專利名稱：一種激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及先進(jìn)制造與自動(dòng)化領(lǐng)域，具體為一種激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)。該 機(jī)器人系統(tǒng)具有機(jī)器視覺(jué)和智能化特征。
背景技術(shù)：
隨著中國(guó)裝備制造業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)若干重大支柱產(chǎn)業(yè)和國(guó)防建設(shè) 中，不僅擁有大量的我國(guó)自主生產(chǎn)制造的大型貴重裝備，而且進(jìn)口了許多高精尖的昂貴設(shè) 備，如海洋石油平臺(tái)及采油輸油裝備、石油化工裝備、火力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、大型軋鋼設(shè)備、大 型汽車模具，大型艦船和飛機(jī)等。重大裝備的損傷及故障給企業(yè)生產(chǎn)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。 常規(guī)的裝備損傷修復(fù)技術(shù)有電鍍、電弧堆焊、熱噴涂等，但存在著修復(fù)噴涂層與基體結(jié)合力 差，熱量注入大，零件容易變形，尺寸不能精確控制等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足貴重零部件精密修復(fù) 的要求，且伴隨較大的環(huán)境污染。近年國(guó)際上發(fā)展的基于激光熔敷的激光再制造技術(shù)，是一種先進(jìn)修復(fù)技術(shù)，具有 修復(fù)界面結(jié)合力強(qiáng)，零件幾乎不產(chǎn)生變形，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前的激光再制造 設(shè)備存在三點(diǎn)不足，致使許多貴重的大型結(jié)構(gòu)件或復(fù)雜空間形狀零部件無(wú)法修復(fù)而廢棄 1.加工柔性差.依靠反射鏡實(shí)現(xiàn)光束傳輸導(dǎo)引，僅能做有限臺(tái)面的3維加工，自動(dòng)化程度 低，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)大型結(jié)構(gòu)件或復(fù)雜空間形狀零部件的修復(fù)；2.激光加工機(jī)床多為固定式大 型系統(tǒng)，不能移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)急需，致使許多貴重零部件不得不廢棄； 3.雖然也有用機(jī)器人進(jìn)行激光修復(fù)的設(shè)備，但是缺乏智能性，沒(méi)有機(jī)器視覺(jué)，不能實(shí)現(xiàn)加工 路徑和參數(shù)的優(yōu)化和過(guò)程控制，不能離線編程，處于初級(jí)的示教編程階段，僅能做簡(jiǎn)單路徑 的修復(fù)。在申請(qǐng)人檢索的范圍內(nèi)，尚未見(jiàn)到具有本實(shí)用新型專利特征的激光再制造機(jī)器人 系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型擬解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種激光再制造機(jī) 器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)具有機(jī)器視覺(jué)的智能化功能，適于重大裝備中大型結(jié)構(gòu)件或復(fù)雜 零件表面損傷的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)需求，方便移動(dòng)，快速作業(yè)，修復(fù)效果好。本實(shí)用新型解決所述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)， 其特征在于采用模塊化設(shè)計(jì)，包括以下有效集成的八大部分可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄?系統(tǒng)單元、高功率激光光纖耦合和光纖傳輸單元、六自由度的機(jī)器人本體單元、機(jī)器人數(shù)字 控制系統(tǒng)單元、多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元、計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元、遠(yuǎn)程熔覆材料同 軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元和激光再制造工作頭單元；所述的多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元主要由零件表面形貌3D掃描單元、激光熔 池溫度場(chǎng)檢測(cè)單元和激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元三種機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)組成，所述的 掃描單元、溫度場(chǎng)檢測(cè)單元和粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元均由CCD/CMOS相機(jī)組構(gòu)成；所述三種機(jī)器 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)支架安裝在激光再制造工作頭單元上；[0007]所述的計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元主要由高性能計(jì)算機(jī)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軟件、激 光再制造任務(wù)自主規(guī)劃和離線編程軟件、機(jī)器視覺(jué)多信息處理和重建軟件、工藝知識(shí)庫(kù)、多 信息融合智能控制軟件組組成；所述多信息融合智能控制軟件組包括零件表面形貌3D掃 