可移動激光再制造修復平臺設計與實驗

劉宏偉，馬世博，遲永波，張昭，蔡永賓a

可移動激光再制造修復平臺設計與實驗

劉宏偉1,2，馬世博3，遲永波1，張昭2，蔡永賓3a

（1.上海新孚美變速箱技術服務有限公司，上海 201100；2.河北京津冀再制造產(chǎn)業(yè)技術研究有限公司，河北 滄州 062455；3.河北科技大學 a.材料科學與工程學院 b.河北省材料近凈成形重點實驗室，石家莊 050018）

與其他修復技術相比，激光修復技術具有較明顯的技術優(yōu)勢，現(xiàn)有成套激光修復設備成本較高，多為固定式，難以面向現(xiàn)場修復。為此，面向現(xiàn)場待修復零件構建可移動激光再制造修復平臺，以實現(xiàn)典型零件的三維有效修復。設計龍門式主體結構的分體式修復工作臺，由單模組鋁型材結構和滾珠絲桿型直線模組構成運動框架，采取雙固定軸形式和機械連接式可移動底座。設計三軸并聯(lián)步進電機驅動及限位控制電路，實現(xiàn)各軸同步控制及運動。建立基于Atmega2560主控板和Ramps1.4擴展板的控制系統(tǒng)，通過Marlin固件配置行程、限位和精度等主要參數(shù)，編譯對應控制程序。結合正逆向技術和路徑規(guī)劃，實施典型曲面結構渦輪零件和預置坡口缺陷零件的激光修復實驗。設計的分體式平臺工作尺寸為750 mm×1 000 mm×550 mm，結構運行平穩(wěn)，重復定位精度為±0.03 mm。修復的零件表面質量高，組織致密，無內部缺陷。所設計的可移動激光再制造修復平臺可對曲面薄壁件和較大缺口件等實施有效的現(xiàn)場修復，具備可操作性和實用性。

激光再制造；修復平臺；龍門式；控制系統(tǒng)；Marlin固件

隨著數(shù)字化技術和激光技術的發(fā)展，激光制造技術已成為綠色再制造技術的核心技術之一，廣泛應用于汽車、船舶、航空航天及國防軍工等領域[1-3]?，F(xiàn)代機器裝備及其零部件，尤其是高端、關鍵領域機器設備的零部件制造周期較長，工序復雜，成本較高，甚至某些零部件為單件生產(chǎn)，難以重復生產(chǎn)。在制造和使用過程中，這些零部件易因加工失誤或非正常失效而報廢，若采用修復技術對加工失誤和非正常失效的零部件進行修復再制造，重新投入使用，可在保證質量的同時避免材料浪費、節(jié)省成本和延長使用壽命[4]。激光修復技術是當前修復領域中的主要技術之一，與其他修復技術相比，其具有熱輸入集中、熱影響小、修復組織缺陷少、工藝控制性強等優(yōu)點，將該技術用于零部件的修復及再制造具有一定的研究意義和應用價值[5]。

目前，國內外學者對激光修復的研究主要集中在材料、工藝和參數(shù)對修復層性能影響、組織狀態(tài)分析及應用領域等方面。如Kattire等[6]在H13鋼模具表面進行了CPM 9V粉末的激光修復實驗，分析了激光參數(shù)對修復層組織性能的影響，證實了激光修復模具表面損傷的可能；Raahgini等[7]在304不銹鋼基體上進行了VC增強In625金屬基復合材料的激光熔覆實驗，研究了VC含量對熔覆層微觀結構、硬度和磨粒磨損性能的影響，進而研究了增強相變化對涂層組織演變、成分、硬度和耐磨性的影響。張強等[8]研究了激光熔覆結合感應重熔修復汽車轉動軸的工藝及修復組織性能，分析了感應重熔后的組織狀態(tài)、力學性能及殘余應力釋放情況；尹嵩等[9]針對零件缺損去除、修復路徑優(yōu)化等實際問題，采用優(yōu)化工藝-實驗檢測分析-磨損性能評價的技術方法，研究了不同類型挖槽對修復層與基體的組織特征及力學性能的影響。而對于激光修復裝備，尤其是面向現(xiàn)場零件修復的裝備研究較少?，F(xiàn)有激光修復裝備主要有兩種，一種為激光器搭載多自由度工業(yè)機器人運動平臺進行零件修復，柔性較好；一種為借助商業(yè)激光熔覆設備進行零件修復，質量較高。這2種方式的裝備成本均較高，設備配置軟件非開源化，不具備通用性，且設備相對固定，不易移動至現(xiàn)場面向零件進行修復[10-11]。

