柔性光纤激光熔覆加工研究

杨超翔,许 波,邓琦林

(1.上海大量精密机械有限公司,上海201108;2.上海大量光电科技有限公司,上海201108;3.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

对于模具和大型异形件关键部位的常规热处理,通常是由人工采用火焰硬化方法进行的,火焰淬硬局限性很多,如硬度低、易变形、开裂等,后续还需进行深加工修正。采用激光淬火就可解决以上问题,同一硬度下采用激光淬火可提高耐磨性和使用寿命,还可对难加工的部位进行局部淬火。目前,国内外都开始采用CO2高功率激光器进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统固定在激光加工机上,并通过X、Y、Z轴数控移动将激光传输出,聚焦于工件表面的加工区,通过激光参数的控制来实现激光表面淬火和激光表面熔覆。

现有激光加工机虽在模具表面和大型异形件表面处理等方面发挥了较大的作用,但也有明显的技术不足:①工件要放置在坐标工作台上,对于小工件较方便,而大、中工件就十分困难;②装夹大型工件需要特大型精密坐标工作台,且搬运困难;③现有的激光加工机中虽采用光纤传输聚焦,但无法将激光束引导至复杂曲面加工点的法向方向,也不能保证焦点就在工件的表面,从而影响表面加工质量。

六轴柔性光纤激光熔覆加工机采用柔性系统对复杂曲面(含曲面形状的机械零件、模具型腔等)进行激光表面硬化和修复,不仅可解决以上问题,还能针对模具表面和大型异形件表面进行热处理,提高表面的硬度、耐磨性和耐蚀性,在很大程度上提高了模具的表面性能。

1 国内外研发现状

近年来激光技术飞速发展,涌现出可与机器人柔性耦合的高功率工业型光纤激光器。先进制造领域在智能化、自动化和信息化技术方面的不断进步,也促进了机器人技术与激光技术的结合,特别是汽车产业的发展需求,带动了激光加工机器人产业的形成与发展。从20世纪90年代开始,德国、美国、日本等发达国家投入大量人力物力进行激光加工机器人的研发。进入 21世纪,德国 KUKA、瑞土ABB、日本FANUC等公司均研制出激光焊接机器人和激光切割机器人等系列产品,目前已成为国内外汽车产业中最先进的制造技术,并获得了广泛应用。德国大众、美国通用、日本丰田等汽车装配生产线上,已大量采用激光焊接机器人代替传统的电阻点焊设备,不仅提高了产品质量和档次,还减轻了汽车车身重量,节约了大量材料,获得了很高的经济效益,提高了企业的市场竞争力。在中国,一汽大众、上海大众等汽车公司也引进了激光机器人焊接生产线,沈阳新松机器人公司也开始涉足激光切割和焊接机器人制造领域。

随着激光直接制造和再制造技术的发展,面对航空航天、冶金、汽车等行业快速原形和快速制造的需求,从2002年起,国际上开始研发激光熔覆机器人。我国是世界上最大的发展中国家,拥有千万套国产大型贵重装备和进口高精尖的昂贵设备,现场快速修复有着广阔的市场需求。

虽然激光加工机器人取得了广泛的工业应用,但由于它是基于激光技术和机器人技术的高度集成系统,激光加工又是复杂的智能工程,激光加工机器人仍处于初期发展阶段,许多技术尚待开发研究解决。激光加工机器人在国内刚刚开始应用,无论激光领域还是工业应用领域对它还处于不熟悉的状态。为此,本项目结合实际工作,对激光加工机器人的一些关键技术进行研究。

随着环保节能要求的提高,激光加工类设备的优越性更明显,加之企业技术创新、产品升级换代和技术改造,在模具制造、修复及大型工件现场修复中,便携移动激光加工系统的需求不断增加;同时,以外加工为主的激光加工站,对此类新型激光加工系统也有浓厚兴趣,这些都为其提供了巨大的市场发展空间。目前,国内大型模具制造企业有数千家,激光加工站有数百家,以及高校科研机构用于教学实验的需求,预计国内市场需求可达每年300～500台。