描和重建軟件、激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件、激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件 和多信息融合智能控制軟件；所述的遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元主要由遠(yuǎn)程雙料斗送粉器、載流氣體 發(fā)生器、載流氣體調(diào)控器、輸送氣/粉兩相流管路和送粉量調(diào)控器組成；載流氣體發(fā)生器通 過(guò)管路與載流氣體調(diào)控器相連，載流氣體調(diào)控器通過(guò)管路與遠(yuǎn)程雙料斗送粉器相連，遠(yuǎn)程 雙料斗送粉器通過(guò)輸送氣/粉兩相流管路與激光再制造工作頭單元中的分粉送粉模塊相 連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型機(jī)器人系統(tǒng)具有高度的激光加工柔性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù) 雜空間形狀和大型零部件的激光再制造；機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能在線對(duì)零件掃描、自動(dòng)反求零件 及其破損區(qū)域的3D空間形貌；機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還能在線檢測(cè)激光同軸送粉的粉末流場(chǎng)和激 光熔池溫度場(chǎng)。同時(shí)，機(jī)器人具有高度智能性，能對(duì)缺損部位、損壞程度做出準(zhǔn)確判斷，實(shí)現(xiàn) 零件表面缺陷在線識(shí)別；從而給出修復(fù)路徑，再形成3D-CAM程序，引導(dǎo)機(jī)器人對(duì)缺陷位置 進(jìn)行激光修復(fù)。在加工過(guò)程中根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在線檢測(cè)的粉末流場(chǎng)和激光熔池溫度場(chǎng)， 實(shí)時(shí)監(jiān)控修復(fù)質(zhì)量，自主規(guī)劃加工參數(shù)，直至加工完成。本實(shí)用新型機(jī)器人系統(tǒng)用于機(jī)器人對(duì)零件進(jìn)行激光修復(fù)再制造，具有下述優(yōu)點(diǎn) 檢測(cè)精度高、測(cè)量速度快；機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)體積小，很方便與機(jī)器人耦合，機(jī)器人帶動(dòng)機(jī)器視 覺(jué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多視角測(cè)量，消除“死角”；將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換 到機(jī)器人坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)全局坐標(biāo)的統(tǒng)一；離線編程系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)雜動(dòng)作，程序易于修 改，通用性好，安全性高，能減少機(jī)器人非工作時(shí)間，生產(chǎn)成本低。

圖1為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的可光纖傳輸?shù)母吖β始?光器系統(tǒng)單元1的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖3為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的高功率激光光纖耦合和 光纖傳輸單元2的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖4為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的六自由度的機(jī)器人本體 單元3的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖5為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)單 元4的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖6為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系 統(tǒng)單元5的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖7為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單 元6的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖8為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送 進(jìn)給系統(tǒng)單元7的結(jié)構(gòu)組成示意圖。[0019]圖9為本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的激光再制造工作頭單元8 的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖10本實(shí)用新型激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)組成示意框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本實(shí)用新型。