水液壓集成閥塊機器人激光熔覆仿真系統設計

孔祥凱, 韓建海, 王軍華, 胡斌

（河南科技大學 機械工程學院, 河南 洛陽 471000）

0 引言

傳統液壓傳動的主要介質為液壓油，由于其固有的成本高、不可再生、難回收等缺點，導致資源浪費與污染環境，隨著技術的不斷進步，一種以水為介質的液壓傳動逐漸興起，由于以水為介質，所以水液壓傳動是理想的綠色技術和安全技術，具有廣闊的應用前景[1]。同時，傳統的液壓元器件都比較笨重，且集成化程度低，隨著科技的進步，對液壓系統有了更高的要求，要求液壓傳動系統朝著小型化、集成化、輕量化方向發展，隨之產生了電靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator,EHA)，其主要是通過取消液壓能源系統、集成液壓元器件及機電元器件于一體，進而實現減重與小型化目標[2]。其中，液壓閥塊作為EHA中的核心部件，是實現集成設計的核心，通過取消各種管道，將流道整合到集成閥塊內部，進而連接各種液壓元器件，實現液壓回路的連通，是集成式液壓系統中必不可少的一部分[3]。然而，由于受到傳統減材加工方式的限制，液壓集成閥塊中的流道多為直孔，在流道相交處附帶工藝孔，無法圓弧過渡，造成能耗損失增大，同時工藝孔的存在導致集成閥塊尺寸大、質量重、集成化程度低。

隨著科學技術的發展，一種新的智能制造加工方法——增材制造越來越普及[4]，通過增材加工方式，可以實現垂直流道相交的圓弧過渡以及剔除不必要的工藝孔等，而且基于增材制造可實現集成閥塊更加自由的設計，進一步優化集成閥塊的結構，使得結構更加緊湊，體積更加小巧。增材制造工藝大致可分為兩種，激光選取融化與熔融沉積，由于熔融沉積方式通常以機器人為平臺，其自由度更高，適用于打印復雜的零部件，鑒于水液壓EHA集成閥塊的復雜程度，故而采用激光熔覆加工工藝。

基于增材制造的液壓閥塊的理論研究已經很多，例如：張超等[6]基于增材制造的加工工藝，提出了一套液壓閥塊的輕量節能設計方法，質量減輕了81%，體積減小了46%，同時壓損降低了20%以上；張軍輝等[7]通過研究成型時支撐結構問題，提出了異形截面流道的設計方法；李東飛等[8]采用B樣條曲線進行流體動力學分析，同時利用拓撲優化的方式進行減重，最終壓力損失減少31.4%，質量減少33.9%。然而，在水液壓EHA集成閥塊的實際加工成型方面仍缺乏很多經驗，仍有許多問題需要解決，例如支撐結構的選取、表面粗糙度的參數摸索及加工成型的工藝探討。對于實際激光熔覆成型，目前主要是通過大量試驗法進行嘗試加工，試驗成功率低，且加工周期長，因此急需設計一款水液壓EHA集成塊機器人激光熔覆仿真工作站，不僅能夠提升編程的效率，而且能夠直觀地進行激光熔覆，節省時間，提高研究效率，同時為水液壓EHA集成閥塊的實際增材制造提供理論依據。

1 激光熔覆機器人工作站

1.1 工作站的結構組成

激光熔覆機器人工作站主要包括：伺服變位機、激光熔覆機器人、激光發生器、水冷機、試驗平臺、機器人控制柜、送粉器、PLC控制柜。其中，激光熔覆機器人包括：機器人本體、激光熔覆頭、機器人底座等。伺服變位機包括主動端、四爪卡盤、底座、尾座輔助裝置。

實物工作站以KUKA機器人為依托，其上搭載直徑為3 mm的熔覆激光頭，熔覆激光頭匹配的是3 kW的激光器，送粉裝置為氣載式送粉器，配備的保護氣為氬氣，同時輔助設備還有TFLW激光水冷卻機、一臺PLC主控柜及其他電源輔助設備。

