曲面机构机器人表面激光熔覆系统方案设计.docx

材料科学与工程学院《材料制造数字化技术基础》课程论文课程题目： 曲面构件机器人表面激光熔覆系统方案设计一、激光熔覆技术综述1.1 激光熔覆技术现状激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基休表面上放置选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面—薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法激光熔覆的试验研究可以追溯到 70 年代初1974 年底，Gnanamuthu 提出申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利在 70 年代后半期，有两个因素促进了该技术的发展，一方面是由于美国和欧共体国家出于对战略资源的担忧，另一方面是由于对半导体激光退火的广泛研究到 80 年代初激光熔覆技术已发展成为材料表面工程领域的前沿课题国外的研究主要集中在下面三个地区：欧洲、北美和亚洲欧洲在激光熔覆领域的主要研究内容包括: (1) 对激光熔覆过程的基础研究与理解；(2) 激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能；(3) 激光熔覆恢复零件和工具性能；(4) 激光熔覆过程显微裂纹和残余应力；(5) 激光熔覆涂层的电化学性质；(6)Mg 合金表面激光熔覆显微组织性能。

北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括: (1) 激光熔覆耐磨工具钢制造切割和冲压模具；(2) 激光熔覆 TiB2 制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金亚洲在激光熔覆领域主要研究内容包括：(1) 激光熔覆应用于增强零件机械性能；(2) 激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层；(3) 激光熔覆过程显微裂纹和残余应力；(4)检测并控制激光熔覆熔池温度，从而降低熔覆层材料稀释率；(5) 激光熔覆涂层的电化学性质国外对激光熔覆加工领域的研究主要集中在微观组织结构和金相分析、激光熔覆层的性能、熔覆层缺陷以及激光熔覆过程关键因素的检测与控制、激光熔覆加工设备和附属设备、激光熔覆过程中显微裂纹和残余应力的控制的研究我国对于激光熔覆加工的研究内容主要涉及以下方面:(1) 激光熔覆同轴送粉器以及利用 CCD 红外检测激光熔覆温度场的研究； (2) 激光熔覆制备耐磨涂层； (3) 激光熔覆工艺参数的研究；(4) 在激光熔覆过程中,添加某种金属元素,对特定合金组织形成的影响；(5) 扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响；(6) 激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能；(7)Mg 表面熔覆不同金属材料涂层的机械性能1.2 激光熔覆技术发展前景以对国内外对激光熔覆的研究现状的分析为基础，以国家的对先进制造技术的支持为导向，以提高激光熔覆加工质量为目的，以激光熔覆工业化应用为出发点，激光熔覆未来发展将围绕以下几个方面内容展开研究:（1）激光熔覆多源复杂耦合信息作用规律及决策机制；（2）建立激光熔覆优化控制系统；（3）激光熔覆加工的定量控制；（4）新技术应用及新材料制备1.3 激光熔覆技术的优势激光熔覆技术是表面改性技术的一种，主要特点是可以提高机构的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能，得到细小的晶体组织结构，改善构件的综合机械性能，最重要的是可修复因磨损或者其他原因而引起的失效零件，延长零件的使用寿命。

其优势如下：（1） 熔覆热影响区小，不破坏基材的力学性能；（2） 工件变形小，一般可忽略不计；（3） 层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好；（4） 由于激光作用时间短，熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小，因此可在熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的熔覆材料；（5） 高达 106℃/s 的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生了新性能的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等；（6） 激光熔覆过程易实现自动化生产，且熔覆层质量稳定；（7） 可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，对表面型廓复杂的零件，可进行灵活的局部强化；（8） 可通过混合不同的熔覆材料进行涂层成分涉及，得到不同性能的涂层二、曲面构件机器人激光熔覆实施方案2.1 设计目的通过激光熔覆的方法来在大型工程机械上的一个曲面构件表面堆敷一层耐磨性较好的合金材料，以提高其使用寿命2.2 系统组成2．2 ．1 激光器激光器采用 DILAS 公司的 SD3000/L 的 3KW 激光器，14×2.5 的矩形光斑，激光波长为980nm±10nm激光器图中部件 4、部件 5、部件 8、部件 12、部件 13 组成半导体激光具有光电转换效率高，波长短，功率密度高的优点，非常合适于熔覆及修复领域。