本實(shí)用新型的激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱機(jī)器人系統(tǒng)，參見(jiàn)圖1、10)，其特征在 于采用模塊化設(shè)計(jì)，包括以下有效集成的八大部分可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄飨到y(tǒng)單元 1、高功率激光光纖耦合和光纖傳輸單元2、六自由度的機(jī)器人本體單元3、機(jī)器人數(shù)字控制 系統(tǒng)單元4、多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元5、計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元6、遠(yuǎn)程熔覆材料同 軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元7和激光再制造工作頭單元8。所述的可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄飨到y(tǒng)單元1(簡(jiǎn)稱激光器系統(tǒng)，參見(jiàn)圖2)主要 由可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄?1 (燈泵浦或LD泵浦的Nd:YAG激光器、半導(dǎo)體LD激光器、 光纖激光器或盤片激光器)、激光器控制臺(tái)12、水冷機(jī)13、風(fēng)冷機(jī)14、三相動(dòng)力電源15和電 纜16組成；三相動(dòng)力電源15通過(guò)電纜16與可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄?1相連，風(fēng)冷機(jī)14 通過(guò)管路與水冷機(jī)13相連，水冷機(jī)13再通過(guò)管路與高功率激光器11相連，將冷卻水注入 激光器進(jìn)行冷卻。所述的高功率激光光纖耦合和光纖傳輸單元2 (簡(jiǎn)稱傳輸單元，參見(jiàn)圖3)，主要由 光纖輸出耦合頭21、傳輸光纖22和光纖輸入耦合頭23組成。傳輸單元2通過(guò)光纖輸出耦 合頭21與激光器系統(tǒng)中可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄?1相連，傳輸單元2通過(guò)光纖輸入耦 合頭23與激光再制造工作頭單元8中激光光束變換模塊82相連。所述的六自由度的機(jī)器人本體單元3 (簡(jiǎn)稱機(jī)器人本體，參見(jiàn)圖4)，主要由機(jī)器人 本體31及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)32構(gòu)成。機(jī)器人本體31由三個(gè)臂關(guān)節(jié)、三個(gè)手關(guān)節(jié)組和機(jī)座317組 成，所述三個(gè)臂關(guān)節(jié)包括立柱臂關(guān)節(jié)311、大臂臂關(guān)節(jié)312和小臂臂關(guān)節(jié)313，所述的三個(gè)手 關(guān)節(jié)包括腕臂手關(guān)節(jié)314、指臂手關(guān)節(jié)315和末端執(zhí)行器316 ；六個(gè)關(guān)節(jié)分別用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串 聯(lián)起來(lái)，通過(guò)立柱臂關(guān)節(jié)311固定在機(jī)座317上；在手關(guān)節(jié)的末端執(zhí)行器316上安裝有激光 再制造工作頭單元8，在工作空間內(nèi)執(zhí)行多種作業(yè)。加工頭的位置一般由三個(gè)臂關(guān)節(jié)確定， 而其姿態(tài)則由三個(gè)手關(guān)節(jié)確定。按三個(gè)自由度布置的不同工作空間，機(jī)器人有直角坐標(biāo)型、 圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型及擬人臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)型4種不同結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要，機(jī)器人本體31的機(jī) 座可安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，以增加機(jī)器人的工作空間。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)32可采用直流伺服電 機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)等電力驅(qū)動(dòng)，借助齒輪、連桿、齒形帶、滾珠絲杠、諧波減速器、 鋼絲繩等部件驅(qū)動(dòng)各主動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體31六自由度的運(yùn)動(dòng)。所述的機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)單元4(簡(jiǎn)稱控制系統(tǒng)，參見(jiàn)圖5)，主要由供電電纜 41、控制柜42及示教編程器43等組成；供電電纜41與控制柜42通過(guò)開(kāi)關(guān)相連，示教編程 器43與控制柜42通過(guò)開(kāi)關(guān)相連。機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)單元4是機(jī)器人的大腦和心臟，決 定機(jī)器人性能水平，其主要作用是進(jìn)行示教編程、接受計(jì)算機(jī)離線編程指令、控制機(jī)器人終 端運(yùn)動(dòng)的位姿和運(yùn)動(dòng)路徑等。所述的多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元5 (簡(jiǎn)稱視覺(jué)系統(tǒng)，參見(jiàn)圖6)，主要由零件表 面形貌3D掃描單元51、激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)單元52和激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元53三種機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)組成，所述的掃描單元51、溫度場(chǎng)檢測(cè)單元52和粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元 53均由(XD/CM0S相機(jī)組構(gòu)成。