等离子体表面改性机器人系统实现
随着工业4.0时代的到来，多种人力劳动将逐步被机器所取代，工业机器人的出现就是人类利用机械进行工业生产的重要产物。本文主要实现了一种等离子体表面改性机器人系统，主要内容由以下几个部分组成：首先阐述等离子表面改性机器人的研究背景、意义、发展历史以及本文的主要工作；讲述等离子表面改性机器人系统的各部分组成及其选用依据；根据测量数据建立工件模型，并对其进行程序编写和路径生成，最终实现自动运行。
目 录
引言 1
一、等离子喷枪和夹具的概述 2
（一）等离子喷枪的定义和原理 2
（二）大气压等离子体处理的特点 2
（三）等离子体喷枪与机器人结合的优点 2
（四）夹具的定义和分类 2
（五）夹具的选用 2
二、机器人系统 3
（一）硬件组成 3
（二）坐标选择 4
三、等离子体表面改性机器人系统实现 4
（一）机器人的性能与参数 5
（二）喷枪选择 5
（三）夹具设计 6
四、喷枪机械手臂仿真轨迹 8
（一）数据的设定 8
（二）程序概述 9
1. 平面的处理 9
2. 几何体面的处理 10
3. 不规则曲面的表面处理 11
4. 球体表面改性处理 12
（三）相邻子区域轨迹优化 13
五、虚拟仿真运行 14
总结与展望 16
参考文献 17
谢 辞 18
引言
表面改性作业对工人的健康危害较大，而且动作单一重复、容易疲乏，劳动强度高，影响产品质量的稳定性。因此，用机器人代替人工进行表面改性作业的是势在必行的趋势。作为应用最广的工业机器人之一，喷涂机器人在国外发展最早，挪威公司推出了全球首台喷涂机器人。喷涂机器人已在传统的耐磨、耐热、抗氧化腐蚀方面已经有了广泛的应用。然而，与喷涂技术类似的大气压等离子体表面改性技术是一种新兴技术，还尚未实
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现与机器人技术结合。针对这一应用前景巨大的新兴技术，本文通过设计夹具，尝试将等离子体喷枪与KUKA机器人集成，并实现一些简单的轨迹的运动。 一、等离子喷枪和夹具的概述
（一）等离子喷枪的定义和原理
等离子喷枪是用于形成和控制等离子射流以进行表面改性作业的装置。它主要由等离子发生器和枪体组成，工作原理是：由压缩机向喷枪输送工作气体，然后在喷枪阴阳极施加高频电压，使工作气体电离形成等离子体，并随着气流喷出枪口，这样就可以利用喷出的射流进行表面改性作业。与常规等离子体喷枪相比，大气压等离子喷枪具有运行温度低、可控性好、操作简单等特点，但其产生的等离子体体积小，不适合大面积处理[1]。现阶段,大气压等离子体喷枪已在生物化学领域、材料表面处理领域、环境工程领域进入了实用化阶段。
（二）大气压等离子体处理的特点
大气压低温等离子处理技术是近年来发展起来的一种新型的放电喷射技术，与其它形式等离子体技术相比，具有放电温度低，放电装置灵活，化学活性可控性好等方面的特点，大气压等离子处理技术由于使等离子产生区与应用区分离，能有效解决高昂维护费，难以大规模生产，限制工件尺寸的问题，因此在材料表面的改性、杀菌消毒以及生物化学等方面具有广阔的应用前景。
（三）等离子体喷枪与机器人结合的优点
以喷涂机器人为参照，等离子体表面改性机器人可采用5或6自由度关节式结构，这样手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动，相应的优点有：
①可以持续作业，另外改善工人的劳动条件，使用机器人后，产品质量提高，方便技术人员及时了解现场实际生产情况，控制产品质量，减少人为的操作失误造成产品尺寸超差，可追溯性强；
②工作范围大，升级可能性大，可实现内表面及外表面作业；
③提高表面作业轨迹的准确性及处理的均匀性；
④可实现模块化设计，能保证快速安装和更换元器件，极大的减少了维护修理时间。
（四）夹具的定义和分类
机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置，又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具，例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。
夹具种类按使用特点可分为：①万能通用的夹具；②专用性夹具；③可调夹具；④组合夹具。
（五）夹具的选用
在多数情况下，可以使用通用夹具，这类夹具具有很多优势，可以固定很多类型的器具和材料，可以选择使用很多不同的夹面、对齐工装等。然而，在具体选用夹具时，需要注意多个方面：
①在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性；
②在生产量小或研发时，应该选用万能组合夹具，只用在组合夹具无法解决时才考虑采用其他夹具；
③小批量或成批生产则可考虑采用专用夹具，但应尽量简单；
④在生产批量较大的可考虑采用多工位夹具和气动、液压夹具。
二、机器人系统
（一）硬件组成
工业机器人按照ISO 8373定义，它是应用于工业领域的机器人。它是一种自动执行任务的机械装置，依靠电机和程序来实现各种功能，它受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行[2]。它主要是由三部分组成：控制柜，示教器以及机械手臂本体。当今主要的几家机器手臂生产公司有：ABB、库卡（KUKA）、发那科（FANUC）、安川、三菱等。
控制柜
用于储存机器人控制程序，实际我们有两大块：一是根据设备编写程序，二是灵活使用机器人各类坐标系处理程序，如图31所示。
图31 控制柜
2. 示教器
示教操作盘是主管应用工具软件与用户之间的接口的操作装置。示教操作盘经由电缆与控制装置内部的主CPU印刷电路板和机器人控制印刷电路板连接。示教操作盘在进行如下操作时使用。1.程序创建 2.测试与执行程序 3.操作执行4.状态确认
图32示教器面板
机械臂
机械臂的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种，分别介绍如下：
