激光修復(fù)工作中機(jī)器人技術(shù)的使用

董宇 佟強(qiáng)

摘 要：激光修復(fù)工作主要是采用熔覆方式將零件受損的部分進(jìn)行修補(bǔ)，再使用機(jī)加手段加工成零件原有外形并且保證其原使用性能。對(duì)于一些高成本或體積較大的零件在相對(duì)較小的部位受損，導(dǎo)致零件無(wú)法再繼續(xù)使用。為了節(jié)省材料成本和加工時(shí)間等方面的浪費(fèi)和影響，使用修復(fù)方式不但會(huì)保證零件的繼續(xù)使用而且有可能還會(huì)增強(qiáng)其壽命和效果，將是一個(gè)相對(duì)更好的選擇。激光技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)都屬于目前相對(duì)較前沿和先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域，該文闡述了將兩種技術(shù)相結(jié)合使用在熔覆方式的修復(fù)領(lǐng)域中的使用方法。

關(guān)鍵詞：激光 機(jī)器人 修復(fù) 熔覆

中圖分類(lèi)號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（a）-0104-01

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)科技飛速發(fā)展和進(jìn)步的時(shí)代，傳統(tǒng)技術(shù)逐漸趨于現(xiàn)代化技術(shù)，機(jī)器人也從科幻想象中走到了現(xiàn)實(shí)生活，相比較我們對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的定義和理解也不再是具有頭、腦、四肢、驅(qū)趕的人形機(jī)器這一簡(jiǎn)單的思維模式。工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ跈C(jī)器人提出的最早概念為：借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用操作者對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人按照要求能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的運(yùn)行。這就是目前所謂的示教操作。當(dāng)今的機(jī)器人幾乎都采用這種控制方式。這個(gè)也就是目前對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在技術(shù)領(lǐng)域中的說(shuō)明。靈活的機(jī)械手臂可以隨意按照操作者的要求進(jìn)行動(dòng)作，在可以替代人手進(jìn)行操作的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，預(yù)先編程等自動(dòng)控制功能，因此可以應(yīng)用在危險(xiǎn)或有危害的環(huán)境之中。文章即對(duì)激光熔覆的應(yīng)用方法和領(lǐng)域以及如何來(lái)使用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)行介紹。

1 激光熔覆的原理、特點(diǎn)和方式

激光熔覆是指用不同的添料方式在被熔覆物體基體表面上放置選擇好的涂層材料，再經(jīng)激光輻照使之和基體表面上的一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，從而達(dá)到顯著改善基層表面的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、抗氧化及部分電氣特性的工藝方法。工件表面改性或修復(fù)的目的，是為了既滿(mǎn)足對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約大量的貴重元素的不必要消耗。當(dāng)前激光熔覆的使用情況，其主要應(yīng)用于幾個(gè)方面：對(duì)材料的表面改性，如軋輥、燃汽輪機(jī)葉片、軋輥、齒輪等，用以增加其使用性能；產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子、鉆頭等，據(jù)統(tǒng)計(jì)其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1/5，而且縮短了維修時(shí)間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的關(guān)鍵部件快速搶修難題；另外通過(guò)激光熔覆技術(shù)在模具的表面覆著一層超耐磨抗腐蝕合金，可以大大提高其使用壽命。

目前應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料等。其中，又以鎳基材料應(yīng)用最多，與鈷基材料相比，其價(jià)格便宜。與傳統(tǒng)的堆焊、電鍍、噴涂和氣相沉積技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）冷卻速度快，快速凝固過(guò)程，使工件容易得到細(xì)結(jié)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的非穩(wěn)態(tài)、非晶態(tài)等新相。

（2）涂層稀釋率低，與被加工件基體形成牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)激光工藝功率、光斑大小及焦距等參數(shù)的調(diào)整，可以獲得良好的涂層，并且成分和稀釋度均可控。

（3）熱畸變較小，采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可控制降低到零件的裝配公差內(nèi)。

（4）粉末選擇幾乎不需要任何限制，可以按照工藝要求使用任意種類(lèi)配比的粉末材料，尤其是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金。