所述三種機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)支架54安裝在激光再制造 工作頭單元8上。該系統(tǒng)單元的主要作用是分別對(duì)零件表面形貌進(jìn)行3D掃描，對(duì)激光熔 池溫度場(chǎng)的檢測(cè)和對(duì)激光同軸送粉粉末流場(chǎng)的檢測(cè)，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像信息，把相關(guān) 信息輸入計(jì)算機(jī)61進(jìn)行處理。所述的計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元6 (簡(jiǎn)稱編程系統(tǒng)，參見(jiàn)圖7)，主要由高性能計(jì)算 機(jī)61、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軟件62、激光再制造任務(wù)自主規(guī)劃和離線編程軟件63、機(jī)器視覺(jué)多 信息處理和重建軟件64、工藝知識(shí)庫(kù)65、多信息融合智能控制軟件組66組成；所述多信息 融合智能控制軟件組包括零件表面形貌3D掃描和重建軟件641、激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢 測(cè)與控制軟件642、激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件643、多信息融合智能控制軟件644等； 其主要作用是接受和處理來(lái)自機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的多種信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用人工智能優(yōu) 化加工工藝參數(shù)和規(guī)劃加工路徑，監(jiān)控激光再制造作業(yè)過(guò)程。所述的遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元7 (簡(jiǎn)稱進(jìn)給系統(tǒng)，參見(jiàn)圖8)，主要由 遠(yuǎn)程雙料斗送粉器71、載流氣體發(fā)生器72、載流氣體調(diào)控器73、輸送氣/粉兩相流管路74 和送粉量調(diào)控器75組成。載流氣體發(fā)生器72通過(guò)管路與載流氣體調(diào)控器73相連，載流氣 體調(diào)控器73通過(guò)管路與遠(yuǎn)程雙料斗送粉器71相連，遠(yuǎn)程雙料斗送粉器71通過(guò)輸送氣/粉 兩相流管路74與激光再制造工作頭單元8中分粉送粉模塊85相連。其主要作用是向激光 再制造工作頭輸送連續(xù)、穩(wěn)定、可調(diào)的金屬粉末流。所述的激光再制造工作頭單元8 (簡(jiǎn)稱工作頭，參見(jiàn)圖9)，主要由連接機(jī)器人模塊 81、激光光束變換模塊82、鏡頭保護(hù)模塊83、激光熔覆頭模塊84、分粉送粉模塊85、水冷模 塊86、載流輸送氣體模塊87和熔覆氣體保護(hù)模塊88組成。激光再制造工作頭單元8通過(guò) 連接機(jī)器人模塊81與六自由度的機(jī)器人本體單元3中的末端執(zhí)行器316相連，激光再制造 工作頭單元8置于連接機(jī)器人模塊81上并通過(guò)螺釘與之相連，激光再制造工作頭單元8中 激光光束變換模塊82通過(guò)螺紋與傳輸單元2中光纖輸入耦合頭23相連，鏡頭保護(hù)模塊83 置于激光光束變換模塊82下方并通過(guò)螺紋與之相連。激光熔覆頭模塊84置于鏡頭保護(hù)模 塊83下方并通過(guò)螺紋與之相連，分粉送粉模塊85置于連接機(jī)器人模塊81上并通過(guò)螺釘 與之相連，分粉送粉模塊85上方通過(guò)輸送氣/粉兩相流管路74與遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送 進(jìn)給系統(tǒng)單元7相連，分粉送粉模塊85下方通過(guò)管路與激光熔覆頭模塊84相連。水冷模 塊86、載流輸送氣體模塊87和熔覆氣體保護(hù)模塊88均通過(guò)螺紋集成在激光熔覆頭模塊84 上。其主要作用是高功率激光束與金屬粉末流相互作用，實(shí)現(xiàn)激光熔覆，進(jìn)行激光再制造。本實(shí)用新型機(jī)器人系統(tǒng)依托高性能計(jì)算機(jī)軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化特性，有效地將機(jī)器視 覺(jué)、逆向工程、圖像處理、離線編程、模擬仿真、狀態(tài)監(jiān)控、優(yōu)化控制、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等 領(lǐng)域的知識(shí)交叉集成應(yīng)用到機(jī)器人控制系統(tǒng)中，形成一整套智能化的激光修復(fù)再制造機(jī)器 人系統(tǒng)。本實(shí)用新型機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)述如下從高功率激光器11發(fā)出的激光，由 光纖輸出耦合頭21進(jìn)入傳輸光纖22，再進(jìn)入光纖輸入耦合頭23，進(jìn)入激光光束變換光學(xué)系 統(tǒng)82，光束經(jīng)過(guò)整形聚焦后進(jìn)入激光熔覆加工頭84。遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元 7，將熔覆材料金屬粉末和載流氣體與高功率激光束同步輸入到激光熔覆加工頭84，高功率 激光與熔覆材料相互作用，金屬粉末吸收激光能量熔化，在零件表面產(chǎn)生高溫熔池，隨即冷
