摘 要: 介绍了作为再制造工程关键技术之一的电弧喷涂技术的研究现状及发展趋势，阐述了电弧喷涂关键设备中的电源和送丝机构的发展，指出推-拉式送丝系统是今后发展的重点。介绍了国内外对机械化喷涂装置和喷涂机器人系统研究与应用现状。对自动化电弧喷涂工艺中的机器人路径规划和机器人实时监控等主要工艺进行了介绍。展望了自动化电弧喷涂技术的发展趋势，主要包括提高自动化电弧喷涂技术的性能和质量及实现完全意义上的智能化的自动电弧喷涂技术。
关键词:电弧喷涂；自动化；再制造工程；机器人喷涂
0 引 言
电弧喷涂是以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺。作为再制造工程的先进技术之一，它有着节约能源、经济性好、安全性高、喷涂效率高、涂层性能优异、设备相对简单、便于现场施工等特点。此项技术可赋予零件表面优异的耐磨、防腐、防滑、防辐射、耐高温等性能，因此它在许多国家都得到了重视，在机械制造、电力电子、航天、航空、能源、交通、冶金、国防等领域得到了广泛的应用[1]。
电弧喷涂的工艺参数主要包括电弧电压、电弧电流、送丝速度、气体压力、气体流量、喷枪与基体的距离及角度等。传统的电弧喷涂都是通过人工控制这些参数，控制精度低，且作业环境恶劣，很大程度上影响了电弧喷涂技术的质量和它的发展。为此，国外早期就展开了自动化电弧喷涂技术的研究，并取得了较快的进展，许多技术已投入到了实际生产中。国内在这方面的工作开展相对较慢，与世界先进水平相比还有很大差距，许多研究成果仍处于实验室研究阶段。为此，本文将重点介绍自动化电弧喷涂技术在设备、工艺研究及应用等方面的进展，并在此基础上，分析今后自动化电弧喷涂技术的研究重点。
1 自动化电弧喷涂技术的研究进展
1.1 自动化电弧喷涂设备的研究
为提高电弧喷涂工艺的质量和效率，改善作业环境，适应再制造工程技术的产业化生产要求，电弧喷涂逐渐向自动化方向发展，成为当今的一大研究热点。自动化电弧喷涂设备主要包括电弧喷涂关键设备和喷枪运动控制设备（即自动化装置）。
1.1.1 电弧喷涂关键设备的研究
自动化喷涂系统所使用的电源，在设计方面正朝着大功率、智能化、自动化、高效节能以及小型化的方向发展，逆变电源是当前的研究重点之一。如 2001 年，华中科大的熊腊森等人研制出的电源是基于脉宽调制的逆变式电弧喷涂电源，这种电源的体积和质量都非常小并具有良好的动特性和控制特性，因此大大改善电弧喷涂的工艺性能。2002年他们在此基础上又研究设计出稳定、调节性能好、保护功能可靠、控制方式灵活的新电源，采用全桥变换电路，使用 FLEX10K 作为控制器，由其输出 PWM 驱动脉冲，经 EXB841 驱动 IGBT。输出电压采用 PI 调节，PI 调节器由软件实现，并具有过流保护功能，输出电流电压由 FLEX10K 同时送出显示信号[2]。
电弧喷涂送丝机构是保证稳定、连续、长时间喷涂的关键设备之一，在自动化喷涂系统中的作用尤为突出。因此，为了提高涂层质量，获得满意的喷涂效果，对电弧喷涂送丝机构的研究一直是国内外的研究重点。如沃伦发明了一种电弧喷涂送丝控制器，通过监测电弧的电流，将得到的电流值反馈到控制系统，与设定值进行比较，从而输出一个反馈电压作用于送丝电机上，调整送丝电机的速度就可以实现送丝速度的调整。该闭环控制器通过监测给定电流与实际电流之间的误差来调整线材进给速度。Gho[3]等人研制出速度环和电流环的双环控制的送丝系统，取得了很好的效果。魏文虎发明了一种金属电弧喷涂机微型送丝装置，其主要是针对压紧器做了结构上的改进，减轻了送丝机的体积和重量，但对稳定送丝速度没有提出改进建议。张甲英研制出具有一定智能的、以单片机为核心的新型电弧喷涂系统，采用模糊控制方法实现对电弧电流、电弧电压、丝材状态等参数的全过程优化控制、对各种故障进行报警、对喷涂丝的用量进行统计并进行定量显示，方便操作者对涂层厚度进行估算，取得了一定的效果。
为了进一步提高自动化电弧喷涂的稳定性，国外出现了推－拉式的送丝系统，即在喷枪部位安装一小功率的拉式送丝机构外，在后部还装有大功率的送丝机构，并成功解决了二者的同步性。国内则还未见相关的报道。