2 依据的技术原理

机器人是高度柔性的加工系统,基于机器人控制的激光器也必须具有高度的柔性,目前都选择用光纤传输的光纤激光器。智能化光纤激光加工机器人主要由以下几部分组成[1-3]:①高功率可光纤传输激光器;②光纤耦合和传输系统;③激光光束变换光学系统;④六自由度机器人本体;⑤机器人数字控制系统(控制器、示教盒);⑥计算机离线编程系统(计算机、软件);⑦机器视觉系统;⑧激光加工头;⑨材料进给系统(高压气体、送丝机、送粉器);⑩激光加工工作台。光纤激光加工机器人的实物照见图1、图2。

图1 光纤激光加工机器人

光纤激光加工机器人的工作原理是:从高功率光纤激光器发出的激光,经光纤耦合传输到激光光束变换光学系统,光束经整形聚焦后进入激光加工头。根据不同的用途(切割、焊接、熔覆)选择不同的激光加工头,配用不同的材料进给系统(高压气体、迭丝机、送粉器)。激光加工头安装在六自由度机器人本体手臂末端,其运动轨迹和激光加工参数是由机器人数字控制系统提供指令进行的。先由激光加工操作人员在机器人示教盒上进行示教编程或在计算机上进行离线编程。材料进给系统将材料(高压气体、金属丝、金属粉末)与激光同步输入到激光加工头,高功率激光与进给材料同步作用完成加工任务。机器视觉系统对加工区检测,检测信号反馈至机器人控制系统,从而实现加工过程的适时控制[4-7]。

图2 光纤激光熔覆机器人

3 关键技术

六轴柔性光纤激光熔覆加工机包括高功率激光器、光纤传导聚焦系统、控制中心(工控机及其六轴控制软件)、6个自由度的机械手、电源装置、辅助装置等。电源装置给整个激光加工机提供工作电源。辅助装置包括机床及运动部件,其特征是工件放置于辅助装置之上,并在控制中心的动作下将工件传输至待加工区。控制中心通过工控机和六轴控制软件来控制柔性六轴机械手、大功率激光器及辅助装置的动作。其中,六轴机械手在控制中心的操控下,可在三维空间任意运动,同时控制中心通过大功率激光器将激光发射至光纤传导聚焦系统,并在其动作之下将激光引导至复杂曲面各加工点的法向方向,且聚焦在工件表面。因此,开发的柔性光纤激光熔覆加工机创新性突出,不仅可根据控制中心来操纵6个自由度机械手,还可借助于光纤传导聚焦精准地进行激光表面热处理或高质量的表面修复。

此项技术已申请专利:201110065180.8。其关键技术有:

(1)开发了六轴控制软件,以实现任意曲面法向激光加工运动控制、高功率激光器控制、高功率激光传输聚焦控制及外围辅助设备控制。

(2)开发了高功率光纤传导激光器,并应用于本系统的加工工艺研究。系统结构框图见图3。

图3 六轴柔性光纤激光熔覆加工机结构框图

4 结束语

在开发六轴柔性光纤激光熔覆加工机的过程中,进行了以下创新性的工作:

(1)采用柔性光纤传导大功率激光束及其聚焦系统,将激光引导并聚焦至加工区,因而被加工工件不必放在与激光系统刚性相连的坐标工作台上。这样,激光加工机就不需大型坐标工作台,还可远离激光器,实现生产现场在线加工。

(2)通过六轴机械手柔性系统和光纤传导大功率激光柔性系统,可将高功率激光束传输到复杂曲面各加工点的法线方向,并聚焦在工件表面,能大大提高激光表面加工的精准度和质量。

(3)研究了光纤激光加工机器人在模具热处理、模具制造及模具修复中的应用。

柔性光纤激光熔覆加工机能在现场处理加工事务,效果可提高70%;大型零件处理和修复的直接效益更高,还可降低50%以上的成本,又节能环保。

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