6卻在零件修復(fù)表面，形成激光熔覆層；在機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)單元4的指令下，按規(guī)劃設(shè)計(jì) 的路徑，逐層熔覆，即完成激光再制造加工任務(wù)。本實(shí)用新型機(jī)器人系統(tǒng)的工作過(guò)程(參見(jiàn)圖10)敘述如下在激光熔覆前，首先，由零件表面形貌3D掃描單元51對(duì)待修復(fù)零件表面進(jìn)行激光 掃描，采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像信息輸入計(jì)算機(jī)61，在零件表面形貌3D掃描和反求工程重 建軟件641處理下，生成零件3D-CAD形貌圖形和零件表面破損區(qū)的3D-CAD圖形，并對(duì)損壞 程度做出準(zhǔn)確判斷。進(jìn)入多信息融合智能控制軟件66，基于多檢測(cè)信息融合進(jìn)行人工智能 決策，自主給出修復(fù)路徑、修復(fù)尺寸和修復(fù)厚度。然后，啟動(dòng)遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元7，將熔覆材料金屬粉末和載流氣 體輸入到激光再制造加工頭單元8，金屬粉末從激光熔覆頭模塊84流出。啟動(dòng)激光同軸送 粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元53，檢測(cè)同軸送粉粉末流場(chǎng)，采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像信息輸入計(jì)算 機(jī)61，在粉末流場(chǎng)檢測(cè)軟件處理下，在計(jì)算機(jī)61屏幕上顯示出粉末流場(chǎng)3D分布形貌和粉末 流的參數(shù)-焦點(diǎn)位置、焦點(diǎn)尺寸和粉末流率(g/min)。進(jìn)入多信息融合智能控制軟件66，根 據(jù)上述自主給出修復(fù)路徑、修復(fù)尺寸和修復(fù)厚度，給出優(yōu)選的激光熔覆作業(yè)參數(shù)-激光功 率和粉末流的參數(shù)_焦點(diǎn)位置、焦點(diǎn)尺寸和粉末流率(g/min)。啟動(dòng)可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄飨到y(tǒng)單元1和高功率激光光纖耦合和光纖傳輸 單元2。從高功率激光器11發(fā)出的激光，由光纖輸出耦合頭21進(jìn)入傳輸光纖22，再進(jìn)入光 纖輸入耦合頭23，進(jìn)入激光光束變換光學(xué)系統(tǒng)82，光束經(jīng)過(guò)整形聚焦后進(jìn)入激光熔覆加工 頭84。高功率激光束與熔覆材料金屬粉末和載流氣體同步輸入到激光加工頭，在激光熔覆 模塊下方5-20mm處高功率激光與熔覆材料相互作用，金屬粉末吸收激光能量熔化，在零件 表面產(chǎn)生高溫熔池，隨即冷卻在零件修復(fù)表面，形成激光熔覆層；激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)單元 52采集的激光熔池溫度場(chǎng)，進(jìn)入多信息融合智能控制軟件66。將激光功率11、送粉量75、 工藝知識(shí)庫(kù)65、進(jìn)行路徑規(guī)劃63等輸入在多信息融合智能控制軟件66中，基于多檢測(cè)信息 融合進(jìn)行人工智能決策，利用人工智能優(yōu)化加工工藝參數(shù)，自主給出新的修復(fù)工藝參數(shù)、修 復(fù)路徑、修復(fù)尺寸和修復(fù)厚度。接著，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元6，進(jìn)行離線編程作業(yè)67。接著，進(jìn)行系統(tǒng)綜 合模擬和仿真62。檢查有無(wú)碰撞干涉，繼續(xù)優(yōu)化熔覆路徑和參數(shù)，自主給出優(yōu)化后的修復(fù)工 藝參數(shù)、修復(fù)路徑、修復(fù)尺寸和修復(fù)厚度。優(yōu)化工作完成后，確認(rèn)模擬仿真無(wú)誤，將優(yōu)化的信息從計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)發(fā)送 傳輸?shù)綑C(jī)器人數(shù)字控制單元4，形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)字控制指令，驅(qū)動(dòng)6自由度機(jī)器人本體3 運(yùn)動(dòng)，指揮激光再制造工作頭8進(jìn)行激光修復(fù)作業(yè)。激光再制造工作頭按規(guī)劃的路徑，逐層 熔覆，最后完成激光再制造加工任務(wù)。在激光再制造過(guò)程中，激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)單元52和激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢 測(cè)單元53，分別對(duì)激光熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)激光同軸送粉粉末流場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，采集相 關(guān)數(shù)據(jù)和圖像信息，輸入計(jì)算機(jī)61，經(jīng)激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件642、激光同軸送粉 粉末流場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件643、多信息融合智能控制軟件66處理后，自動(dòng)調(diào)整激光再制造 工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控激光再制造作業(yè)過(guò)程。本實(shí)用新型涉及的現(xiàn)有技術(shù)主要包括可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄飨到y(tǒng)單元1、 高功率激光光纖耦合和光纖傳輸單元2、六自由度機(jī)器人本體單元3和機(jī)器人數(shù)字控制系