1.1.2 机械化喷涂装置的研究
电弧喷涂的工况非常恶劣，常伴有高温、低压和有毒气体的情况出现。因此，人们为摆脱手工式的电弧喷涂设备在不断努力研制新的设备来代替它。机械化电弧喷涂的出现，在一定程度上解决了这一问题。除此以外，大面积长效防腐对喷涂层质量和喷涂效率提出更高的要求，以往的手持式电弧喷涂设备已不能满足现场施工要求，为此发展大功率机械化电弧喷涂设备是形势所迫、大势所趋，并成为大面积长效防腐的发展趋势。
小型化机械化电弧喷涂装置由操作机、变位机和控制系统构成。如操作机可设计成三轴联动结构，它由 X、Y、Z 三个联动轴组成，各轴根据工件的适用范围采取不同的结构和传动方式：X 轴，主要完成工件横向上的喷涂，根据工件的相关尺寸，确定相应的技术参数。Y 轴，主要完成喷枪位置的调整和轴类偏心部件的喷涂，该轴主要起支撑喷枪和狭小范围运动。Z 轴，主要完成轴类零件在高度方向上的喷涂和带动 X 及 Y 轴联动载荷下的运动合成。变位机与三轴联动操作机配合可实现轴类零件的圆周位置的喷涂和缸体工件的支撑。2002 年中国矿业大学的严生贵等人对机械化电弧喷涂装置及应用进行了研究，机械化电弧喷涂装备是一套机、电、气一体化的半自动设备，它包括以下几个主要部分，见图 1。
1.1.3 喷涂机器人系统的研究
国际上机器人在喷涂领域的应用已有 20 多年的历史。较早利用该技术的有美国的 minhit 公司、fudge 公司、德国的 hatel 公司等。20 世纪 80 年代起，德国的 hatel 公司在 h16 机器人上首次采用气压控制的间或流量控制系统装有抽吸装置的内置阀，可避免初使污染[5]。随着喷涂机器人技术的不断创新，喷涂精度空前提高，在世界发达国家喷涂机器人得到了广泛的应用。90 年代起，机器人技术在我国也不断得到了运用和发展。我国航空航天部703 所、625 所均有热喷涂机器人在实验室工作，主要用来喷涂一些比较重要及特殊要求的零件，比如在低真空条件下进行喷涂等。
早期机器人任务程序主要是以在线示教方式编制的，它有很多缺点，因此人们研究出离线编程的方法。离线编程的优点在于其有极大的灵活性、良好的安全性和较低的成本。它的重要特征是机器人编程和调试不直接使用机器人及现场环境，而是以机器人模型为基础，它的设计与实现紧密依赖于CAD/CG(Computer Graph)技术。实质是一种虚拟制造系统。离线编程最重要的作用是离线调试程序，最直观有效方法是利用图形仿真技术模拟机器人的作业过程，计算机动画显示是机器人离编程系统的重要组成部分[6]。20 世纪80 年代初，美国 McAuto公司研制成功 4 套用于机器人的软件模块:PLACE、UILD、COMMAND、ADJUST，尤其是PLACE 模块，用户可在其提供的交互式图形界面上设定机器人的运动路径，并可在其图形终端上仿真机器人的运动过程，这是较早把离线编程技术用于机器人的文献记载。1998 年，法国学者 MontilletD[7]在喷涂机器人应用方面做了一些工作。他采用离线编程方法，对喷枪进行路径规划，同时可对喷枪的姿态、喷枪与基体之间的距离、喷枪角度等参数进行控制，满足连续喷涂时喷枪运动的条件。
目前国内主要对离线编程进行研究的单位有广东工业大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学、江苏理工大学和北京工业大学等，主要用于弧焊机器人和喷漆及喷涂机器人的控制。
1.2 自动化电弧喷涂工艺的研究
喷涂工艺的参数涉及到热源、材料、雾化、操作等方面，主要的工艺参数多达十几个，甚至几十个，而且这些参数之间都彼此影响。对于自动化电弧喷涂工艺来说，主要的操作参数包括：喷涂距离、喷涂角度、喷枪移动速度。我们要想精确控制这三个参数，就必须使用可编程机器人来实现。而路径规划和实时监控是可编程机器人要实现的主要问题。
1.2.1 机器人喷涂路径规划
“喷涂机器人路径优化”是喷涂工艺控制的一部分[8]，它主要研究如何结合实际喷涂工件对机器人的编程路径进行优化。