1.2 虛擬仿真工作站

Robotstudio是一款用于機器人工作站設計及仿真的軟件，自帶繪圖功能，而且可以導入多種類型的三維模型，同時該軟件自帶了機器人示教器、虛擬控制器，以及多種機器人本體可供選擇，仿真程序與信號與實際的機器人相通，方便直接導出使用[9]。其中新出的3D Pringting插件可通過導入G-CODE模型進行3D打印可視化，省去了人工編程，可加快原型生產的速度，而且可以進行多項仿真參數的模擬操作。

虛擬仿真工作站是根據實物工作站的布局與實際尺寸，通過SolidWorks軟件按照等比例繪制成三維模型，然后將三維模型導出為STP格式文件，進而將STP文件導入到Robotstudio仿真環境中，借助三維模型在該環境下的坐標位置，通過坐標原點的移動完成仿真工作站的空間布局。

圖1 實物工作站

2 仿真工作站系統設計與仿真

2.1 虛擬控制器設計

虛擬控制器相當于實際工作站的硬件部分，是整個仿真控制的核心部件。根據水液壓EHA集成閥塊的性能，以及增材制造的加工工藝，本文虛擬仿真工作站的控制器主要有Using Media（插件）、Control Module（控制模塊）、Drive Module（驅動模塊）和Additional Options（附加模塊）等四大板塊，四大板塊內選用的功能單元如下：

1）Using Media包括:robotware（虛擬控制器）、3DP（3D打印）以及MotorAndUnits（電動機單元）；

2）Control Module包括：Production Screen（生產屏幕）、Chinese（中文）、Advanced Robot Motion（先進的機器 人 運 動）、FlexPendant Interface （手 操 器 接 口）、Independent Axis（獨立軸）、Multitasking（多任務處理），以及RobotWare Base（虛擬控制器基礎）；

3）Drive Module包括：Axis Calibration（軸校準）、Drive System IRB 2600/390/4400/6400R（驅動系統使用于機器人2600/390/4400/6400R）、ADU-790A in position X3 (ADU-790A 在X3 位 置)、ADU-790A in position Y3(ADU-790A在Y3位置)、ADU-790A in position Z3 (ADU-790A在Z3位置)、Four active drive nodes(4個主驅動節點)、IRB 2600-20/1.65 Type C（C型機器人2600-20/1.65）；

4）Additional Options 包 括3DP （3D 打 印）和MotorAndGearUnits（電動機單元），其中3DP包含3D printing Integrated Extruder （3D 打 印 集 成 擠 出 機）、Extruder Heat Control（擠出機溫度控制）、Fan control（冷卻控制）及4Fans（4個冷卻）；另外Motor and Gear Units（電動機單元）包含SMB box（通信協議）、node(1)-3（1節點）和MU100。

2.2 仿真系統程序流程圖

RobotStudio采用RAPID編程語言，其程序可以在手操器以及RAPID中進行編寫。仿真程序如圖3所示，首先進行程序初始化，使各個信號進行復位，其次機器人移動至Home點位置，進而激活3D打印擠出機與工件坐標系，同時定義兩個變量，用于打印循環語句，此3D打印擠出機可以設定單道的寬度與高度，便于直觀觀察模型，然后在基板上打印兩層材料，保證材料的一致性，最后，機器人會根據G-GODE文件進行模型的3D打印，結束后回到Home點位置。

圖2 仿真工作站

圖3 程序流程圖

圖4 垂直相交管道模型

2.3 實驗平臺仿真

仿真模型采用水液壓EHA集成閥塊中的基礎單元垂直相交孔道模型，因為通用的最小流道直徑為6 mm，所以本次采用流道通經為6 mm，保證體積最小原則以及性能的基礎上壁厚選擇3 mm，中心轉彎半徑為9 mm的流道，仿真模型通過三維制圖軟件SolidWorks繪制，保存為STL文件格式。

將繪制保存的STL文件導入切片軟件Cura中進行格式轉化，轉化為robotstudio可以打開的G-code格式。在開始導入虛擬仿真工作站之前，需要先在所要打印的基板上，以三點法創建工件坐標系，用于后續模型導入后位置的調整，將模型導入虛擬工作站后，通過調整工件坐標系位置，保證模型移動到基板中間位置，緊接著調節機器人的姿態，保證機器人的Z軸與基板垂直。

