专利名称：一种可移动式激光熔覆及修复系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高附加值、精密或大型零部件的表面熔覆及修复技术领域，具体涉及一种采用计算机控制的可移动式激光熔覆及修复系统。
背景技术：
零部件修复的方法主要有激光熔覆、真空钎焊、真空涂层焊、钨极惰性气体保护焊和等离子体熔覆修复等方法。激光熔覆是根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属、制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面熔覆层。激光熔覆是一种快速冷却的过程、对基材的热输入量少、热影响区小、熔覆层组织细小、易于实现自动化等，因此使用激光熔覆的方法来修复转子等零部件比其他方法具有更大的优势。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一些列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等覆层与基本结合强度差的矛盾。因此，与其它方法相比较而言，激光熔覆是一种比较理想的表面熔覆或修复加工方法。发电机、汽轮机转子轴，飞机汽轮机叶片的表面熔覆，车身模具等体积较大，自身重量达几十吨，甚至几百吨，如果要进行表面熔覆或者修复，则运输成本很高，发电机、汽轮机转子轴，飞机汽轮机叶片的表面熔覆，车身模具等体积较大，自身重量达几十吨，甚至几百吨。例如，20万kW发电机组的轴系总重在100吨左右，30万kW发电机组的轴系总重在150吨左右。每个转子的长度都在7-8m以上。这些大型构件需要进行表面熔覆或者修复，如果运到厂家来维修，则运输成本很高，运输也极为不便，同时还存在运输中的安全问题，所以最理想的情况是把激光加工设备运输到现场，直接在现场对大型构件进行表面熔覆或者修复。但一般的激光加工系统包括激光器、激光加工机、控制系统、水冷机组等几个分系统组成，由于组成设备较多，结构复杂，所以一般都是分散固定放置在车间内部，不适合运输到现场作业。经对现有技术文献检索分析，发现名称为激光熔覆设备、申请号为200920133909.9的中国专利文献提出了一种用大型构件激光熔覆的翻转机构，这种翻转机构可以使零件与地面成任意角度，配合旋转机构可以覆盖到全部熔覆面，从而提高了激光熔覆的效率和质量。并且只需进行一次装夹，降低了生产成本，提高了生产效率。申请号为200520090374.3的中国专利文献所公开的“一种以半导体激光器为光源的移动式激光加工系统”设计了一个激光加工机，将激光发生器和激光加工机安装在同一台架上各自的安装座里，台架的支柱备有上下调节机构，使激光发生器和激光加工机保持在同一水平面上。该发明实际是仅仅提供了一个自行设计的激光加工机，并不涉及运动、控制部分以及系统的其它部分等。申请号为20081000060.4的中国专利文献所公开的“移动式激光修复设备及其修复方法”，提出 了一种基于三维扫描并进行分层切片的移动式激光修复设备及其修复方法，可以广泛应用于较高精度、高附加值或者大型设备和零部件的修复，但该设备的移动承载体为汽车，使用并不方便，系统也不具有熔池尺寸自适应控制功能，进一步该专利中也不涉及到控制部分。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种可灵活移动的激光熔覆及修复系统，该系统运动轨迹灵活，能适应复杂曲面或者空间轨迹的熔覆及修复，可根据待熔覆的工件模型自动切片、轨迹规划然后进行熔覆或者修复，在熔覆过程中也可以对熔覆的尺寸进行自适应控制，有效地提高了熔覆的质量。由于该系统的移动灵活性，特别适合像汽轮机转子、发动机叶片以及车身模具等这些大型构件的现场表面熔覆或者修复。根据本发明的一个方面，提供一种可移动式激光熔覆及修复系统，包括可移动平台、6个自由度的机器人、激光器、激光加工头和同轴送粉头、送粉器、熔池温度摄像机以及相应的熔池温度图像处理系统、PC计算工作站、PLC主控系统、变位机、激光三维扫描传感器、辅助装置，所述机器人、激光器、激光加工头和同轴送粉头、送粉器、熔池温度摄像机以及相应的熔池温度图像处理系统、PC计算工作站、PLC主控系统、变位机、激光三维扫描传感器、辅助装置均设置在所述可移动平台上，机器人的第6轴末端设置有激光加工头、激光三维扫描传感器、熔池温度摄像机，激光加工头下端与同轴送粉头相连接，送粉器连通至同轴送粉头，熔池温度图像处理系统连接熔池温度摄像机，同轴送粉头的粉末流汇聚的位置就是激光器的激光焦距的位置，PLC主控系统通过Profibus总线连接送粉器、机器人、激光器、熔池温度图像处理系统、PC计算工作站，机器人、激光三维扫描传感器通过以太网连接PC计算工作站。优选地，所述熔池温度图像处理系统用于通过控制熔池温度摄像机以获取激光熔覆过程中的熔池图像，然后对熔池图像进行特征提取并向PLC主控系统发送熔池的宽度、面积以及温度信息；PLC主控系统判断熔池的宽度、面积以及温度是否在在期望值区间，如果在期望值区间则不调整，反之则通过实时调整激光器的功率输出和/或机器人的运行速度以实现熔覆尺寸和温度的自适应控制；优选地，所述PLC主控系统与PC计算工作站相连以传输机器人、激光器、送粉器、熔池温度图像处理系统 的状态以及工艺参数数据信息，以便对可移动式激光熔覆及修复系统的状态进行检查，对工艺参数进行实时采集与分析，其中，所述工艺参数包括焊接速度、激光功率、送粉速率。