材料制造数字化技术基础 曲面构件机器人表面激光熔覆系统方案设计

材料科学与工程学院《材料制造数字化技术基础》课程论文课程题目：曲面构件机器人表面激光熔覆系统方案设计作者姓名：章志铖班级：F1105104学号：5110519095成绩评定：曲面构件机器人表面激光熔覆系统方案设计摘要：利用超声波曲面检测技术、超声波探伤技术、模糊PID控制技术等控制与检测技术，以及焊接机器人、焊接变位机等成熟设备，设计了一种系统方案以实现焊接机器人对一曲面构件的自动激光熔覆，并且论述了该方案的可行性。

关键词：激光熔覆、焊接机器人、曲面构件、系统方案本次需要讨论的构件是大型工程机械上的一个曲面构件，重约3吨，长约2米，外径约为0.6米，需要在其表面堆敷一层耐磨性较好的合金材料，以提高其使用寿命。

本文选用激光熔覆技术对构件进行表面强化，出于以下考虑：1）从应用上看：激光熔覆是现代工业制造领域提高工件表面性能的一种常用制造技术，得到了广泛应用，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等，因此有着较好的工业基础。

2）从工艺上看：激光熔覆后构件表面冷却快（高达1060℃/s），产生快速凝固组织特征；热输入小，畸变小，涂层稀释度低（一般小于5%），与基体呈冶金结合；许多金属或合金能熔覆到任何金属或合金上，特别是能在低熔点金属上熔覆高熔点合金；能进行选区熔覆，材料消耗少；光束瞄准，能够使难以接近的区域熔覆；工艺过程易于实现自动化。

3）从成本上看，用料少，可以实现自动化生产，从长远角度看，可以降低制造成本，缩短制造周期。

一、激光熔覆技术激光熔覆（Laser Cladding)亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。

它是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。

激光熔覆技术在工业上的运用由来已久。

早在70年代末，美国A VCO公司就汽车发动机许多易磨损件进行了激光熔覆技术的研究，而后英国的Rolls-Royco公司用激光熔覆技术解决了燃气轮机叶片的磨损问题，随着大功率激光器和宽带扫描装置的出现，带动了激光熔覆技术的迅猛发展。

在各类激光束处理中，激光熔覆可以在低性能廉价钢材上制备出高性能的合金钢表面，以降低材料成本，节约贵重稀有的金属材料，降低能源消耗，提高金属部件的使用寿命。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

目前，激光熔覆在耐磨、耐蚀、抗氧化、热障涂层等研究取得了巨大进展，并已在工业生产中应用，但仍然存在许多挑战，今后需从以下几个方面努力。

1）从热力学和热物理学的观点出发，系统研究激光熔覆快速凝固行为。

2）建立更为接近实际的激光熔池中的能量、动量和质量传输模型，以理解组织形成规律。

3）研究抗氧化涂层中氧活性元素对改善氧化抗力的作用机制。

4）合理设计涂层材料，优化工艺，开发新型的激光溶覆技术，获得优异的电、磁、热性能，设计复合覆层和梯度功能覆层5）改善和优化涂覆前后的热处理等工艺，以解决工艺应用中常见的涂层开裂现象。

二、机器人焊接技术自l959年美国推出世界上第一台Unimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长，而其中半数为焊接机器人。

到目前为止，焊接机器人大致可分为三代，第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人，第二代是基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人，第三代是指装有多种传感器，在接受作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人。

与人工焊接相比，机器人焊接具有焊接质量稳定，生产效率较高的优势，更在一定程度上改善了工人在有害环境中的工作方式，降低了操作难度，而且焊接机器人有较高的通用性，能够降低系列产品的升级换代的成本。

可以预见，随着多机器人协作技术、智能化技术、虚拟现实技术、控制技术等技术的发展，焊接机器人将愈加智能，焊接工艺也会愈加精细、高效。

三、系统方案设计3.1 设计思路与设计目标一般的激光熔覆系统主要由送粉系统、操作系统（半导体激光器、焊接机器人）、夹持系统（变位器）、保护系统、控制系统等组成。

实际工作系统于此并没有太大区别。

但是，在实际曲面构件的激光熔覆过程中，有两个问题需要关注。

一是需要保证焊枪高度（即焊枪端部与工件表面之间的距离）始终恒定一致，这样才能保证过程的稳定性。

由于构件在激光熔覆之前没有经过精加工，实际表面形状尺寸与理论设计尺寸之间存在较大的误差，所以无法用理论设计的曲面形状模型作为机器人运动轨迹规划编程的依据。

必须采用其他技术手段完成激光熔覆轨迹的跟踪控制。

因此考虑使用超声波进行曲面检测与焊缝跟踪。

二是保证加工部位的曲面倾斜位置与水平方向的角度应不超过30°，避免激光熔覆过程中熔池液态金属下淌。

这就需要在加工过程中通过变位机构调整工件的曲面位置，因而需要变位机工作台可以控制的工件自由度进行优化，从而避免液态金属下淌的问题。

一种可行的实际激光熔覆设计系统示意图：设计系统由送粉系统、控制与检测系统、操作系统、夹持系统、安全系统等组成，下文将对该系统一一叙述。

3.2 系统组成1）送粉系统——同步式激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。

同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。

熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。

同步式与预置式相比，具有工艺过程简单，合金材料利用率高，可控性好，容易实现自动化的优点。

因此本系统选用同步式供粉方法。

同步送粉激光熔覆中，合金粉末是由送粉器传送到激光熔池中的，目前专门应用于该项技术的送粉设备有自重式送粉器、刮板式送粉器、刮吸式送粉器、毛细管送粉器等。

各有优缺点，可根据粉末颗粒大小选择适宜的的送粉器。

自重式送粉器刮板式送粉器刮吸式送粉器毛细管送粉器2）控制与检测系统——基于超声波的检测与控制系统这是整个系统的核心，是激光熔覆能否平稳流畅运行的关键，也对产品质量有着直接的影响。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，是一种对裂纹敏感的工艺。

