专利名称：一种激光再制造机器人系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及先进制造与自动化领域，具体为一种激光再制造机器人系统。该 机器人系统具有机器视觉和智能化特征。
背景技术：
随着中国装备制造业突飞猛进的发展，在国民经济若干重大支柱产业和国防建设 中，不仅拥有大量的我国自主生产制造的大型贵重装备，而且进口了许多高精尖的昂贵设 备，如海洋石油平台及采油输油装备、石油化工装备、火力风力发电机组、大型轧钢设备、大 型汽车模具，大型舰船和飞机等。重大装备的损伤及故障给企业生产造成巨大经济损失。 常规的装备损伤修复技术有电镀、电弧堆焊、热喷涂等，但存在着修复喷涂层与基体结合力 差，热量注入大，零件容易变形，尺寸不能精确控制等缺点，无法满足贵重零部件精密修复 的要求，且伴随较大的环境污染。近年国际上发展的基于激光熔敷的激光再制造技术，是一种先进修复技术，具有 修复界面结合力强，零件几乎不产生变形，无环境污染等优点。但是，目前的激光再制造 设备存在三点不足，致使许多贵重的大型结构件或复杂空间形状零部件无法修复而废弃 1.加工柔性差.依靠反射镜实现光束传输导引，仅能做有限台面的3维加工，自动化程度 低，很难实现对大型结构件或复杂空间形状零部件的修复；2.激光加工机床多为固定式大 型系统，不能移动到现场作业，不能满足现场修复急需，致使许多贵重零部件不得不废弃； 3.虽然也有用机器人进行激光修复的设备，但是缺乏智能性，没有机器视觉，不能实现加工 路径和参数的优化和过程控制，不能离线编程，处于初级的示教编程阶段，仅能做简单路径 的修复。在申请人检索的范围内，尚未见到具有本实用新型专利特征的激光再制造机器人 系统的文献报导。
实用新型内容针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种激光再制造机 器人系统。该机器人系统具有机器视觉的智能化功能，适于重大装备中大型结构件或复杂 零件表面损伤的现场修复需求，方便移动，快速作业，修复效果好。本实用新型解决所述技术问题的技术方案是设计一种激光再制造机器人系统， 其特征在于采用模块化设计，包括以下有效集成的八大部分可光纤传输的高功率激光器 系统单元、高功率激光光纤耦合和光纤传输单元、六自由度的机器人本体单元、机器人数字 控制系统单元、多信息机器视觉检测系统单元、计算机离线编程系统单元、远程熔覆材料同 轴输送进给系统单元和激光再制造工作头单元；所述的多信息机器视觉检测系统单元主要由零件表面形貌3D扫描单元、激光熔 池温度场检测单元和激光同轴送粉粉末流场检测单元三种机器视觉检测系统组成，所述的 扫描单元、温度场检测单元和粉末流场检测单元均由CCD/CMOS相机组构成；所述三种机器 视觉检测系统通过支架安装在激光再制造工作头单元上；[0007]所述的计算机离线编程系统单元主要由高性能计算机、机器人运动仿真软件、激 光再制造任务自主规划和离线编程软件、机器视觉多信息处理和重建软件、工艺知识库、多 信息融合智能控制软件组组成；所述多信息融合智能控制软件组包括零件表面形貌3D扫 描和重建软件、激光同轴送粉粉末流场检测与控制软件、激光熔池温度场检测与控制软件 和多信息融合智能控制软件；所述的远程熔覆材料同轴输送进给系统单元主要由远程双料斗送粉器、载流气体 发生器、载流气体调控器、输送气/粉两相流管路和送粉量调控器组成；载流气体发生器通 过管路与载流气体调控器相连，载流气体调控器通过管路与远程双料斗送粉器相连，远程 双料斗送粉器通过输送气/粉两相流管路与激光再制造工作头单元中的分粉送粉模块相 连。与现有技术相比，本实用新型机器人系统具有高度的激光加工柔性，可实现对复 杂空间形状和大型零部件的激光再制造；机器视觉系统能在线对零件扫描、自动反求零件 及其破损区域的3D空间形貌；机器视觉系统还能在线检测激光同轴送粉的粉末流场和激 光熔池温度场。