专利名称：基于管道机器人技术的细长管内表面激光强化处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及表面处理装置，尤其是激光加工设备领域中的实现细长管内表面激光
相变硬化的一种基于管道机器人的细长管内表面激光强化处理装置。
背景技术：
目前对金属细长管内表面的激光强化方法之一为相变硬化处理，用激光对长管内 表面进行硬化处理具有一些突出的优点。 已有细长管工件内表面激光强化处理装置主要运用C02激光器，通过对光束准 直、扩束、限束，并通过位于管内的反射聚焦光学系统聚焦，通过激光淬火机床装夹旋转工 件，对管材内表面进行强化处理，该设备装置复杂，占用空间大，需要大型激光淬火机床作 为加工装置，同时需要有水箱冷却系统对反射镜头进行冷却。
发明内容
本发明目的在于克服已有技术的缺点，为了提供适合细长管内表面激光相变硬化
处理的简单设备与方法，将激光表面热处理技术和管道机器人技术相结合，采用金属材料
对其吸收率较高的YAG固体激光器和新型管道机器人，以及光纤导光系统和计算机控制系
统。用光纤导光对管材内表面进行强化处理，以此来提高细长管内表面在各种情况下的硬
度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性。本发明克服了目前管材内表面激光硬化处理系统的缺点，具
有结构简单、操作方便、硬化处理效果好、适用于各种复杂工况的优点。 本发明提供的用于管材内表面激光相变硬化装置如图2、图3、图4所示包括YAG
固体激光器、光纤导光系统、管内爬行机器人及计算机控制系统。
其特征在于 YAG固体激光器的光学聚焦系统由激光器2、光纤3、激光聚焦头6、激光反射镜7 组成，其中激光聚焦头6安装在管道爬行机器人5的内部层12上，随管道爬行机器人5的 运动方向移动，激光反射镜7固定在管道爬行机器人5的中间层14上，可以实现转动。
管材内表面激光强化处理的执行机构由管道爬行机器人5完成，其包括外包层9、 中间层14、内部层12、行走机构10等组成部分，采用轴承组合，实现灵活、可靠的中间层14 转动、外包层9和内部层12固定的功能；其行走机构10安装在外包层9与内部层12上，其 包括交流伺服电机15、谐波减速器16、蜗轮-蜗杆机构17、平行轮系支撑臂18、驱动轮11 以及张紧机构19，由两组三轮行走机构10形成内部定心及管道爬行机器人5的行走运动； 中间层14包括步进电机7、激光反射镜6和步进电机驱动齿轮轴系8，通过步进电机7驱动 激光反射镜6的旋转完成对管材内表面的激光强化处理。激光聚焦头13安装在内部固定 层中央，与行走机构10同步运动，并由行走驱动轮11保持定心。 整体运动的控制由计算机1来完成，计算机可对交流伺服电机15和步进电机7的 驱动电源进行参数设置和修改，并可监视交流伺服电机15驱动电源的工作状态。计算机通 过检测交流伺服电机15上的光电码盘的输出信号，检测电机转速的稳定性，并可进行机器
3人的位置检测。 本发明的积极效果 采用YAG激光对金属进行相变硬化处理时不需要对工件进行表面预处理，热作用 时间短，冷却速度很快，温度梯度很大，所以处理层硬度很高，消耗的激光能量少，热变形 小。 采用轴承组合，从技术上解决了机器人运行系统与激光导光系统的协调运动问 题，通过锁紧螺母锁定位置实现了激光反射镜与激光聚焦器距离可调。 管内作业机器人设计体积小、运行精度高、驱动力大、运行可靠，其轮式行走机构 具有结构简单、行走平稳、速度快、可靠性高和行走效率高等优点，在结构上保证了可靠的 自定心性，保证在运行时不出现爬行、卡住不动等现象。 根据激光表面硬化的特点，机器人的控制主要有速度控制和位置控制。对速度的 控制影响表面硬化层的物理性能，如表面硬度、硬化层深度和金相组织等，不同尺寸和不同 材料的管材所需要的处理速度不同。对位置的控制主要为了对内表面磨损不均匀的管材进 行变参数处理，如油田抽油泵泵筒在工作过程中由于活塞在泵筒内是非匀速运行，至使泵 筒整个内表面磨损不均匀，因此，在对泵筒内表面进行激光硬化处理时，磨损快的区段激光 硬化处理速度需慢一些，而磨损较慢的区段则可加快处理速度。
图1是本发明的原理示意图； 图2是管材内表面激光强化处理管道机器人原理示意图；
图3是行走机构示意图，说明书摘要附图采用图2。
其中 l-计算机、2-YAG固体激光器、3-光纤、4-工件、5—管道爬行机器人、6-激光反射 镜、7_步进电机、8-步进电机驱动齿轮轴系、9-外包层、10-行走机构、ll-驱动轮、12-内部 固定层、13_激光聚焦头、14-中间层、15—交流伺服电机、16—谐波减速器、17—蜗轮-蜗 杆机构、18-平行轮系支撑臂、19一拨盘式从动轮张紧结构。
具体实施例方式