熔覆层的质量和性能除与熔覆层材料的原始成分、基材的成分和性能密切相关外，还强烈地取决于激光熔覆的工艺参数)激光熔覆的工艺参数主要包括激光功率P、光斑尺寸（光束直径D或面积S）、光腔输出时光束构型和聚焦方式、工件移动速度或激光扫描速度V、激光扫描多道搭接系数μ及不同添料方式确定的涂层材料添加参量（如预置厚度D或送粉量G）等。

激光熔覆的工艺参数主要有激光功率、光斑直径、熔覆速度、离焦量、送粉速度、扫描速度、预热温度等。

这些参数对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影响。

各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程，须采用合理的控制方法将这些参数控制在激光熔覆工艺允许的范围内。

①基于超声波的曲面检测系统理论上说，只要将工件的CAD数据图导入电脑，便可以实现自动化激光覆熔。

然而，在实际生产中由于构件在激光熔覆之前没有精加工，实际表面形状尺寸与理论设计尺寸之间存在较大的误差，所以无法用理论设计的曲面形状模型作为机器人运动轨迹规划编程的依据，必须采用其他技术手段完成实际机构曲面的模型检测。

超声检测以灵敏度高、声束指向性好、穿透能力强、对人体危害性小等优点广泛应用于无损检测领域。

因此，因此基于超声波设计一个精度高、效率高的曲面超声检测系统。

该系统实现了超声测距、曲面反求、机械手控制等功能的一体化。

主要的特点是：采用超声探头测距、曲面反求的方法，解决了曲面零件CAD 数据问题。

然后，根据检测系统的机械结构，建立该系统的运动学方程，将反求得到的零件CAD 模型离散化，通过逆向求解运动学方程，得到控制超声探头走位的运动点位文件。

最后，按照运动点位文件，通过机械手控制超声探头的位姿进行扫查，并实时成像。

超声波检测系统的硬件设施即机械结构，主体为机械臂（执行机构）与超声波探头（终端效应器），可以看作一台由多个连杆和关节组成的机器人。

机械臂为满足曲面检测需要做复杂运动，因而需要有足够的自由度。

其中，左机械手臂有3个独立的移动副和两个独立的转动副，右机械手臂有两个独立的移动副和两个独立的转动副，此外，左右手臂还共用一个移动副，因此，机械臂共有十个自由度。

②基于模糊PID 的轨迹跟踪系统 现在通过曲面检测系统在电脑中段建立了实际机构模型，可以就此实现对焊接机器人的轨迹控制。

理论轨迹转为实际轨迹，可以通过基于模糊PID 控制的轨迹跟踪系统。

通过轨迹控制，可以实现焊枪高度（即焊枪端部与工件表面之间的距离）的恒定与焊道的全覆盖（相邻焊道必须紧密相邻，并有1/4的焊道宽度交叠）。

PID 模糊控制重要的任务是找出PID 的三个参数与误差e 和误差变化率e c 之间的模糊关系，在运行中不断检测e 和e c ，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整,满足不同e 和e c 时对三个参数的不同要求。

跟踪轨迹和期望轨迹之间的误差主要源于实际方位角相比期望方位角的滞后。

③基于超声波的产品质量监控系统在激光熔覆完成后需要对产品质量检测，主要是检测激光熔覆层的厚度是否均匀，熔覆层内是否有气泡、裂纹等缺陷。

这需要对整个工件进行超声波探伤检测。

由于复杂型面构件不仅形状复杂，而且厚度变化大，如果采用单一的灵敏度进行扫查，势必引入大量的误差，甚至无法检测到构件的缺陷。

为了在整个扫查过程中保证系统的精度，除了保持探头的位姿以外，探伤灵敏度也必须动态调整。

因此，系统必须根据实时测定的构件厚度调整探伤灵敏度。

设X=0处的声压(振幅)为P 0，x 处的声压为P x 时，根据超声波的衰减系数公式 e P P x -000α=可求得衰减系数xP P x0ln1=α，α0单位是奈培（Np ），用分贝（dB ）表示时00686.8ln 20ααα==。

在实际检测中，也常用分贝(dB)表示两声波的声强(I 1和I 2)或声压(P 1和P 2)之间的关系：)(201)(101][2121P Pg I I g dB ==。

故声强I 、声压P 、探伤回波高度h 之间存在这样的关系：I ∝ P 2 ∝ h 2为了保证检测质量，在工件厚度发生变化时，必须维持透射波的幅值高度不变，这样才能发现各个厚度上的缺陷而不至于有误判，同时能够判断缺陷大小。

为此，在检测过程中，系统需要随时跟踪回波幅值高度和工件的厚度。

由上式可知，幅值和声压成正比，因此：)(201)(2012121A A g P P g dB ==∆。