半导体激光器体积小，合适于机器人系统直接集成2．2 ．2 运动系统运动系统由机器人与变位机组成，分别为部件 6 和部件 7 与部件 10机器人采用 Fanuc 公司的 M-710iC/70，最大负载 60Kg，可达半径 2050mm，重复精度±0.07mm工作过程中通过 Profibus 总线与主控制进行通信变位机采用 3500kg 的 2 轴变位机，采用机器人外部轴方式，便于与机器人协调运动2．2 ．3 粉末输送系统粉末输送系统由粉末喷嘴与送粉机构组成，分别为部件 14 与部件 11同步送粉法是在激光辐照基体表面的同时，由送粉器连续的输入熔覆材料粉末，在保护气氛条件下，基体和熔覆材料同时被加热，又迅速凝固，实现界面的冶金结合，最终形成具有一定几何形貌的熔覆层同步送粉法按粉末运动驱动力的不同可分为重力送粉法和气动送粉法气动送粉采用气体动力分散和运输，粉末容易分散均匀，运输流畅，可长距离输送，且能实现混合送粉，同步动态法送粉和熔覆同时完成，便于实现自动化本系统采用同步送粉法整个送粉机构主要由电磁调速电动机、减速机、储料仓、螺旋输送轴和粉末输送仓组成，外加一些软管、气体流量计等辅助设备2．2 ．4 保护系统为防止熔覆过程中材料发生氧化，需要氦气或氩气作保护气，由部件 15 提供。

2．2 ．5 主控制系统本系统采用 PLC+PC 的架构，分别为部件 1 和部件 2 与部件 3PLC 采用 SIEMENS 公司的中型 PLC 系统 S7-300 系列，对机器人、变位机、激光器、送粉系统和保护系统进行整体控制PC 由高可靠性计算机配以 HNUCFARP 熔覆系统、神经网络专家系统模块、电控位移控制模块、熔覆宽度 CCD 检测模块构成其功能用于三维图形数据显示、处理、仿真、网络学习及加工过程的实时控制2．2 ．6 熔覆层宽度检测系统本系统以 CCD （部件 9）作为信号数据采集仪当激光头发出的激光照射在被测物体表面上，反射光经过透镜聚焦后成像于 CCD 光敏单元上，而 CCD 驱动电路以一定频率的脉冲驱动 CCD 输出反映物体位移信息的信号处理时再将此信号经过 A/D 转换，采集后送到单片机或计算机进行运算2．2 ．7 系统可行性分析本系统是较为常规的激光熔覆系统结构，因此对不同构件实施激光熔覆具有一定的兼容性但是相较于其他构件，本系统难点在于（1）激光熔覆过程中需要保证焊枪高度始终恒定一致，必须采用非常规的技术手段完成激光熔覆轨迹的跟踪控制；（2）由于构件较大，因此在加工过程中需要通过变位机构调整工件的曲面位置；（3）每一堆焊焊道与相邻焊道必须紧密相邻，并有 1/4 的焊道宽度交叠。

难点的解决方案将在下文中给出三、曲面激光熔覆机器人运动轨迹控制本系统中机器人运动轨迹控制流程图如下：3． 1 信号采集3．1 ．1 信号采集工具信号采集过程是将模拟摄像机、录像机、LD 视盘机、电视机输出的视频信号，通过专用的模拟、数字转换设备，转换为二进制数字信息的过程本系统中视频信号通过 CCD 采集，后运用视频采集卡对视频信号进行压缩，然后才通过 PCI 接口把压缩的视频数据传送到主机上实时采集的关键是每一帧图像所需的处理时间，如果每帧视频图像的处理时间超过相邻两帧的相隔时间，会出现数据的丢失，即丢帧现象采集卡都是把获取的视频序列先进行压缩处理，然后存入硬盘，也就是说视频序列的获取和压缩是在一起完成的，免除了再次进行压缩处理的不便3．1 ．2 信号采集对象对于难点 1，由于测量一定区域内激光器与构件表面的距离较为困难，因此，假设激光器与构件表面的距离与测量所得的构件表面热辐射成反比，即距离越远则热辐射越低从而将距离恒定这一要求转化为 CCD 采集区域内热辐射恒定3．1 ．3 信号处理及滤波方式信号处理过程中，首先为加快处理速度，需要进行灰度化处理，即是把含有亮度和色彩的彩色图像变换成灰度图像的过程。