路径是指操作臂每个自由度在运动过程中每时每刻的位置、速度和加速度，路径规划是指根据作业任务要求，关于末端执行器在工作流程中位姿变化的路径、取向以及它们的变化速度和加速度的人为设定。路径规划主要涉及到以下三个问题[9]：(1) 对机器人的任务进行描述，并对操作臂的运动路径进行描述。
(2) 根据所确定的路径参数，在计算机内部描述所要求的路径。
(3) 对内部描述的路径进行计算，即根据位置、速度、和加速度生成实际运动路径。
路径规划一般由路径规划器来完成，它接受的输入包括路径的设定与约束，输出操作臂手部的位姿序列，按时间排列表示手部的各个中间形位。路径规划一般有两种常用的方法：
第一种要求用户对选定的路径节点上的广义位置、速度和加速度给出一组显示约束（例如连续性和光滑程度等），路径规划器从一类函数（例如 n次多项式）中选取参数化路径，对节点进行插值，并满足约束条件。
第二种方法是要求用户以解析式给出操作臂的路径，例如直角坐标空间的直线路径，路径规划器在关节空间或直角坐标空间中确定一条路径来逼近预定的路径。
1.2.2 机器人实时监控
“机器人实时监控系统[8]” 是对机器人的运动轨迹加以记录、保存，输出所需的关键数据，控制机器人的启动、装载并运行程序、中断机器人的运行、管理机器人内部 flash 存储等。主要是针对精确了解喷涂机器人的实际运动轨迹进行的一系列研究。用该系统可保证喷涂的均匀性、一致性，提高涂层的机械性能，对提高喷涂的质量具有重要的意义。在国外已经展开了这方面的工作，国内则还未有研究。
2 自动化电弧喷涂技术的应用
目前，国内外已将自动化电弧喷涂系统应用于装备零部件的维修与制造。其中汽车模具的生产技术比较成熟并已形成规模。汽车样车试制模具(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，在国内外覆盖件金属模具的主流制造技术中，如消失模铸造技术、大型精密数控铣削加工技术、高速数控铣削加工技术等，由于存在着生产周期长、费用高的问题，因此难以满足样车试制和小批量生产的要求。近期发展起来的金属电弧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。因此是制造汽车覆盖件试制模具的一种较为理想的方法[10]。2004 年，西安交通大学机械工程学院的何仲赟、卢秉恒等人研制出面向汽车覆盖件模具快速开发的金属喷涂机器人。
将自动化电弧喷涂技术应用于汽车行业在国外已有 50 多年的历史，在技术标准、生产工艺、加工设备上都具有一定的规模。如苏寿尔·美科公司把机器人电喷涂技术应用于汽车工业进行维修与制造。在国内，车辆再制造的研究应用尚处于起步阶段。在济南、上海、北京已经建立了汽车发动机的再制造生产线，具备了一定的再制造能力。
3 展 望
综上所述，目前的电弧喷涂技术必将被自动化电弧喷涂技术所代替，但自动化电弧喷涂技术还处于初级阶段，需要我们不断完善和提高。无论是在喷涂设备方面还是软件控制方面，都尚待深入的研究。本文建议今后自动化电弧喷涂技术的研究重点应放在以下几个方面：
(1) 提高自动化电弧喷涂技术的性能和质量，解决研究过程中的难题，并加快实际推广应用的步伐。目前，开发的机器人电弧喷涂系统性能还不够稳定，许多难题有待解决，如机器人运动控制与喷涂控制之间的同步问题，喷涂过程中各种参数的实时监控等问题。
(2) 将自动化电弧喷涂技术应用于装备再制造工程中。再制造工程是产业化生产的行业，而自动化喷涂技术具有喷涂效率高、涂层质量稳定、规模化生产程度高、节能节材等优势，将成为再制造工程中不可或缺的先进技术。
(3) 将自动化电弧喷涂技术用于典型零部件的快速成型与制造。如模具生产、零件的快速制造等。
(4) 与智能控制技术相结合，实现完全意义上的智能化的自动电弧喷涂技术。电弧喷涂过程的参数非常多，除了常规的喷涂材料、喷涂电压、电流等，还有一些状态参数，如粒子温度、速度及分布变化等，如果我们在自动化喷涂过程中，能将这些参数进行实时监控，并和涂层质量和性能间建立有效的模型，在喷涂过程中实时优化喷涂工艺参数，实行智能化控制，以减小实验优化环节，提高涂层质量，将能极大的促进电弧喷涂技术的发展。
参考文献略
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