柔性光纖激光熔覆加工研究

楊超翔,許 波,鄧琦林

(1.上海大量精密機(jī)械有限公司,上海201108;2.上海大量光電科技有限公司,上海201108;3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240)

對(duì)于模具和大型異形件關(guān)鍵部位的常規(guī)熱處理,通常是由人工采用火焰硬化方法進(jìn)行的,火焰淬硬局限性很多,如硬度低、易變形、開(kāi)裂等,后續(xù)還需進(jìn)行深加工修正。采用激光淬火就可解決以上問(wèn)題,同一硬度下采用激光淬火可提高耐磨性和使用壽命,還可對(duì)難加工的部位進(jìn)行局部淬火。目前,國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始采用CO2高功率激光器進(jìn)行激光表面淬火和激光表面熔覆。CO2高功率激光器及其光路系統(tǒng)固定在激光加工機(jī)上,并通過(guò)X、Y、Z軸數(shù)控移動(dòng)將激光傳輸出,聚焦于工件表面的加工區(qū),通過(guò)激光參數(shù)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)激光表面淬火和激光表面熔覆。

現(xiàn)有激光加工機(jī)雖在模具表面和大型異形件表面處理等方面發(fā)揮了較大的作用,但也有明顯的技術(shù)不足:①工件要放置在坐標(biāo)工作臺(tái)上,對(duì)于小工件較方便,而大、中工件就十分困難;②裝夾大型工件需要特大型精密坐標(biāo)工作臺(tái),且搬運(yùn)困難;③現(xiàn)有的激光加工機(jī)中雖采用光纖傳輸聚焦,但無(wú)法將激光束引導(dǎo)至復(fù)雜曲面加工點(diǎn)的法向方向,也不能保證焦點(diǎn)就在工件的表面,從而影響表面加工質(zhì)量。

六軸柔性光纖激光熔覆加工機(jī)采用柔性系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜曲面(含曲面形狀的機(jī)械零件、模具型腔等)進(jìn)行激光表面硬化和修復(fù),不僅可解決以上問(wèn)題,還能針對(duì)模具表面和大型異形件表面進(jìn)行熱處理,提高表面的硬度、耐磨性和耐蝕性,在很大程度上提高了模具的表面性能。

1 國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

近年來(lái)激光技術(shù)飛速發(fā)展,涌現(xiàn)出可與機(jī)器人柔性耦合的高功率工業(yè)型光纖激光器。先進(jìn)制造領(lǐng)域在智能化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)方面的不斷進(jìn)步,也促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合,特別是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求,帶動(dòng)了激光加工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量人力物力進(jìn)行激光加工機(jī)器人的研發(fā)。進(jìn)入 21世紀(jì),德國(guó) KUKA、瑞土ABB、日本FANUC等公司均研制出激光焊接機(jī)器人和激光切割機(jī)器人等系列產(chǎn)品,目前已成為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中最先進(jìn)的制造技術(shù),并獲得了廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾、美國(guó)通用、日本豐田等汽車(chē)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上,已大量采用激光焊接機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點(diǎn)焊設(shè)備,不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和檔次,還減輕了汽車(chē)車(chē)身重量,節(jié)約了大量材料,獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益,提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在中國(guó),一汽大眾、上海大眾等汽車(chē)公司也引進(jìn)了激光機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn),沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司也開(kāi)始涉足激光切割和焊接機(jī)器人制造領(lǐng)域。

隨著激光直接制造和再制造技術(shù)的發(fā)展,面對(duì)航空航天、冶金、汽車(chē)等行業(yè)快速原形和快速制造的需求,從2002年起,國(guó)際上開(kāi)始研發(fā)激光熔覆機(jī)器人。我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家,擁有千萬(wàn)套國(guó)產(chǎn)大型貴重裝備和進(jìn)口高精尖的昂貴設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)有著廣闊的市場(chǎng)需求。

雖然激光加工機(jī)器人取得了廣泛的工業(yè)應(yīng)用,但由于它是基于激光技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的高度集成系統(tǒng),激光加工又是復(fù)雜的智能工程,激光加工機(jī)器人仍處于初期發(fā)展階段,許多技術(shù)尚待開(kāi)發(fā)研究解決。激光加工機(jī)器人在國(guó)內(nèi)剛剛開(kāi)始應(yīng)用,無(wú)論激光領(lǐng)域還是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ€處于不熟悉的狀態(tài)。為此,本項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際工作,對(duì)激光加工機(jī)器人的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

隨著環(huán)保節(jié)能要求的提高,激光加工類(lèi)設(shè)備的優(yōu)越性更明顯,加之企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品升級(jí)換代和技術(shù)改造,在模具制造、修復(fù)及大型工件現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)中,便攜移動(dòng)激光加工系統(tǒng)的需求不斷增加;同時(shí),以外加工為主的激光加工站,對(duì)此類(lèi)新型激光加工系統(tǒng)也有濃厚興趣,這些都為其提供了巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間。目前,國(guó)內(nèi)大型模具制造企業(yè)有數(shù)千家,激光加工站有數(shù)百家,以及高?？蒲袡C(jī)構(gòu)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求,預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求可達(dá)每年300～500臺(tái)。