直角坐标型的能延三个相互垂直的直线运动，所以它能得到很高的精确度，但是体型一般比较小；
圆柱坐标型的臂部运动是用一个回转运动及两条直线运动来实现的，它结构简单，常用于搬运；
目 录
引言 1
一、等离子喷枪和夹具的概述 2
（一）等离子喷枪的定义和原理 2
（二）大气压等离子体处理的特点 2
（三）等离子体喷枪与机器人结合的优点 2
（四）夹具的定义和分类 2
（五）夹具的选用 2
二、机器人系统 3
（一）硬件组成 3
（二）坐标选择 4
三、等离子体表面改性机器人系统实现 4
（一）机器人的性能与参数 5
（二）喷枪选择 5
（三）夹具设计 6
四、喷枪机械手臂仿真轨迹 8
（一）数据的设定 8
（二）程序概述 9
1. 平面的处理 9
2. 几何体面的处理 10
3. 不规则曲面的表面处理 11
4. 球体表面改性处理 12
（三）相邻子区域轨迹优化 13
五、虚拟仿真运行 14
总结与展望 16
参考文献 17
谢 辞 18
引言
表面改性作业对工人的健康危害较大，而且动作单一重复、容易疲乏，劳动强度高，影响产品质量的稳定性。因此，用机器人代替人工进行表面改性作业的是势在必行的趋势。作为应用最广的工业机器人之一，喷涂机器人在国外发展最早，挪威公司推出了全球首台喷涂机器人。喷涂机器人已在传统的耐磨、耐热、抗氧化腐蚀方面已经有了广泛的应用。然而，与喷涂技术类似的大气压等离子体表面改性技术是一种新兴技术，还尚未实
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
现与机器人技术结合。针对这一应用前景巨大的新兴技术，本文通过设计夹具，尝试将等离子体喷枪与KUKA机器人集成，并实现一些简单的轨迹的运动。 一、等离子喷枪和夹具的概述
（一）等离子喷枪的定义和原理
等离子喷枪是用于形成和控制等离子射流以进行表面改性作业的装置。它主要由等离子发生器和枪体组成，工作原理是：由压缩机向喷枪输送工作气体，然后在喷枪阴阳极施加高频电压，使工作气体电离形成等离子体，并随着气流喷出枪口，这样就可以利用喷出的射流进行表面改性作业。与常规等离子体喷枪相比，大气压等离子喷枪具有运行温度低、可控性好、操作简单等特点，但其产生的等离子体体积小，不适合大面积处理[1]。现阶段,大气压等离子体喷枪已在生物化学领域、材料表面处理领域、环境工程领域进入了实用化阶段。
（二）大气压等离子体处理的特点
大气压低温等离子处理技术是近年来发展起来的一种新型的放电喷射技术，与其它形式等离子体技术相比，具有放电温度低，放电装置灵活，化学活性可控性好等方面的特点，大气压等离子处理技术由于使等离子产生区与应用区分离，能有效解决高昂维护费，难以大规模生产，限制工件尺寸的问题，因此在材料表面的改性、杀菌消毒以及生物化学等方面具有广阔的应用前景。
（三）等离子体喷枪与机器人结合的优点
以喷涂机器人为参照，等离子体表面改性机器人可采用5或6自由度关节式结构，这样手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动，相应的优点有：
①可以持续作业，另外改善工人的劳动条件，使用机器人后，产品质量提高，方便技术人员及时了解现场实际生产情况，控制产品质量，减少人为的操作失误造成产品尺寸超差，可追溯性强；
②工作范围大，升级可能性大，可实现内表面及外表面作业；
③提高表面作业轨迹的准确性及处理的均匀性；
④可实现模块化设计，能保证快速安装和更换元器件，极大的减少了维护修理时间。
（四）夹具的定义和分类
机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置，又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具，例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。
夹具种类按使用特点可分为：①万能通用的夹具；②专用性夹具；③可调夹具；④组合夹具。
（五）夹具的选用
在多数情况下，可以使用通用夹具，这类夹具具有很多优势，可以固定很多类型的器具和材料，可以选择使用很多不同的夹面、对齐工装等。然而，在具体选用夹具时，需要注意多个方面：
①在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性；
②在生产量小或研发时，应该选用万能组合夹具，只用在组合夹具无法解决时才考虑采用其他夹具；
③小批量或成批生产则可考虑采用专用夹具，但应尽量简单；
④在生产批量较大的可考虑采用多工位夹具和气动、液压夹具。
二、机器人系统
（一）硬件组成
工业机器人按照ISO 8373定义，它是应用于工业领域的机器人。它是一种自动执行任务的机械装置，依靠电机和程序来实现各种功能，它受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行[2]。它主要是由三部分组成：控制柜，示教器以及机械手臂本体。当今主要的几家机器手臂生产公司有：ABB、库卡（KUKA）、发那科（FANUC）、安川、三菱等。
控制柜
用于储存机器人控制程序，实际我们有两大块：一是根据设备编写程序，二是灵活使用机器人各类坐标系处理程序，如图31所示。
图31 控制柜
2. 示教器
示教操作盘是主管应用工具软件与用户之间的接口的操作装置。示教操作盘经由电缆与控制装置内部的主CPU印刷电路板和机器人控制印刷电路板连接。示教操作盘在进行如下操作时使用。1.程序创建 2.测试与执行程序 3.操作执行4.状态确认
图32示教器面板
机械臂
机械臂的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种，分别介绍如下：
直角坐标型的能延三个相互垂直的直线运动，所以它能得到很高的精确度，但是体型一般比较小；
圆柱坐标型的臂部运动是用一个回转运动及两条直线运动来实现的，它结构简单，常用于搬运；
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