同时，机器人具有高度智能性，能对缺损部位、损坏程度做出准确判断，实现 零件表面缺陷在线识别；从而给出修复路径，再形成3D-CAM程序，引导机器人对缺陷位置 进行激光修复。在加工过程中根据机器视觉系统在线检测的粉末流场和激光熔池温度场， 实时监控修复质量，自主规划加工参数，直至加工完成。本实用新型机器人系统用于机器人对零件进行激光修复再制造，具有下述优点 检测精度高、测量速度快；机器视觉系统体积小，很方便与机器人耦合，机器人带动机器视 觉系统运动，可以实现多视角测量，消除“死角”；将机器视觉系统采集到的数据直接转换 到机器人坐标系，实现全局坐标的统一；离线编程系统能实现机器人复杂动作，程序易于修 改，通用性好，安全性高，能减少机器人非工作时间，生产成本低。
图1为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的整体结构组成示意图。图2为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的可光纤传输的高功率激 光器系统单元1的结构组成示意图。图3为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的高功率激光光纤耦合和 光纤传输单元2的结构组成示意图。图4为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的六自由度的机器人本体 单元3的结构组成示意图。图5为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的机器人数字控制系统单 元4的结构组成示意图。图6为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的多信息机器视觉检测系 统单元5的结构组成示意图。图7为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的计算机离线编程系统单 元6的结构组成示意图。图8为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的远程熔覆材料同轴输送 进给系统单元7的结构组成示意图。[0019]图9为本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的激光再制造工作头单元8 的结构组成示意图。图10本实用新型激光再制造机器人系统一种实施例的整体结构组成示意框图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本实用新型。本实用新型的激光再制造机器人系统(简称机器人系统，参见图1、10)，其特征在 于采用模块化设计，包括以下有效集成的八大部分可光纤传输的高功率激光器系统单元 1、高功率激光光纤耦合和光纤传输单元2、六自由度的机器人本体单元3、机器人数字控制 系统单元4、多信息机器视觉检测系统单元5、计算机离线编程系统单元6、远程熔覆材料同 轴输送进给系统单元7和激光再制造工作头单元8。所述的可光纤传输的高功率激光器系统单元1(简称激光器系统，参见图2)主要 由可光纤传输的高功率激光器11 (灯泵浦或LD泵浦的Nd:YAG激光器、半导体LD激光器、 光纤激光器或盘片激光器)、激光器控制台12、水冷机13、风冷机14、三相动力电源15和电 缆16组成；三相动力电源15通过电缆16与可光纤传输的高功率激光器11相连，风冷机14 通过管路与水冷机13相连，水冷机13再通过管路与高功率激光器11相连，将冷却水注入 激光器进行冷却。所述的高功率激光光纤耦合和光纤传输单元2 (简称传输单元，参见图3)，主要由 光纤输出耦合头21、传输光纤22和光纤输入耦合头23组成。传输单元2通过光纤输出耦 合头21与激光器系统中可光纤传输的高功率激光器11相连，传输单元2通过光纤输入耦 合头23与激光再制造工作头单元8中激光光束变换模块82相连。