2 依據(jù)的技術(shù)原理

機(jī)器人是高度柔性的加工系統(tǒng),基于機(jī)器人控制的激光器也必須具有高度的柔性,目前都選擇用光纖傳輸?shù)墓饫w激光器。智能化光纖激光加工機(jī)器人主要由以下幾部分組成[1-3]:①高功率可光纖傳輸激光器;②光纖耦合和傳輸系統(tǒng);③激光光束變換光學(xué)系統(tǒng);④六自由度機(jī)器人本體;⑤機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)(控制器、示教盒);⑥計(jì)算機(jī)離線(xiàn)編程系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)、軟件);⑦機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng);⑧激光加工頭;⑨材料進(jìn)給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機(jī)、送粉器);⑩激光加工工作臺(tái)。光纖激光加工機(jī)器人的實(shí)物照見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 光纖激光加工機(jī)器人

光纖激光加工機(jī)器人的工作原理是:從高功率光纖激光器發(fā)出的激光,經(jīng)光纖耦合傳輸?shù)郊す夤馐儞Q光學(xué)系統(tǒng),光束經(jīng)整形聚焦后進(jìn)入激光加工頭。根據(jù)不同的用途(切割、焊接、熔覆)選擇不同的激光加工頭,配用不同的材料進(jìn)給系統(tǒng)(高壓氣體、迭絲機(jī)、送粉器)。激光加工頭安裝在六自由度機(jī)器人本體手臂末端,其運(yùn)動(dòng)軌跡和激光加工參數(shù)是由機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)提供指令進(jìn)行的。先由激光加工操作人員在機(jī)器人示教盒上進(jìn)行示教編程或在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行離線(xiàn)編程。材料進(jìn)給系統(tǒng)將材料(高壓氣體、金屬絲、金屬粉末)與激光同步輸入到激光加工頭,高功率激光與進(jìn)給材料同步作用完成加工任務(wù)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)加工區(qū)檢測(cè),檢測(cè)信號(hào)反饋至機(jī)器人控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的適時(shí)控制[4-7]。

圖2 光纖激光熔覆機(jī)器人

3 關(guān)鍵技術(shù)

六軸柔性光纖激光熔覆加工機(jī)包括高功率激光器、光纖傳導(dǎo)聚焦系統(tǒng)、控制中心(工控機(jī)及其六軸控制軟件)、6個(gè)自由度的機(jī)械手、電源裝置、輔助裝置等。電源裝置給整個(gè)激光加工機(jī)提供工作電源。輔助裝置包括機(jī)床及運(yùn)動(dòng)部件,其特征是工件放置于輔助裝置之上,并在控制中心的動(dòng)作下將工件傳輸至待加工區(qū)。控制中心通過(guò)工控機(jī)和六軸控制軟件來(lái)控制柔性六軸機(jī)械手、大功率激光器及輔助裝置的動(dòng)作。其中,六軸機(jī)械手在控制中心的操控下,可在三維空間任意運(yùn)動(dòng),同時(shí)控制中心通過(guò)大功率激光器將激光發(fā)射至光纖傳導(dǎo)聚焦系統(tǒng),并在其動(dòng)作之下將激光引導(dǎo)至復(fù)雜曲面各加工點(diǎn)的法向方向,且聚焦在工件表面。因此,開(kāi)發(fā)的柔性光纖激光熔覆加工機(jī)創(chuàng)新性突出,不僅可根據(jù)控制中心來(lái)操縱6個(gè)自由度機(jī)械手,還可借助于光纖傳導(dǎo)聚焦精準(zhǔn)地進(jìn)行激光表面熱處理或高質(zhì)量的表面修復(fù)。

此項(xiàng)技術(shù)已申請(qǐng)專(zhuān)利:201110065180.8。其關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)開(kāi)發(fā)了六軸控制軟件,以實(shí)現(xiàn)任意曲面法向激光加工運(yùn)動(dòng)控制、高功率激光器控制、高功率激光傳輸聚焦控制及外圍輔助設(shè)備控制。

(2)開(kāi)發(fā)了高功率光纖傳導(dǎo)激光器,并應(yīng)用于本系統(tǒng)的加工工藝研究。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。

圖3 六軸柔性光纖激光熔覆加工機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在開(kāi)發(fā)六軸柔性光纖激光熔覆加工機(jī)的過(guò)程中,進(jìn)行了以下創(chuàng)新性的工作:

(1)采用柔性光纖傳導(dǎo)大功率激光束及其聚焦系統(tǒng),將激光引導(dǎo)并聚焦至加工區(qū),因而被加工工件不必放在與激光系統(tǒng)剛性相連的坐標(biāo)工作臺(tái)上。這樣,激光加工機(jī)就不需大型坐標(biāo)工作臺(tái),還可遠(yuǎn)離激光器,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)加工。

(2)通過(guò)六軸機(jī)械手柔性系統(tǒng)和光纖傳導(dǎo)大功率激光柔性系統(tǒng),可將高功率激光束傳輸?shù)綇?fù)雜曲面各加工點(diǎn)的法線(xiàn)方向,并聚焦在工件表面,能大大提高激光表面加工的精準(zhǔn)度和質(zhì)量。

(3)研究了光纖激光加工機(jī)器人在模具熱處理、模具制造及模具修復(fù)中的應(yīng)用。

柔性光纖激光熔覆加工機(jī)能在現(xiàn)場(chǎng)處理加工事務(wù),效果可提高70%;大型零件處理和修復(fù)的直接效益更高,還可降低50%以上的成本,又節(jié)能環(huán)保。

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