因此，文中旨在面向現(xiàn)場零件構建可移動式激光再制造修復平臺及控制系統(tǒng)，設計基于數(shù)字驅動的//三軸運動機構及模組，基于Atmega2560主控板和開源Arduino程序開發(fā)平臺構建控制系統(tǒng)，輔以正逆向結合技術對典型零件開展修復實驗。

1 修復平臺設計

1.1 修復平臺結構設計

現(xiàn)有激光再制造設備在修復前需將待修復零件搬運至設備工作臺，增加了制造成本，零件精度亦受到影響。對于大型零部件的修復，平臺承載能力受限，不易于現(xiàn)場修復。大型工程機械裝備中，龍門式結構具有結構簡單、穩(wěn)定性高和負載承受力大等特點。因此，文中擬基于龍門結構設計面向現(xiàn)場修復的可移動激光修復平臺。

1.1.1 平臺主體結構

為實現(xiàn)平臺面向現(xiàn)場零部件的修復，提出如圖1所示的兩種主體結構設計方案，方案a為整體式平臺，方案b為分體式平臺。方案a平臺與其結構組件需承受待修復零件負載，平臺的承載能力和范圍受限。如提升平臺的承載能力，需同步提升結構組件的承載能力，增加平臺結構組件的制造費用，增加平臺生產(chǎn)成本。且整體式平臺工作臺的向運動因承載零件，工作時易出現(xiàn)抖動且增大運動慣性，影響零件修復質量和精度；方案b平臺主體與工作臺分開，待修復零件的載荷由工作臺承受，減少了平臺主體的負載。另外，平臺主體安裝可移動福馬輪，承受平臺主體載荷，并具備調平功能，以實現(xiàn)工程中面向現(xiàn)場的零部件修復，與方案a的設計相比，具備平臺可移動和承載能力大的優(yōu)點。

圖1 平臺設計方案

1.1.2 運動框架

運動框架是修復平臺的基礎，是保證平臺精度的關鍵，要求具有較高的裝配精度和運動精度，主要有以下兩類：一類是在三軸框架設計定位孔以裝配其他結構組件及零件；另一類是由鋁型材構成單模組，再由單模組之間組合及固定構成三軸框架。在三軸框架制作定位孔裝配零部件對加工精度和安裝精度要求較高，其帶來的誤差將影響平臺整體精度，且加重絲杠的磨損。因此，分體式平臺的三軸框架由鋁合金型材線性模組構成，如圖2所示，即采用單模組部件組裝及模組之間相互連接的組合方式，以保證整體架構的剛性、穩(wěn)定性和運動精度。為防止平臺工作中橫梁（軸運動）與零件間的干涉，采用雙固定軸結構，與其他固定軸結構相比，可避免三軸運動中的平臺與零件之間的運動干涉，防止造成撞車故障。

圖2 平臺框架

1.1.3//軸組件設計

滾珠絲桿型直線模組可在高負載工況下實現(xiàn)高精度的直線運動[12]。平臺框架為雙固定軸、軸固定軸的設計。因此，//軸移動組件采用由滾珠絲桿、直線導軌、鋁合金型材、聯(lián)軸器、光電開關等組成的滾珠絲桿型直線模組[5]。采用如圖3a所示的絲杠螺母座和連接固定板一體化的設計方案，以降低模組零件的數(shù)量，并減小由組件轉接定位帶來的誤差。如圖3b所示，模組內滑動線組設計為雙側直線導軌，可減少絲杠承載和降低傳動阻力，實現(xiàn)模組結構緊湊、密封好、負載強、精度高的要求。