灰度图像的每个像素点只需要用一个字节表示，大大提高了计算机处理速度，其值范围在 0～255 之间转换关系如下：Gray(i,j)=0.11R(i,j)+0.59G(i,j)+0.3B(i,j)，其中 Gray(i,j)为转换后的灰度图像在(i,j)点处的灰度值其次为排除火花飞溅、燃烧烟雾等的干扰，必须准确识别待测目标激光熔覆熔池辐射属于主动热辐射其形成的热辐射图像场与背景在灰度特性上有比较大的差异，将 CCD 采集得到的图像视为具有不同灰度级别的两类区域(激光熔覆熔池目标场和背景场) 的组合，通过选取一个合适的阈值，将其区分开来在灰度化处理与阈值分割后，本系统拟采用滑动平均的滤波方式，以令 CCD 采集区域内热辐射恒定滤波过程如下图所示：3． 2 控制方式多自由度串联机器人具有动态、耦合和非线性的动力学特性，在运动过程中，各关节的等效惯量时刻变化，为使 PID 控制器能够在较大程度适应机器人特性的时变过程，可以采用模糊逻辑调整控制器参数，构建模糊 PID 控制器模糊 PID 控制器是在 PID 控制器的基础上，通过计算系统误差 e 和误差变化率 ec，利用模糊规则进行模糊推理，得到PID 参数的调整量，并更新 PID 控制器参数。

模糊 PID 控制设计的核心是根据工程设计人员的技术知识和实际经验，建立合适的模糊规则表，根据误差 e 和误差的变化率 ec，得到调整 kp、k i、k d三个控制器参数的模糊控制表，针对不同的 e 和 ec，Δk p、Δk i、Δk d的整定原则为:（1）当 e 的绝对值较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的 kp与较小的 kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取 ki=0；（2）当 e 和 ec 的绝对值中等大小时，为使系统具有较小的超调，k p应取小一些，此时，k d的取值对系统的影响较大，应取小一些，ki的取值要适当；（3）当 e 的绝对值较小时,为使系统具有较好的稳定性， k p和 ki均应取大些，同时，为避免系统在设定值处出现震荡，并考虑系统的抗干扰性能，当 ec 的绝对值较大时，k d可取小些，ec 的绝对值较小时, k d可取大些由于机器人前四个关节在运动过程中，关节惯量随着机器人位姿的变化在较大的惯量范围内变化，而且各关节之间惯量耦合严重因此，模糊 PID 控制器主要运用于前四个关节上，以起始位置的优化 PID 参数作为初始值，并采用模糊逻辑动态调整 PID 参数。

单关节模糊 PID 控制器仿真模型如下：四、机器人位置检测方式本系统拟采用摄像机标定方式以检测位置4． 1 摄像机标定原理摄像机标定是双目立体视觉基本且关键的工作，通过摄像机标定建立起摄像机图像像素位置与场景点位置之间的关系，由已知特征点的图像坐标和世界坐标求解摄像机的模型参数4．1 ．1 摄像机标定过程激光再制造机器人的摄像机标定采用二维平面靶标，以靶标上的方格点为标定点，建立非线性模型，通过不同的多个视点采集靶标图像，实现摄像机的标定在不考虑摄像机畸变的情况下，通过求解线性方程，计算出摄像机的线性模型参数，以此为非线性参数标定的近似初值，再采用非线性优化算法估计求解非线性参数即畸变系数为提高标定精度，再利用标定出的非线性参数重新计算线性参数，如此循环往复，直至线性参数和非线性参数的值收敛为止，求出全部参数4． 2 机器人手眼标定原理通。