所述的六自由度的机器人本体单元3 (简称机器人本体，参见图4)，主要由机器人 本体31及其驱动系统32构成。机器人本体31由三个臂关节、三个手关节组和机座317组 成，所述三个臂关节包括立柱臂关节311、大臂臂关节312和小臂臂关节313，所述的三个手 关节包括腕臂手关节314、指臂手关节315和末端执行器316 ；六个关节分别用转动关节串 联起来，通过立柱臂关节311固定在机座317上；在手关节的末端执行器316上安装有激光 再制造工作头单元8，在工作空间内执行多种作业。加工头的位置一般由三个臂关节确定， 而其姿态则由三个手关节确定。按三个自由度布置的不同工作空间，机器人有直角坐标型、 圆柱坐标型、球坐标型及拟人臂关节坐标型4种不同结构。根据需要，机器人本体31的机 座可安装在移动机构上，以增加机器人的工作空间。机器人驱动系统32可采用直流伺服电 机、步进电机和交流伺服电机等电力驱动，借助齿轮、连杆、齿形带、滚珠丝杠、谐波减速器、 钢丝绳等部件驱动各主动关节，实现机器人本体31六自由度的运动。所述的机器人数字控制系统单元4(简称控制系统，参见图5)，主要由供电电缆 41、控制柜42及示教编程器43等组成；供电电缆41与控制柜42通过开关相连，示教编程 器43与控制柜42通过开关相连。机器人数字控制系统单元4是机器人的大脑和心脏，决 定机器人性能水平，其主要作用是进行示教编程、接受计算机离线编程指令、控制机器人终 端运动的位姿和运动路径等。所述的多信息机器视觉检测系统单元5 (简称视觉系统，参见图6)，主要由零件表 面形貌3D扫描单元51、激光熔池温度场检测单元52和激光同轴送粉粉末流场检测单元53三种机器视觉检测系统组成，所述的扫描单元51、温度场检测单元52和粉末流场检测单元 53均由(XD/CM0S相机组构成。所述三种机器视觉检测系统通过支架54安装在激光再制造 工作头单元8上。该系统单元的主要作用是分别对零件表面形貌进行3D扫描，对激光熔 池温度场的检测和对激光同轴送粉粉末流场的检测，并采集相关数据和图像信息，把相关 信息输入计算机61进行处理。所述的计算机离线编程系统单元6 (简称编程系统，参见图7)，主要由高性能计算 机61、机器人运动仿真软件62、激光再制造任务自主规划和离线编程软件63、机器视觉多 信息处理和重建软件64、工艺知识库65、多信息融合智能控制软件组66组成；所述多信息 融合智能控制软件组包括零件表面形貌3D扫描和重建软件641、激光同轴送粉粉末流场检 测与控制软件642、激光熔池温度场检测与控制软件643、多信息融合智能控制软件644等； 其主要作用是接受和处理来自机器人视觉系统的多种信息，建立数据库，利用人工智能优 化加工工艺参数和规划加工路径，监控激光再制造作业过程。所述的远程熔覆材料同轴输送进给系统单元7 (简称进给系统，参见图8)，主要由 远程双料斗送粉器71、载流气体发生器72、载流气体调控器73、输送气/粉两相流管路74 和送粉量调控器75组成。载流气体发生器72通过管路与载流气体调控器73相连，载流气 体调控器73通过管路与远程双料斗送粉器71相连，远程双料斗送粉器71通过输送气/粉 两相流管路74与激光再制造工作头单元8中分粉送粉模块85相连。其主要作用是向激光 再制造工作头输送连续、稳定、可调的金属粉末流。所述的激光再制造工作头单元8 (简称工作头，参见图9)，主要由连接机器人模块 81、激光光束变换模块82、镜头保护模块83、激光熔覆头模块84、分粉送粉模块85、水冷模 块86、载流输送气体模块87和熔覆气体保护模块88组成。激光再制造工作头单元8通过 连接机器人模块81与六自由度的机器人本体单元3中的末端执行器316相连，激光再制造 工作头单元8置于连接机器人模块81上并通过螺钉与之相连，激光再制造工作头单元8中 激光光束变换模块82通过螺纹与传输单元2中光纤输入耦合头23相连，镜头保护模块83 置于激光光束变换模块82下方并通过螺纹与之相连。