（5）能進(jìn)行選區(qū)熔覆，使得材料消耗減少，提高性能價(jià)格比。

（6）激光光束可以對(duì)難以接近的區(qū)域進(jìn)行熔覆，主要保證光斑及粉末可以照射到該區(qū)域即可。

（7）熔覆層的厚度范圍大，可以對(duì)同一部位進(jìn)行往復(fù)重復(fù)熔覆。

激光熔覆的工藝參數(shù)主要有激光功率、激光光斑直徑、熔覆行走速度、光斑離焦量、粉末送粉速度、掃描速度、預(yù)熱溫度等。這些參數(shù)對(duì)熔覆層的稀釋率、表面粗糙度、裂紋以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數(shù)之間也相互影響，相互匹配，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，須采用合理的控制方法將這些參數(shù)控制在激光熔覆工藝允許的范圍內(nèi)。同時(shí)修復(fù)工作是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)作，不同于生產(chǎn)線上的批量產(chǎn)品。工件損壞的位置大多為隨機(jī)的，即使是常磨損的也只是極少數(shù)產(chǎn)品之間的相同部位，而且很多部位表面不一定是直線或有規(guī)律的曲面，這就需要加工頭在一套熔覆動(dòng)作中需要根據(jù)要求以很多不同的姿態(tài)進(jìn)行工作，傳統(tǒng)的多軸機(jī)床很難實(shí)現(xiàn)，通常是使用操作人員手工操作加工頭進(jìn)行人工作業(yè)，同時(shí)如前所述，還要及時(shí)根據(jù)情況調(diào)整工藝參數(shù)的匹配，這對(duì)于操作人員的技術(shù)手法、熟練程度以及專(zhuān)注度等要求將非常高。而且這種激光熔覆方法會(huì)產(chǎn)生被加工區(qū)的高溫、激光反射或照射的危害、加工產(chǎn)生的電弧光以及粉末飛濺產(chǎn)生的空氣粉塵污染等問(wèn)題，都會(huì)對(duì)一線操作人員的身體健康造成危害。目前工業(yè)是上使用的機(jī)器人，其機(jī)械手臂在很多動(dòng)作上可以模擬人的手臂進(jìn)行動(dòng)作，同時(shí)其強(qiáng)大的電氣控制功能可以將熔覆工藝要求的參數(shù)預(yù)置在系統(tǒng)中進(jìn)行及時(shí)的調(diào)用和搭配，機(jī)器人可以在運(yùn)行的命令中加入各種外部控制指令，從而使得這項(xiàng)工作可以在預(yù)先編程設(shè)定之后進(jìn)行無(wú)人化工作，避免對(duì)操作人員造成危害的同時(shí)也防止大工件長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的疲勞。而且機(jī)器人在參數(shù)的控制上也人工方式要準(zhǔn)確很多。

2 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中可以代替人工區(qū)做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣的工作環(huán)境下，包括沖壓、鍛造、鑄造、熱處理、涂裝、焊接、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工作，以及在核能工業(yè)等領(lǐng)域中，完成對(duì)人體有害的物料進(jìn)行搬運(yùn)或工藝操作。

控制技術(shù)原理：使用機(jī)器人控制系統(tǒng)來(lái)決定機(jī)器人功能和性能，主要任務(wù)是控制工業(yè)機(jī)器人在工作中的空間運(yùn)動(dòng)位置、動(dòng)作的時(shí)間、姿態(tài)和軌跡及操作順序等。除了具有好的人機(jī)交互界面外，還有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單或在線操作提示和上手方便等特點(diǎn)。其關(guān)鍵的技術(shù)包括：開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)、機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)等。

文中介紹所使用的是靈活度較高的六軸類(lèi)手臂型的機(jī)器人，這種機(jī)器人的姿態(tài)和自由度都非常大，其主體包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有第七軸行走機(jī)構(gòu)。具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)則按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。

因此，使用這種類(lèi)手臂的工業(yè)機(jī)器人，在激光修復(fù)工作中既可以替代人工手動(dòng)操作避免人為的手動(dòng)誤差，又可以準(zhǔn)確的設(shè)定加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)即時(shí)有效的控制，還可以避免工作中環(huán)境因素對(duì)人體的傷害。兩種先進(jìn)技術(shù)的有效融合使得零件修補(bǔ)這種傳統(tǒng)工作變得更加具有發(fā)展前景。

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