圖3 x軸組件結構

1.1.4 可移動底座設計

底座作為平臺的基座，主要實現(xiàn)平臺移動、固定主體三軸框架及安裝電器控制元件等功能。其設計需考慮承載三軸模組組件、步進電機、激光器及其他輔助零部件，選用材料及結構應保證足夠的剛度及強度?？紤]到鑄造和焊接方式的成本及工藝性問題，采用如圖4所示的機械式連接鋁型材框架，尺寸依據(jù)主體框架尺寸而定。對向模組設計有配合底座安裝的定位孔及螺紋孔，借助滑塊螺母固定在鋁型材凹槽部位。在底座腳部安裝可實現(xiàn)調平及移動的福馬輪，以滿足平臺承載及靈活作業(yè)要求。

1.2 控制系統(tǒng)搭建

如圖5所示，平臺的控制系統(tǒng)搭建主要為實現(xiàn)//軸運動、激光器（送粉器）開啟、溫度監(jiān)測、行程限位控制等功能。

1.2.1 控制電路設計

平臺控制系統(tǒng)設計是基于Atmega2560主控板+ Rapms1.4擴展板實現(xiàn)各功能部分的控制，其接線及指令（、、軸及NPN開關信號等）通過Atmega2560主控板引腳擴展連接至Ramps1.4擴展板，由擴展板對應功能引腳連接各軸步進電機驅動器并傳輸脈沖信號控制步進電機按切片路徑執(zhí)行[13-14]。步進電機選用內置高細分的R86數(shù)字式兩相步進電機驅動器驅動，以保證平臺工作的穩(wěn)定和精度要求。搭建的各軸控制及限位電路如圖6所示。

圖4 底座結構

圖5 控制系統(tǒng)

雙軸及雙軸設計對2個步進電機的同步性提出較高的要求，一般情況下，雙電機同步運動接線電路設計分為2種，一種是共用同一步進電機驅動器，并聯(lián)2個步進電機；一種是在同信號下，由2個步進電機驅動器分別驅動對應步進電機運動。前者接線方式要求步進驅動器的最大輸出電流要遠遠大于相應臺數(shù)的步進電機電流的總和，會導致步進電機停止和啟動的反方向旋轉過程變多，由于在此過程中步進電機反向電動勢較高，會對驅動器造成沖擊，長期使用就會使步進驅動器的壽命縮短，后者可以避免此類現(xiàn)象出現(xiàn)，但后者接線方式必須保證2個步進電機的驅動器參數(shù)設置一致。后者僅需1個信號接口轉換頭，將1路信號分成2路，分別連接在雙軸及雙軸的步進電機上。

圖6 控制電路設計

1.2.2 平臺技術指標

綜合以上平臺的結構、電路及控制系統(tǒng)設計，主要技術參數(shù)指標如表1所示。

表1 平臺技術指標參數(shù)

Tab.1 Technical index parameters of platform

1.3 控制系統(tǒng)程序設計與調試

Marlin是主流的3D打印系統(tǒng)固件之一，具有開源程度高、適用性好、算法簡便等特點，可通過Arduino軟件的集成開發(fā)環(huán)境對系統(tǒng)程序進行開發(fā)和燒錄[5]。因此，平臺采用Marlin固件和Arduino軟件進行控制系統(tǒng)程序的設計與編譯，以實現(xiàn)對系統(tǒng)通信協(xié)議、傳感器類型、行程參數(shù)、運動精度等參數(shù)的定義[15-16]。

1.3.1 控制系統(tǒng)程序設計

1）通信與主控板

平臺主控板為“Atmega2560+ Ramps1.4”，通信協(xié)議為上位計算機串口設置波特率與固件波特率一致，程序定義參數(shù)如下：

#Define BAUDRATE 250000 #ifndef MOTHERBOARD #define MOTHERBOARD BOARD_RAMPS_14_ EFB

2）傳感器

Marlin固件命令宏中可實現(xiàn)溫度控制及保護，定義為監(jiān)測溫度達到預定溫度時，驅動電機開啟信號才允許傳輸。本平臺暫不設溫度自保護，取消此命令宏。為對軸步進電機溫度及激光器溫度進行實時監(jiān)測，程序定義參數(shù)如下：

