模具的表面性能直接关系到产品的质量和模具的使用寿命。据统计,模具80%以上的失效是由表面损伤引起的。根据结构及服役条件的不同,模具承受着不同的外加载荷,受力形式极为复杂,而且各种应力主要集中在表面。因此,模具表面比内部更容易产生损伤。等离子束(Plasma Transferred Arc,PTA)具有能量转化效率高、设备和安装成本较低、对生产环境要求较低和方便携带等特点,用于金属的表面强化和改性具有很大的优越性。然而,现有的等离子束表面改性设备主要集中于平面工件或简单曲面加工处理,对于具有复杂型面的模具表面自动化加工还缺少相应的解决方案。基于以上问题,本文设计研制了一种面向复杂模具型面的等离子束表面改性系统。该系统根据等离子束的加工工艺特点,采用六自由度串联式机器人作为运动执行装置,配合自主研发的控制软件,驱动等离子枪执行三维离线轨迹运动和不同工艺的表面处理。该系统硬件采用工业控制计算机作为控制中枢,通过数据采集卡、电气控制模块和网络通信实现等离子束设备与机器人之间的交互通信和协同运动。设计研发离线控制系统以实现设备的离线自动化加工。该系统主要包括加工控制模块和离线轨迹处理模块两部分。其中加工控制模块根据等离子束表面改性技术的工艺特性,设计了包含运动参数和工艺参数的控制文本,自行编写命令解释器对其中关键字解析,能实现等离子束设备和机器人的实时协同控制。离线轨迹点处理模块开发了路径生成功能,能根据CAD模型对加工轨迹的路径、机器人位姿和等离子束工艺参数等进行控制和调节,并能对轨迹点做仿真校验。为了确保加工过程的顺利执行和防止事故的发生,本文运用机器人的运动学原理对工作空间进行详细的计算分析,并通过仿真的方式对机器人关节限位和奇异点进行分析和校验,从而能够有效减少关节限位情况的发生;提出了一种灵活的工件标定方法,能快速实现不同特征工件的标定,并通过变换欧拉角坐标系的方式改善位姿来规避奇异点的出现。实体模具的表面强化试验结果表明,本系统能够对复杂曲面进行有效的等离子束强化处理,经处理后的模具获得了良好的表面质量,且表面性能得到了明显的提高。试验过程证实了等离子束表面改性系统离线自动化加工的可行性,同时也验证了对复杂模具型面处理的可操作性。