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.上海交通大學機械與動力工程學院,上海200240)

對于模具和大型異形件關鍵部位的常規熱處理,通常是由人工采用火焰硬化方法進行的,火焰淬硬局限性很多,如硬度低、易變形、開裂等,后續還需進行深加工修正。采用激光淬火就可解決以上問題,同一硬度下采用激光淬火可提高耐磨性和使用壽命,還可對難加工的部位進行局部淬火。目前,國內外都開始采用CO2高功率激光器進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固定在激光加工機上,并通過X、Y、Z軸數控移動將激光傳輸出,聚焦于工件表面的加工區,通過激光參數的控制來實現激光表面淬火和激光表面熔覆。

現有激光加工機雖在模具表面和大型異形件表面處理等方面發揮了較大的作用,但也有明顯的技術不足:①工件要放置在坐標工作臺上,對于小工件較方便,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工作臺,且搬運困難;③現有的激光加工機中雖采用光纖傳輸聚焦,但無法將激光束引導至復雜曲面加工點的法向方向,也不能保證焦點就在工件的表面,從而影響表面加工質量。

六軸柔性光纖激光熔覆加工機采用柔性系統對復雜曲面(含曲面形狀的機械零件、模具型腔等)進行激光表面硬化和修復,不僅可解決以上問題,還能針對模具表面和大型異形件表面進行熱處理,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 國內外研發現狀

近年來激光技術飛速發展,涌現出可與機器人柔性耦合的高功率工業型光纖激光器。先進制造領域在智能化、自動化和信息化技術方面的不斷進步,也促進了機器人技術與激光技術的結合,特別是汽車產業的發展需求,帶動了激光加工機器人產業的形成與發展。從20世紀90年代開始,德國、美國、日本等發達國家投入大量人力物力進行激光加工機器人的研發。進入 21世紀,德國 KUKA、瑞土ABB、日本FANUC等公司均研制出激光焊接機器人和激光切割機器人等系列產品,目前已成為國內外汽車產業中最先進的制造技術,并獲得了廣泛應用。德國大眾、美國通用、日本豐田等汽車裝配生產線上,已大量采用激光焊接機器人代替傳統的電阻點焊設備,不僅提高了產品質量和檔次,還減輕了汽車車身重量,節約了大量材料,獲得了很高的經濟效益,提高了企業的市場競爭力。在中國,一汽大眾、上海大眾等汽車公司也引進了激光機器人焊接生產線,沈陽新松機器人公司也開始涉足激光切割和焊接機器人制造領域。

隨著激光直接制造和再制造技術的發展,面對航空航天、冶金、汽車等行業快速原形和快速制造的需求,從2002年起,國際上開始研發激光熔覆機器人。我國是世界上最大的發展中國家,擁有千萬套國產大型貴重裝備和進口高精尖的昂貴設備,現場快速修復有著廣闊的市場需求。

雖然激光加工機器人取得了廣泛的工業應用,但由于它是基于激光技術和機器人技術的高度集成系統,激光加工又是復雜的智能工程,激光加工機器人仍處于初期發展階段,許多技術尚待開發研究解決。激光加工機器人在國內剛剛開始應用,無論激光領域還是工業應用領域對它還處于不熟悉的狀態。為此,本項目結合實際工作,對激光加工機器人的一些關鍵技術進行研究。

隨著環保節能要求的提高,激光加工類設備的優越性更明顯,加之企業技術創新、產品升級換代和技術改造,在模具制造、修復及大型工件現場修復中,便攜移動激光加工系統的需求不斷增加;同時,以外加工為主的激光加工站,對此類新型激光加工系統也有濃厚興趣,這些都為其提供了巨大的市場發展空間。目前,國內大型模具制造企業有數千家,激光加工站有數百家,以及高校科研機構用于教學實驗的需求,預計國內市場需求可達每年300～500臺。

2 依據的技術原理

機器人是高度柔性的加工系統,基于機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的光纖激光器。智能化光纖激光加工機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;③激光光束變換光學系統;④六自由度機器人本體;⑤機器人數字控制系統(控制器、示教盒);⑥計算機離線編程系統(計算機、軟件);⑦機器視覺系統;⑧激光加工頭;⑨材料進給系統(高壓氣體、送絲機、送粉器);⑩激光加工工作臺。光纖激光加工機器人的實物照見圖1、圖2。

圖1 光纖激光加工機器人

光纖激光加工機器人的工作原理是:從高功率光纖激光器發出的激光,經光纖耦合傳輸到激光光束變換光學系統,光束經整形聚焦后進入激光加工頭。根據不同的用途(切割、焊接、熔覆)選擇不同的激光加工頭,配用不同的材料進給系統(高壓氣體、迭絲機、送粉器)。激光加工頭安裝在六自由度機器人本體手臂末端,其運動軌跡和激光加工參數是由機器人數字控制系統提供指令進行的。先由激光加工操作人員在機器人示教盒上進行示教編程或在計算機上進行離線編程。材料進給系統將材料(高壓氣體、金屬絲、金屬粉末)與激光同步輸入到激光加工頭,高功率激光與進給材料同步作用完成加工任務。機器視覺系統對加工區檢測,檢測信號反饋至機器人控制系統,從而實現加工過程的適時控制[4-7]。

圖2 光纖激光熔覆機器人

3 關鍵技術

六軸柔性光纖激光熔覆加工機包括高功率激光器、光纖傳導聚焦系統、控制中心(工控機及其六軸控制軟件)、6個自由度的機械手、電源裝置、輔助裝置等。電源裝置給整個激光加工機提供工作電源。輔助裝置包括機床及運動部件,其特征是工件放置于輔助裝置之上,并在控制中心的動作下將工件傳輸至待加工區。控制中心通過工控機和六軸控制軟件來控制柔性六軸機械手、大功率激光器及輔助裝置的動作。其中,六軸機械手在控制中心的操控下,可在三維空間任意運動,同時控制中心通過大功率激光器將激光發射至光纖傳導聚焦系統,并在其動作之下將激光引導至復雜曲面各加工點的法向方向,且聚焦在工件表面。因此,開發的柔性光纖激光熔覆加工機創新性突出,不僅可根據控制中心來操縱6個自由度機械手,還可借助于光纖傳導聚焦精準地進行激光表面熱處理或高質量的表面修復。

此項技術已申請專利:201110065180.8。其關鍵技術有:

(1)開發了六軸控制軟件,以實現任意曲面法向激光加工運動控制、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備控制。

(2)開發了高功率光纖傳導激光器,并應用于本系統的加工工藝研究。系統結構框圖見圖3。

圖3 六軸柔性光纖激光熔覆加工機結構框圖

4 結束語

在開發六軸柔性光纖激光熔覆加工機的過程中,進行了以下創新性的工作:

(1)采用柔性光纖傳導大功率激光束及其聚焦系統,將激光引導并聚焦至加工區,因而被加工工件不必放在與激光系統剛性相連的坐標工作臺上。這樣,激光加工機就不需大型坐標工作臺,還可遠離激光器,實現生產現場在線加工。

(2)通過六軸機械手柔性系統和光纖傳導大功率激光柔性系統,可將高功率激光束傳輸到復雜曲面各加工點的法線方向,并聚焦在工件表面,能大大提高激光表面加工的精準度和質量。

(3)研究了光纖激光加工機器人在模具熱處理、模具制造及模具修復中的應用。

柔性光纖激光熔覆加工機能在現場處理加工事務,效果可提高70%;大型零件處理和修復的直接效益更高,還可降低50%以上的成本,又節能環保。

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