按图1-3制作一台细长管内表面激光强化处理装置。该装置包括固体连续激光器 2、通过光纤3导光输出，并固定于管道机器人内部固定层上面的聚焦头聚焦到固定于中间 层上的激光反射镜上，对管道内表面进行强化处理加工。 本发明的基于管道机器人的细长管内表面激光强化处理装置，包括YAG固体激光 器2、光纤导光系统、管内爬行机器人5及计算机控制系统，YAG固体激光器2的光学聚焦系 统由激光器、光纤3、激光聚焦头、激光反射镜6组成，其中激光聚焦头安装在管道爬行机器 人内部固定层上，随管道爬行机器人的运动方向移动，激光反射镜6固定在管道爬行机器 人的中间层上，管材内表面激光强化处理的执行机构由管道爬行机器人完成，其包括外包 层9、中间层14、内部固定层12、行走机构IO部分，通过轴承联结实现三层面各自的回转运 动；其行走机构10安装在外包层9与内部固定层12上，其包括交流伺服电机15、谐波减速 器16、蜗轮-蜗杆17机构、平行轮系支撑臂18、驱动轮以及张紧机构，由两组三轮行走机构
4形成内部定心及管道爬行机器人的行走运动；中间层14包括步进电机7、激光反射镜和步
进电机驱动齿轮轴系，通过步进电机驱动激光反射镜的旋转完成对管材内表面的激光强化
处理。激光聚焦头安装在内部固定层12中央，与行走机构10同步运动，并由行走驱动轮保
持定心，整体运动的控制由计算机来完成，以对强化处理的速度及机器人的位置进行控制。
管道爬行机器人激光反射镜与激光聚焦器距离可调，通过锁紧螺母锁定位置。 本发明的工作原理 工作时被处理的管材4放置不动，激光器2产生激光，通过光纤3将激光导入管 内，并通过聚焦头13使激光聚焦，聚焦头由步进电机7驱动齿轮轴系8传动，采用中间层14 转动、内部层12固定的机构，激光聚焦头13放置在内层孔中，固定不动，而激光反射镜6和 中间旋转层14相连，齿轮轴系8将转动传到反射镜座上，带动激光反射镜6旋转，从而完成 随管道爬行机器人行走机构10直进的同时，激光反射镜6回转的工艺要求，由反射镜将聚 焦后的激光照射到管内表面上，完成对整个管壁的硬化处理。 管材内表面激光强化处理的执行机构一管道爬行机器人5采用了双电机驱动系 统。选用小直径高转速的交流伺服电机15+谐波减速器16—体化结构作为动力源，采用蜗 轮-蜗杆机构17加平行轮系支撑臂18传动机构，将交流伺服电机15的周向运动转变为管 道爬行机器人行走机构10的直进运动。轮式的行走机构10能够保证机器人有很好的定心 性、运动的平稳性和好的越障能力，内置的拨盘式可调张紧力弹簧张紧结构19解决从动轮 张紧力问题。另一个步进电机7用来驱动激光反射镜6旋转，最终使得激光在管内的扫描 轨迹为螺旋线前进方式。 管道爬行机器人5的运动和激光反射镜6的回转以及激光器2的起停都是由计算 机1控制，实现激光扫描速度和机器人运动位置的自动控制。
权利要求
一种基于管道机器人的细长管内表面激光强化处理装置，包括YAG固体激光器(2)、光纤导光系统、管内爬行机器人(5)及计算机控制系统，其特征在于YAG固体激光器(2)的光学聚焦系统由激光器、光纤(3)、激光聚焦头、激光反射镜(6)组成，其中激光聚焦头安装在管道爬行机器人内部固定层上，随管道爬行机器人的运动方向移动，激光反射镜(6)固定在管道爬行机器人的中间层上，管材内表面激光强化处理的执行机构由管道爬行机器人完成，其包括外包层(9)、中间层(14)、内部固定层(12)、行走机构(10)部分，通过轴承联结实现三层面各自的回转运动；其行走机构(10)安装在外包层(9)与内部固定层(12)上，其包括交流伺服电机(15)、谐波减速器(16)、蜗轮-蜗杆(17)机构、平行轮系支撑臂(18)、驱动轮以及张紧机构，由两组三轮行走机构形成内部定心及管道爬行机器人的行走运动；中间层(14)包括步进电机(7)、激光反射镜和步进电机驱动齿轮轴系，通过步进电机驱动激光反射镜的旋转完成对管材内表面的激光强化处理。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述激光聚焦头安装在内部固定层(12) 中央，与行走机构(10)同步运动，并由行走驱动轮保持定心，整体运动的控制由计算机来 完成，以对强化处理的速度及机器人的位置进行控制。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的管道爬行机器人激光反射镜与激 光聚焦器距离可调，通过锁紧螺母锁定位置。
全文摘要
一种基于管道机器人的细长管内表面激光强化处理装置，包括YAG固体激光器(2)、光纤导光系统、管内爬行机器人(5)及计算机控制系统，利用管道机器人带动光纤导光系统对管材内表面进行强化处理，以此来提高细长管内表面在各种情况下的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性。采用轮式行走机构的管道爬行机器人在结构上保证了可靠的自定心性，保证在运行时不出现爬行、卡住不动等现象。
文档编号C21D9/08GK101787424SQ20101010206
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者杨立军, 王懋露, 王扬, 邓宗全 申请人:哈尔滨工业大学