激光熔覆头模块84置于镜头保护模 块83下方并通过螺纹与之相连，分粉送粉模块85置于连接机器人模块81上并通过螺钉 与之相连，分粉送粉模块85上方通过输送气/粉两相流管路74与远程熔覆材料同轴输送 进给系统单元7相连，分粉送粉模块85下方通过管路与激光熔覆头模块84相连。水冷模 块86、载流输送气体模块87和熔覆气体保护模块88均通过螺纹集成在激光熔覆头模块84 上。其主要作用是高功率激光束与金属粉末流相互作用，实现激光熔覆，进行激光再制造。本实用新型机器人系统依托高性能计算机软硬件的标准化特性，有效地将机器视 觉、逆向工程、图像处理、离线编程、模拟仿真、状态监控、优化控制、人工智能、网络通信等 领域的知识交叉集成应用到机器人控制系统中，形成一整套智能化的激光修复再制造机器 人系统。本实用新型机器人系统的工作原理简述如下从高功率激光器11发出的激光，由 光纤输出耦合头21进入传输光纤22，再进入光纤输入耦合头23，进入激光光束变换光学系 统82，光束经过整形聚焦后进入激光熔覆加工头84。远程熔覆材料同轴输送进给系统单元 7，将熔覆材料金属粉末和载流气体与高功率激光束同步输入到激光熔覆加工头84，高功率 激光与熔覆材料相互作用，金属粉末吸收激光能量熔化，在零件表面产生高温熔池，随即冷
6却在零件修复表面，形成激光熔覆层；在机器人数字控制系统单元4的指令下，按规划设计 的路径，逐层熔覆，即完成激光再制造加工任务。本实用新型机器人系统的工作过程(参见图10)叙述如下在激光熔覆前，首先，由零件表面形貌3D扫描单元51对待修复零件表面进行激光 扫描，采集到的相关数据和图像信息输入计算机61，在零件表面形貌3D扫描和反求工程重 建软件641处理下，生成零件3D-CAD形貌图形和零件表面破损区的3D-CAD图形，并对损坏 程度做出准确判断。进入多信息融合智能控制软件66，基于多检测信息融合进行人工智能 决策，自主给出修复路径、修复尺寸和修复厚度。然后，启动远程熔覆材料同轴输送进给系统单元7，将熔覆材料金属粉末和载流气 体输入到激光再制造加工头单元8，金属粉末从激光熔覆头模块84流出。启动激光同轴送 粉粉末流场检测单元53，检测同轴送粉粉末流场，采集到的相关数据和图像信息输入计算 机61，在粉末流场检测软件处理下，在计算机61屏幕上显示出粉末流场3D分布形貌和粉末 流的参数-焦点位置、焦点尺寸和粉末流率(g/min)。进入多信息融合智能控制软件66，根 据上述自主给出修复路径、修复尺寸和修复厚度，给出优选的激光熔覆作业参数-激光功 率和粉末流的参数_焦点位置、焦点尺寸和粉末流率(g/min)。启动可光纤传输的高功率激光器系统单元1和高功率激光光纤耦合和光纤传输 单元2。从高功率激光器11发出的激光，由光纤输出耦合头21进入传输光纤22，再进入光 纤输入耦合头23，进入激光光束变换光学系统82，光束经过整形聚焦后进入激光熔覆加工 头84。高功率激光束与熔覆材料金属粉末和载流气体同步输入到激光加工头，在激光熔覆 模块下方5-20mm处高功率激光与熔覆材料相互作用，金属粉末吸收激光能量熔化，在零件 表面产生高温熔池，随即冷却在零件修复表面，形成激光熔覆层；激光熔池温度场检测单元 52采集的激光熔池温度场，进入多信息融合智能控制软件66。将激光功率11、送粉量75、 工艺知识库65、进行路径规划63等输入在多信息融合智能控制软件66中，基于多检测信息 融合进行人工智能决策，利用人工智能优化加工工艺参数，自主给出新的修复工艺参数、修 复路径、修复尺寸和修复厚度。接着，启动计算机离线编程系统单元6，进行离线编程作业67。接着，进行系统综 合模拟和仿真62。检查有无碰撞干涉，继续优化熔覆路径和参数，自主给出优化后的修复工 艺参数、修复路径、修复尺寸和修复厚度。优化工作完成后，确认模拟仿真无误，将优化的信息从计算机离线编程系统发送 传输到机器人数字控制单元4，形成机器人运动数字控制指令，驱动6自由度机器人本体3 运动，指挥激光再制造工作头8进行激光修复作业。