上述方法中，在汽车覆盖件冲压模具的金属电弧喷涂快速模具制造过程中，三维的CAD模型首先要转化为标准STL格式模型：用平面三角面片近似模型的表面。
上述方法中，数据模型切片输出SLF格式文件，是一种包含模具型面法矢信息的分层数据；输出的切层SLF文件格式也有ASCII格式和二进制格式两种形式；
机器人由模具型面的三维CAD数据直接驱动，以模具的三维CAD模型作为控制系统的输入，对模具CAD模型进行分层处理，自动生成喷枪/刷镀笔运动路径、运动参数。
上述方法中，已知一个实体模型上的线性无关三点在CAD中的坐标，也已知这三点在电弧喷涂及电铸-电弧喷涂模具快速制造设备系统中的坐标，通过坐标变换，将实体模型在CAD中的坐标转换到电铸-电弧喷涂模具快速制造设备系统中。
机器人机械本体主要包括底座、横梁、升降臂、喷枪/刷镀笔姿态调整手腕等；底座上设置X方向移动轴，横梁上设置Y方向移动轴，升降臂上设置Z方向移动轴，X、Y、Z轴互相垂直，构成三维直角坐标系统，是机器人的定位机构；机器人手腕安装在升降轴下端，具有轴线互相垂直的R、P两个转动轴，是喷枪/刷镀笔的姿态调整机构；机器人手腕上特别设计有双平行四边形机构，由P轴带动作摆动运动，喷枪/刷镀笔安装在该双平行四边形机构中平行于连架杆的活动构件上，并且喷枪/刷镀笔的轴线与该双平行四边形机构的连架杆平行；通过手腕调整喷枪或镀笔的姿态时，喷枪/刷镀笔的工作点空间位置保持不变，机器人定位机构与姿态调整机构互不影响。
电刷镀和电弧喷涂两种作业的工艺参数都由计算机控制，根据模具型面特征自动优化电弧喷涂和电刷镀工艺参数，作业过程中喷枪/刷镀笔始终与母模表面保持垂直，并且喷枪/刷镀笔的工作点与模具表面的距离保持不变。
本发明将使得机器人的运动轨迹控制非常简便、可靠。
【附图说明】
图1是电弧喷涂-电刷镀复合成形金属喷涂模具快速制造技术路线框图；
图2是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人控制数据准备流程图；
图3数据模型切片流程图；
图4是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人控制流程图；
图5是三维实体零件在两种坐标系中的三点定位法则；
图6是金属电弧喷涂模具快速制造专用机器人结构图；
【具体实施方式】
以下结合附图实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1给出了电弧喷涂-电刷镀复合成形金属喷涂模具快速制造技术路线框图。待喷涂的母模可以是RP原型或过渡模型、数控加工得到的非金属模型、零件实物样件等，在喷涂前，母模表面抛光(先涂一层离型剂，然后均匀地涂上一层脱模剂，静置约30min)，然后用电弧喷枪喷涂制模金属以形成具有一定厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直。喷涂完成后切除不必要部分，再把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内，接下来在模具工作表面电刷镀一定厚度的高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直，最后就可以得到半金属模具。
1、金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造专用机器人控制原理
如图2所示，机器人接收到模具三维CAD设计数据后，首先将CAD模型转化为标准STL格式模型，为后续的分层处理做好准备。然后，用计算机上的分层处理软件进行分层处理，就可以输出包含模具型面法矢信息的分层数据(简称全息数据，以区别于传统RP设备中应用的不带法矢的分层数据)。机器人根据分层处理所得到的全息数据自动生成喷枪/刷镀笔运动路径、运动参数，无需人工编程，就可以控制喷枪/刷镀笔按优化的工艺轨迹运动，自动完成电弧喷涂和电刷镀两种工艺作业。
数据模型切片可以选择X、Y、Z任一方向，设定分层平面范围，设定分层厚度，将分层轮廓存贮于指定数组，供以后使用。图3为数据模型切片流程图。
图4所示为该机器人的控制流程图。该机器人以模具的CAD模型作为输入，由模具型面的三维CAD数据直接驱动，无需人工编程即可自动完成模具型面的金属电弧喷涂和电刷镀作业。
2、三维实体零件在计算机坐标系和在快速制模设备坐标系中的定位法则
根据电弧喷涂及电铸-电弧喷涂模具快速制造设备的要求，三维实体零件在计算机坐标系和在快速制模设备坐标系中的定位法则为：已知一个实体模型上的线性无关三点在CAD中的坐标，也已知这三点在其电铸-电弧喷涂模具快速制造设备系统中的坐标，通过坐标变换，将实体模型在CAD中的坐标精确地转换到电铸-电弧喷涂模具快速制造设备系统中。图5为三点定位算法流程图，图中D为计算矩阵。在计算机图形学中，坐标变换主要是通过矩阵相乘来实现的，所以必须找出一个坐标变换矩阵，将数据分别与此变换矩阵相乘，用齐次坐标技术来描述空间的各点坐标及各种变换，实现坐标变换。将原来坐标乘以 计算出的坐标变换矩阵，就得出变换后的坐标。但是，要确保计算前后三点组成的三角形权等，否则，经变换后的物体就会变形。
3、金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造专用机器人机械本体
如图6所示，机器人是具有五个自由度的直角坐标型机器人，具有X、Y、Z三个移动自由度和R、P两个转动自由度。该机器人定位机构采用龙门式结构，X、Y、Z三个移动自由度构成机器人的三维直角坐标定位系统，用于实现喷涂/刷镀工作点的空间定位。手腕(参考点)具有R、P两个相互垂直的转动自由度，安装在Z轴的下端，是喷枪或镀笔的姿态调整机构，手腕上特别设计的双平行四边形机构实现了转动自由度与移动自由度的解耦，进行喷枪或镀笔的姿态调整并不改变其工作焦点的空间位置，从而大大简化了喷枪或镀笔的运动控制。
机器人五个轴中，X与Y轴采用了伺服电机驱动，Z、R及P轴采用了步进电机驱动。X和Z轴采用齿轮齿条传动，Y轴采用丝杆传动，R与P轴采用同步带传动。各轴均采取了反向间隙消除措施。