#Define TEMP_SENSOR_0 1（接激光器） #Define TEMP_SENSOR_BED 1（接Z軸電機） //#define PREVENT_DANGEROUS_EXTRUDE

3）行程限位

Marlin固件設有默認限位開關狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)，分別為1和0，主板正極為5 V，平臺限位開關為NPN型光電感應開關，程序定義參數(shù)如下：

#define ENDSTOPPULLUP_XMIN #define ENDSTOPPULLUP_YMIN #define ENDSTOPPULLUP_ZMIN

4）加工尺寸

根據(jù)主體框架設計尺寸、擬待修復零件最大輪廓尺寸及坐標原點設置，平臺的加工尺寸參數(shù)定義如下：

#define X_MIN_POS 0 #define Y_MIN_POS 0 #define Z_MIN_POS 0 #define X_MAX_POS 750#define Y_MAX_POS 1000#define Z_MAX_POS 550

5）傳動軸精度

該程序段為定義各軸回零速度，平臺設計三軸運動均采用絲杠傳動，采取軸控制送粉量（送粉速率），不需回零，根據(jù)實測匹配調整參數(shù)，程序定義參數(shù)如下：

#define HOMING_FEEDRATE {4*60, 4*60, 4*60, 0} // set the homing speeds (mm/min)

該程序段是各軸運動精度控制的關鍵，定義為軸向移動1 mm所需的脈沖數(shù)，分別對應，，，4軸。脈沖數(shù)根據(jù)各軸傳動絲杠導程、步進電機每轉步數(shù)和步進電動機驅動細分配置計算得出，通過調節(jié)步進電機驅動器驅動脈沖頻率設置實現(xiàn)步進電機的細分[5]。軸輸出接脈沖濾波器轉換控制送粉器開啟，取值同其他3軸。程序定義參數(shù)如下：

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {1280, 1280,1280,1280}

1.3.2 平臺裝配與調試

按照上述主機結構及控制電路設計等，將主體框架、模組組件、步進電機、控制板及其電器元件等進行裝配，整機如圖7所示。

將裝配好的整機連接上位機，通過PC端操作平臺進行通訊調試，如圖8所示。//3軸運動信息、步進電機啟停、G代碼發(fā)送與接收、測試驅動及監(jiān)測等信號可通過操作平臺人機交互操作面板進行觀測。經(jīng)調試，位置、溫度等監(jiān)測信息無誤（擠出機對應激光器監(jiān)控；熱床對應軸電機監(jiān)控），平臺運行控制平穩(wěn)。

圖7 整機安裝及控制箱接線

圖8 PC端操作平臺

2 典型零件修復

為驗證所構建的可移動式激光修復平臺的可行性與操作性，擬對典型渦輪葉片及自定義坡口的缺損情況進行修復實驗。首先，基于正逆向結合處理方法，提取缺損部位三維數(shù)據(jù)，然后通過切片軟件進行修復路徑規(guī)劃，最后借助本研究構建的平臺進行修復實驗。

2.1 渦輪修復

2.1.1 正逆向結合提取修復模型

待修復受損渦輪如圖9所示，為清理受損表面和保證修復質量，對受損部位進行了銑削處理。受損部位模型重構的精度對切片數(shù)據(jù)精度和修復路徑規(guī)劃有著重要影響，如圖10所示，采用?？怂箍店P節(jié)臂掃描儀采集處理后渦輪的表面點云數(shù)據(jù)，借助逆向處理軟件和三維建模軟件對渦輪葉片點云進行模型重構和受損部位模型提取，為下一步平臺的修復路徑規(guī)劃做好模型準備[17-18]。

2.1.2 修復路徑規(guī)劃

待修復區(qū)域的修復路徑規(guī)劃基于提取的受損部位模型，可借助平臺切片軟件進行模型的分層及各軸行走路徑定義[19-20]。平臺采用的激光器光斑直徑為2 mm，與待修復渦輪壁厚相同，可采用多層單道路徑累積修復。將渦輪待修復平面（加工后）定義為切片環(huán)境坐標系面，規(guī)劃路徑軌跡如圖11所示。最終修復的精度通常取決于2個因素：缺陷模型切片數(shù)據(jù)的精度調控；設備運動精度的保障（主要是修復路徑的原點標定）。文中所提供的切片數(shù)據(jù)精度在上位機軟件的可視化操作界面中可以通過層高或模型尺寸補償來進一步控制修復的效果，以保證后道機加工所需冗余量，進而滿足修復零件最終的精度尺寸要求[21-22]。