在虛擬工作站中首先需要對仿真模型進行軌跡點的簡化，通過設定兩點之間的最短距離，剔除一些不必要的軌跡點，從而簡化三維模型。接下來就是激光熔覆參數的設定以及機器人加工軌跡姿態的設定，而且可以調整空運行的軌跡及運行速度等參數。設定完參數后通過可視化觀察加工軌跡以及空運行軌跡，檢查軌跡與周邊設備是否存在干涉，保證運行軌跡的合理性，以上參數設定完成后保存為3DP程序。

為驗證機器人激光熔覆虛擬工作臺仿真的可靠性，同時檢查機器人的激光熔覆軌跡是否存在干涉、軌跡是否合理、仿真模型是否成功等問題，借助RobotStudio 軟件中自帶的TCP 跟蹤功能，可以動態實時地模擬機器人激光熔覆整個運行過程。可以通過設定TCP跟蹤功能的顏色以直觀觀察激光熔覆過程，本次將單數層激光熔覆的顏色設定為紅色，雙數層激光熔覆的顏色設定為黃色，跟蹤對象設定為機器人搭載的激光熔覆頭的TCP點，開啟仿真跟蹤功能后，TCP的軌跡如圖5所示。

圖5 仿真加工過程

圖6 單道熔覆

開始熔覆后，機器人慢慢移動至Home點位置，首先在激光熔覆兩層初始層（如圖5（a）），用于后期從基板上剝落，然后進行流道壁厚熔覆時，采用“回”字形軌跡模式進行由外向內熔覆（如圖5（b）），越過壁厚時分兩次分別進行“回”字形熔覆，直至最終成型，最后機器人回到Home位置點，仿真結束。

進一步通過機器人手操器上的生產屏幕可進行多任務運行，單道寬度與高度的設定、熔覆參數設定等設置，然后繼續通過TCP仿真跟蹤觀察激光熔覆過程，通過多次調試發現，當單道寬度等于0.8 mm、高度等于0.6 mm時，模型仿真結果相對完善。

3 實際加工驗證

3.1 試驗材料

由于水液壓傳統系統使用介質為水介質，鑒于防腐性能，故而加工材料選用316L不銹鋼粉末，同時當前已公開的增材制造材料中，使用最多的也是316L，應用比較廣泛。本次使用的316L不銹鋼粉末化學成分如表1所示。基體同樣選用304不銹鋼鋼板。熔覆前進行粉末烘干處理，同時對基體進行表面打磨，并用酒精擦拭基體表面。

表1 316L不銹鋼粉末化學成分質量分數 %

3.2 試驗方法

影響激光熔覆寬度與高度的主要參數為激光功率、熔覆速度以及送粉速度，三個變量分別取四組，通過正交組合后得到試驗數據如表2所示，其中：激光功率為P，熔覆速度為V，送粉速度為C，寬度為w，高度為h。

表2 單道熔覆寬度與高度

通過試驗發現：當取激光功率P=400 W,熔覆速度V=0.01 m/s，送粉速度C=1.5 r/min時，熔覆高度h=0.6 mm，熔覆寬度w=0.8 mm，滿足仿真結果。

3.3 試驗結果

參照仿虛擬仿真數據以及單道熔覆數據，選定激光功率激光功率P=400 W，熔覆速度V=0.01 m/s，送粉速度C=1.5 r/min，機器人姿態為固定垂直位置，通過機器人手操器添加邏輯指令（如激光器開啟指令、激光器發射指令、送粉轉速設定指令及熔覆速度設定指令），自動運行程序，打印成果如圖8所示。

結合圖7與圖8可以發現，實際加工結果與仿真結果外形尺寸、整體形狀吻合，驗證了仿真結果的準確性與合理性，采用此虛擬仿真工作站可以為實際工作站提供理論支持。

圖7 虛擬仿真結果

圖8 實際加工結果

4 結論

本文搭建的機器人激光熔覆仿真系統，通過對相交流道模型的仿真與試驗驗證，證實了虛擬機器人激光熔覆工作站的可靠性。通過該工作站可以實現對單道寬度與高度的調節，對激光熔覆加工軌跡的可視化調整，以及對機器人姿態的調整，為后續水液壓集成閥塊中復雜元器件的研究提供了新思路，同時可加快水液壓系統中復雜元器件的激光熔覆成型，進而實現水液壓系統的小型化、輕量化與集成化。同時也為激光熔覆成型的仿真加工提供了經驗。