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激光熔覆技术在机器人领域的应用
2016-02-19    来源:    发布者:

2015年,工业4.0、智能制造、机器人、自动化等词俨然成为技术发展的主流。曾经头脑中幻想的机器人也开始走入了现实生活,当然并不是所有的机器人都如我们头脑中想象的类似人类的外观。工业领域的机器人一般是灵活的机械手臂,它可以随意按照操作者的要求进行动作,在可以替代人手进行操作的同时,也可以实现远程监控,预先编程等自动控制功能,因此可以应用在危险或有危害的环境之中。

文章即对激光熔覆的应用方法和领域以及如何来使用机器人技术实现工作进行介绍。

一、激光熔覆的原理、特点和方式

激光熔覆是指用不同的添料方式在被熔覆物体基体表面上放置选择好的涂层材料,再经激光辐照使之和基体表面上的一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低, 与基体成冶金结合的表面涂层,从而达到显著改善基层表面的耐腐蚀、耐磨损、耐高温、抗氧化及部分电气特性的工艺方法。工件表面改性或修复的目的,是为了既满足对材料表面特定性能的要求,又节约大量的贵重元素的不必要消耗。当前激光熔覆的使用情况,其主要应用于几个方面:对材料的表面改性,如轧辊、燃汽轮机叶片、轧辊、齿轮等,用以增加其使用性能;产品的表面修复,如转子、钻头等,据统计其修复费用不到重置价格的1/5,而且缩短了维修时间,解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的关键部件快速抢修难题;另外通过激光熔覆技术在模具的表面覆着一层超耐磨抗腐蚀合金,可以大大提高其使用寿命。

目前应用广泛的激光熔覆材料主要有:镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料等。其中,又以镍基材料应用最多,与钴基材料相比,其价格便宜。与传统的堆焊、 电镀、喷涂和气相沉积技术相比,激光熔覆技术具有如下几个优点

(1) 冷却速度快,快速凝固过程,使工件容易得到细结晶组织或产生平衡态所无法得到的非稳态、非晶态等新相。

(2) 涂层稀释率低,与被加工件基体形成牢固的冶金结合或界面扩散结合,通过对激光工艺功率、光斑大小及焦距等参数的调整,可以获得良好的涂层,并且成分和稀释度均可控。

(3) 热畸变较小,采用高功率密度快速熔覆时,变形可控制降低到零件的装配公差内。

(4) 粉末选择几乎不需要任何限制,可以按照工艺要求使用任意种类配比的粉末材料,尤其是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金。

(5) 能进行选区熔覆,使得材料消耗减少,提高性能价格比。

(6) 激光光束可以对难以接近的区域进行熔覆,主要保证光斑及粉末可以照射到该区域即可。

(7) 熔覆层的厚度范围大,可以对同一部位进行往复重复熔覆。

激光熔覆的工艺参数主要有激光功率、激光光斑直径、熔覆行走速度、光斑离焦量、粉末送粉速度、扫描速度、预热温度等。这些参数对熔覆层的稀释率、表面粗糙度、裂纹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,相互匹配,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。同时修复工作是一个非标准化的动作,不同于生产线上的批量产品。工件损坏的位置大多为随机的,即使是常磨损的也只是极少数产品之间的相同部位, 而且很多部位表面不一定是直线或有规律的曲面,这就需要加工头在一套熔覆动作中需要根据要求以很多不同的姿态进行工作,传统的多轴机床很难实现,通常是使用操作人员手工操作加工头进行人工作业,同时如前所述,还要及时根据情况调整工艺参数的匹配,这对于操作人员的技术手法、熟练程度以及专注度等要求将非常高。而且这种激光熔覆方法会产生被加工区的高温、激光反射或照射的危害、加工产生的电弧光以及粉末飞溅产生的空气粉尘污染等问题,都会对一线操作人员的身体健康造成危害。目前工业是上使用的机器人,其机械手臂在很多动作上可以模拟人的手臂进行动作,同时其强大的电气控制功能可以将熔覆工艺要求的参数预置在系统中进行及时的调用和搭配,机器人可以在运行的命令中加入各种外部控制指令,从而使得这项工作可以在预先编程设定之后进行无人化工作,避免对操作人员造成危害的同时也防止大工件长时间工作产生的疲劳。而且机器人在参数的控制上也人工方式要准确很多。

二、工业机器人

工业机器人在工业生产中可以代替人工区做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣的工作环境下,包括冲压、锻造、铸造、热处理、涂装、焊接、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工作,以及在核能工业等领域中,完成对人体有害的物料进行搬运或工艺操作。

控制技术原理:使用机器人控制系统来决定机器人功能和性能,主要任务是控制工业机器人在工作中的空间运动位置、动作的时间、姿态和轨迹及操作顺序等。除了具有好的人机交互界面外,还有编程简单、软件菜单或在线操作提示和上手方便等特点。其关键的技术包括:开放性模块化的控制系统体系结构、模块化层次化的控制器软件系统、机器人的故障诊断与安全维护技术、网络化机器人控制器技术等。

文中介绍所使用的是灵活度较高的六轴类手臂型的机器人,这种机器人的姿态和自由度都非常大,其主体包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有第七轴行走机构。具有6个运动自由度,其中腕部通常有3个运动自由度;驱动系统用以使执行机构产生相应的动作;控制系统则按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。

因此,使用这种类手臂的工业机器人,在激光修复工作中既可以替代人工手动操作避免人为的手动误差,又可以准确的设定加工参数实现即时有效的控制,还可以避免工作中环境因素对人体的伤害。两种先进技术的有效融合使得零件修补这种传统工作变得更加具有发展前景。

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最后更新:2016-02-19

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