圖9 待修復渦輪

圖10 重構模型和修復模型提取

圖11 渦輪受損部位修復模擬軌跡

2.1.3 修復路徑原點標定

為了準確實施修復路徑，保證修復質量，須對修復路徑的原點進行標定[23]：采用十字紅外激光器進行輔助原點位置標定及零件擺放位置的校正，通過連接PC端的上位機軟件，在上位機可視化界面原點偏移參數(shù)中設置，如圖12所示，對十字紅外激光器的坐標進行補償；通過水平儀調平待修復零件，保證熔覆平面與熔覆設備平面平行；結合圖11所示切片數(shù)據(jù)，依據(jù)噴頭位置坐標值進行修復路徑原點的標定工作，保證起始位置修復路徑的準確度。

圖12 工作原點補償設置界面

2.1.4 待修復零件定位

為保證待修復零件受損部位修復路徑數(shù)據(jù)的有效實施，需解決切片坐標與待修復零件在熔覆區(qū)域上坐標的一致性與吻合性。采用切片數(shù)據(jù)初始層路徑始、末點坐標與路徑預覽（非開啟激光運行）相結合的形式定位待修復零件，以確保激光路徑的精確實施。定位坐標采用同一層的不同位置（特征位置選取易識別且便于待修復零件對齊的邊緣點或邊界點），依據(jù)缺陷模型的實體切片數(shù)據(jù)提供的坐標值（1,1,1）（2,2,1），而非空駛軌跡坐標值，將受損部位實際運行軌跡的起始層始、末點坐標作為待修復渦輪的定位坐標。首先，通過上位機控制分別將激光頭移動至上述某一坐標值位置，再移動待修復零件（零件初始位置），將光斑與待修復零件相對應的特征點（即上述所提及的邊緣點或邊界點）進行定位，重復上述操作，即可實現(xiàn)將零件初始位置對齊至零件校正位置，如圖13所示，以滿足零件修復前位置要求，最后非開啟激光運行修復路徑，觀察光斑移動路徑，確保運行軌跡未偏離待修復區(qū)域。

2.1.5 激光修復實驗

如圖14所示，通過自建平臺修復后，渦輪具有較好的表面質量，輪廓與切片模型基本一致。測量修復渦輪葉片，其高度比切片模型設置小0.05 mm，這是由于激光熔融粉末后的塌陷導致的，如需獲得正常尺寸，需在切片模型加上補償。觀測修復區(qū)內部組織可見，其晶粒細小，分布均勻，無明顯內部缺陷。后續(xù)采取少量加工即可獲得精確輪廓和高質量表面，驗證了平臺對薄壁曲面形狀缺陷修復的可行性。

圖13 數(shù)據(jù)坐標與待修復零件的對正

2.2 坡口缺陷修復

2.2.1 坡口模型及路徑規(guī)劃

為進一步驗證平臺的修復可行性，擬實施預制坡口修復實驗。如圖15所示，對坡口進行缺損部位提取，并依據(jù)缺損部位模型進行修復路徑規(guī)劃。

2.2.2 坡口激光修復實驗

如圖16所示，采用自建平臺實施坡口修復實驗，修復區(qū)域整體組織為枝晶與等軸晶，組織致密，無明顯缺陷。基體與修復層間形成白亮的界面冶金結合帶，在結合帶與基體界面處為致密、低稀釋率、無明顯微觀偏析的組織[24-25]。