7統(tǒng)單元4。本實(shí)用新型涉及的創(chuàng)新技術(shù)主要包括多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元5、計(jì)算機(jī) 離線編程系統(tǒng)單元6、遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元7和激光再制造工作頭單元8 ； 其中多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元5中的零件表面形貌3D掃描單元51、激光再制造工作 頭單元8已在先申請(qǐng)了專利(申請(qǐng)?zhí)柗謩e為201020199922. 7和201020199925. 0)。更為重 要的是，本實(shí)用新型不僅設(shè)計(jì)了所述的創(chuàng)新技術(shù)，而且將所述現(xiàn)有技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)的整體 八大部分進(jìn)行了有效集成，組成了很復(fù)雜的一種激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)具 有機(jī)器視覺(jué)和智能化特征。 本實(shí)用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求一種激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于采用模塊化設(shè)計(jì)，包括以下有效集成的八大部分可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄飨到y(tǒng)單元、高功率激光光纖耦合和光纖傳輸單元、六自由度的機(jī)器人本體單元、機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)單元、多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元、計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元、遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元和激光再制造工作頭單元；所述的多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元主要由零件表面形貌3D掃描單元、激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)單元和激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元三種機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)組成，所述的掃描單元、溫度場(chǎng)檢測(cè)單元和粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元均由CCD/CMOS相機(jī)組構(gòu)成；所述三種機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)支架安裝在激光再制造工作頭單元上；所述的計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元主要由高檔計(jì)算機(jī)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軟件、激光再制造任務(wù)自主規(guī)劃和離線編程軟件、機(jī)器視覺(jué)多信息處理和重建軟件、工藝知識(shí)庫(kù)、多信息融合智能控制軟件組組成；所述多信息融合智能控制軟件組包括零件表面形貌3D掃描和重建軟件、激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件、激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)與控制軟件和多信息融合智能控制軟件；所述的遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元主要由遠(yuǎn)程雙料斗送粉器、載流氣體發(fā)生器、載流氣體調(diào)控器、輸送氣/粉兩相流管路和送粉量調(diào)控器組成；載流氣體發(fā)生器通過(guò)管路與載流氣體調(diào)控器相連，載流氣體調(diào)控器通過(guò)管路與遠(yuǎn)程雙料斗送粉器相連，遠(yuǎn)程雙料斗送粉器通過(guò)輸送氣/粉兩相流管路與激光再制造工作頭單元中的分粉送粉模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于所述的高功率激光器包 括燈泵浦或LD泵浦的Nd:YAG激光器、半導(dǎo)體LD激光器、光纖激光器或盤片激光器。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種激光再制造機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于采用模塊化設(shè)計(jì)，包括以下有效集成的八大部分可光纖傳輸?shù)母吖β始す馄飨到y(tǒng)單元、高功率激光光纖耦合和光纖傳輸單元、六自由度的機(jī)器人本體單元、機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)單元、多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元、計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)單元、遠(yuǎn)程熔覆材料同軸輸送進(jìn)給系統(tǒng)單元和激光再制造工作頭單元；多信息機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)單元主要由零件表面形貌3D掃描單元、激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)單元和激光同軸送粉粉末流場(chǎng)檢測(cè)單元三種機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)組成；本實(shí)用新型機(jī)器人系統(tǒng)具有高度激光加工柔性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間形狀和大型零部件的激光再制造。
文檔編號(hào)B25J9/16GK201720607SQ20102025398
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者劉立峰, 張海明, 方艷, 楊洗陳, 董玲 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)