激光再制造工作头按规划的路径，逐层 熔覆，最后完成激光再制造加工任务。在激光再制造过程中，激光熔池温度场检测单元52和激光同轴送粉粉末流场检 测单元53，分别对激光熔池温度场进行检测和对激光同轴送粉粉末流场进行检测，采集相 关数据和图像信息，输入计算机61，经激光熔池温度场检测与控制软件642、激光同轴送粉 粉末流场检测与控制软件643、多信息融合智能控制软件66处理后，自动调整激光再制造 工艺参数，实时监控激光再制造作业过程。本实用新型涉及的现有技术主要包括可光纤传输的高功率激光器系统单元1、 高功率激光光纤耦合和光纤传输单元2、六自由度机器人本体单元3和机器人数字控制系
7统单元4。本实用新型涉及的创新技术主要包括多信息机器视觉检测系统单元5、计算机 离线编程系统单元6、远程熔覆材料同轴输送进给系统单元7和激光再制造工作头单元8 ； 其中多信息机器视觉检测系统单元5中的零件表面形貌3D扫描单元51、激光再制造工作 头单元8已在先申请了专利(申请号分别为201020199922. 7和201020199925. 0)。更为重 要的是，本实用新型不仅设计了所述的创新技术，而且将所述现有技术和创新技术的整体 八大部分进行了有效集成，组成了很复杂的一种激光再制造机器人系统。该机器人系统具 有机器视觉和智能化特征。 本实用新型未述及之处适用于现有技术。
权利要求一种激光再制造机器人系统，其特征在于采用模块化设计，包括以下有效集成的八大部分可光纤传输的高功率激光器系统单元、高功率激光光纤耦合和光纤传输单元、六自由度的机器人本体单元、机器人数字控制系统单元、多信息机器视觉检测系统单元、计算机离线编程系统单元、远程熔覆材料同轴输送进给系统单元和激光再制造工作头单元；所述的多信息机器视觉检测系统单元主要由零件表面形貌3D扫描单元、激光熔池温度场检测单元和激光同轴送粉粉末流场检测单元三种机器视觉检测系统组成，所述的扫描单元、温度场检测单元和粉末流场检测单元均由CCD/CMOS相机组构成；所述三种机器视觉检测系统通过支架安装在激光再制造工作头单元上；所述的计算机离线编程系统单元主要由高档计算机、机器人运动仿真软件、激光再制造任务自主规划和离线编程软件、机器视觉多信息处理和重建软件、工艺知识库、多信息融合智能控制软件组组成；所述多信息融合智能控制软件组包括零件表面形貌3D扫描和重建软件、激光同轴送粉粉末流场检测与控制软件、激光熔池温度场检测与控制软件和多信息融合智能控制软件；所述的远程熔覆材料同轴输送进给系统单元主要由远程双料斗送粉器、载流气体发生器、载流气体调控器、输送气/粉两相流管路和送粉量调控器组成；载流气体发生器通过管路与载流气体调控器相连，载流气体调控器通过管路与远程双料斗送粉器相连，远程双料斗送粉器通过输送气/粉两相流管路与激光再制造工作头单元中的分粉送粉模块相连。
2.根据权利要求1所述的激光再制造机器人系统，其特征在于所述的高功率激光器包 括灯泵浦或LD泵浦的Nd:YAG激光器、半导体LD激光器、光纤激光器或盘片激光器。
专利摘要本实用新型公开一种激光再制造机器人系统，其特征在于采用模块化设计，包括以下有效集成的八大部分可光纤传输的高功率激光器系统单元、高功率激光光纤耦合和光纤传输单元、六自由度的机器人本体单元、机器人数字控制系统单元、多信息机器视觉检测系统单元、计算机离线编程系统单元、远程熔覆材料同轴输送进给系统单元和激光再制造工作头单元；多信息机器视觉检测系统单元主要由零件表面形貌3D扫描单元、激光熔池温度场检测单元和激光同轴送粉粉末流场检测单元三种机器视觉检测系统组成；本实用新型机器人系统具有高度激光加工柔性，可实现复杂空间形状和大型零部件的激光再制造。
文档编号B25J9/16GK201720607SQ20102025398
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者刘立峰, 张海明, 方艳, 杨洗陈, 董玲 申请人:天津工业大学