圖14 缺損部位激光修復形貌

圖15 坡口缺陷及修復路徑

圖16 修復層微觀形貌

3 結論

針對現(xiàn)場待修復零件，設計可移動激光再制造修復平臺，并實施典型零件修復實驗，得到以下主要結論。

1）采用龍門主體結構設計的分體式激光修復平臺，工作尺寸為750 mm×1 000 mm×550 mm，重復定位精度為±0.03 mm，運動框架和各軸組件采用鋁型材模組結構，平臺主體與工作臺分離，可保證負載條件和精度要求，以實現(xiàn)典型零件的現(xiàn)場修復。

2）以Atmega2560主板和Ramps1.4控制板為核心構建平臺控制系統(tǒng)，以Marlin固件為控制系統(tǒng)程序基礎，結合Arduino軟件進行各軸運動、行程、精度和溫度等參數(shù)的定義。經(jīng)主體結構、電路及系統(tǒng)的裝配及調試，平臺運行平穩(wěn)。

3）結合正逆向技術，基于修復部位切片路徑規(guī)劃、原點標定和零件定位實施典型零件的修復實驗。修復后的零件表面質量良好，組織致密，無內部缺陷，并驗證了修復平臺的適用性和可行性。

文中設計的激光修復平臺雖在平臺運動、溫度檢測、路徑規(guī)劃等方面實現(xiàn)了功能控制，可實施待修復零件的有效修復，但在參數(shù)反饋、精準控制和功能聯(lián)動方面還需進一步深入研究。

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Design and Experiment of Movable Laser Remanufacturing Repair Platform

LIU Hong-wei1,2, MA Shi-bo3, CHI Yong-bo1, ZHANG Zhao2, CAI Yong-bin3a

(1. Shanghai Xinfumei Gearbox Technical Service Co., Ltd., Shanghai 201100, China; 2. Institute of Remanufacturing Industry Technology, Jing-Jin-Ji (IRIT), Hebei Cangzhou 062455, China; 3. a. School of Materials Science and Engineering, b. Key Laboratory for Material Near Net Forming of Hebei Province, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

The work aims to construct a mobile laser remanufacturing repair platform for the parts to be repaired on site, so as to realize three-dimensional effective repair of typical parts, because laser repair technology has obvious technical advantages compared with other repair technologies and most of the existing laser repair equipment is fixed, with high cost, which is difficult for on-site repair. A split repair workbench with gantry main structure was designed, which was composed of single-mode aluminum profile structure and ball screw linear module, and adopted double-fixed-axis and mechanically connected movable base. Three-axis parallel stepper motor drive and limit control circuit was designed to realize synchronous control and movement of each axis. The control system based on Atmega2560 main control board and Ramps1.4 expansion board was established. The main parameters such as stroke, limit and precision were configured through Marlin firmware, which compiled the control program. The laser repair experiments of typical curved surface turbine parts and preset groove defective parts were completed through forward and reverse technology and path planning. The working size of the split platform was designed to be 750 mm×1 000 mm×550 mm. The structure ran smoothly, and the repetitive positioning accuracy was ±0.03 mm. The parts repaired by this platform had high surface quality, compact structure and no internal defects. The designed movable laser remanufacturing repair platform can effectively repair curved thin-walled parts and large notch parts on site, which is operable and practical.

laser remanufacturing; repair platform; gantry; control system; Marlin firmware

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.025

TH69

A

1674-6457(2023)01-0208-11

2022?04?15

2022-04-15

國家重點研發(fā)計劃（2019YFC1904404）；河北省高層次人才資助項目（A202101016）

National Key Research and Development Program (2019YFC1904404); Hebei Province High-level Talent Funding Project (A202101016)

劉宏偉（1978—），男，博士，副研究員，主要研究方向為裝備再制造技術。

LIU Hong-wei (1978-), Male, Doctor, Associate researcher, Research focus: equipment remanufacturing rechnology.

馬世博（1980—），男，博士，教授，主要研究方向為精密塑性成形工藝及裝備、增材制造。

MA Shi-bo (1980-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: precision plastic forming process and equipment, additive manufacturing.

劉宏偉, 馬世博, 遲永波, 等. 可移動激光再制造修復平臺設計與實驗[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 208-218.

LIU Hong-wei, MA Shi-bo, CHI Yong-bo, et al. Design and Experiment of Movable Laser Remanufacturing Repair Platform[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 208-218.