优选地，所述PC计算工作站包括人机界面单元、工件模型处理单元、以及离线编程和仿真单元，其中:所述人机界面单元与PLC主控系统相连，PLC主控系统将机器人、激光器、送粉器、熔池温度图像处理系统的状态以及工艺参数数据信息传输给PC计算工作站，并显示在人机界面单元上以对工作状态进行实时监测，PLC主控系统实时采集的激光功率、机器人的焊接速度、送粉速率也传输给PC计算工作站并实时显示在人机界面单元上，人机界面单元上设定的机器人的程序编号和焊接速度、以及激光器的程序、激光工艺参数、送粉速率、提前送粉时间、提前送气时间参数通过PLC主控系统分别传输给机器人、激光器以及送粉器；所述工件模型处理单元通过激光三维扫描传感器扫描熔覆工件以得到熔覆工件的三维点云数据，工件模型处理单元对熔覆工件的扫描部分建立三维立体模型，并在垂直方向进行切片，将三维立体模型转化为二维平面模型，每层切片的厚度为激光器熔覆时每层的堆高，切片后，工件模型处理单元依次对每层切片进行熔覆轨迹规划，规划每层切片的加工路径；所述离线编程和仿真单元用于在工件模型处理单元得到每层切片的加工路径后，根据加工路径进行离线编程，并进行模拟熔覆和修复，如果产生的机器人加工程序模拟结果满足要求，则将此加工程序下载到机器人中进行实际熔覆，如果模拟不合格，则工件模型处理单元对三维立体模型重新进行切片和轨迹规划操作。本发明具有以下特点:激光器、机器人、送粉器以及熔池图像处理系统等都装配在可移动平台上，构成一个完整的、可移动的、独立的整体，这样方便将设备搬运到需要熔覆或者修复的大型零部件现场，机动灵活，又大大节约了时间和运输成本。系统采用6个自由度的机器人作为运动本体，可以实现很复杂的空间轨迹运动的熔覆及修复。而激光熔覆熔池尺寸的自适应控制则有效地提高了熔覆的质量和尺寸精度，而对三维空间模型的分层切片，轨迹规划功能则可以实现复杂零部件的熔覆成形及修复。该移动激光熔覆及修复系统将移动性、熔覆尺寸的自适应控制、三维模型的自动分层切片和轨迹规划、离线编程和仿真结合起来，方便了大型零部件的激光熔覆，通过计算机的精确控制，有效地提高了熔覆的质量，简化了熔覆及修复过程。由于该系统的移动灵活性，特别适合像汽轮机转子，发动机叶片以及车身模具等这些大型构件的现场表面熔覆或者修复。该激光熔覆及修复系统可以广泛应在各种高精密度、高附加值的设备和零部件的修复过程中。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1所示为可移动式激光熔覆及修复系统的组成。图2所示为激光熔覆温度及尺寸自适应控制调节方法流程图。图3所示为基于模型的激光熔覆及修复方法流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。如图1所示，在本实施例中， 可移动式激光熔覆及修复系统包括:可移动平台12、机器人1、激光器2、激光加工头3和同轴送粉头11、送粉器4、熔池温度摄像机5以及相应的熔池温度图像处理系统6、PC计算工作站7、PLC主控系统8、变位机9、激光三维扫描传感器10、辅助装置13，辅助装置13包括水冷装置、保护气装置以及激光安全装置。所述的机器人1是指通用型的，用于焊接和切割领域的6自由度工业机器人，通过其底座设置在可移动平台12上，其中:机器人I的第6轴末端与激光加工头3相连接，激光加工头3下端与同轴送粉头11相连接，在熔覆过程中，熔覆粉末经送粉器4送入同轴送粉头11，在气流的作用下，粉末流从同轴送粉头11喷射出并汇聚，通常情况下粉末流汇聚的位置就是激光焦距的位置，同时，激光三维扫描传感器10和熔池温度摄像机5也固定设置于机器人I第6轴的末端。如图1所示，所述的可移动平台，其中:机器人1、激光器2、送粉器4、熔池温度图像处理系统6、PLC主控系统8、PC计算工作站7、以及包含水冷装置、保护气装置、激光安全装置的辅助装置13都固定放置在上面。所以该系统为一独立完整可移动作业系统。可移动平台12的结构特征为一平板型钢结构，可移动平台12底部的四个角各安装有具有止动功能的万向脚轮，脚轮上设置有止动杆，当向上旋止动杆脱离地面时，则脚轮可任意方向行走，当止动杆向下旋时，脚轮被制动，则可移动平台12被固定。当需要进行现场作业时，可通过运输车将整个可移动平台12搬运至现场，调整好方位后固定，即可实现大型熔覆工件14熔覆及修复的现场作业，系统灵活方便。所述的熔池温度图像处理系统6包括采集单元、处理单元和控制单元，其中:采集单元通过光纤与熔池温度摄像机5相连以接收激光熔覆过程中的熔池图像，处理单元则主要是对采集的图像进行处理并进行特征提取，通过Profibus总线与PLC主控系统8相连以传输经过处理得到的熔池的宽度、面积以及温度等信息。所述的PLC主控系统8包括:开光量输入接口单兀、开关量输出接口单兀以及Profibus总线接口单元。其中:开关量输入接口单元与控制系统操作面板相连以传输程序开始、停止、激光打开/关闭、系统复位、故障复位、系统急停等控制信息，开光量输入接口单元也与安全门、安全光幕等相连，以实时检测系统的状态。开关量输出接口单元则与水冷启动、保护气打开/关闭、系统送粉启动/停止等装置相连以传输控制信息，以使整个系统按照一定的时序工作，、开关量输出接口单元也与系统就绪、运行/停止、系统复位、安全门复位、激光打开、蜂鸣器·报警、三色指示灯等装置相连以反映系统的工作状态。机器人1、激光器2、熔池温度图像处理系统6则是通过Profibus总线接口单元与PLC主控系统8相连，PLC主控系统8也通过总线接口单元与PC计算工作站7相连，以传输相应的状态和控制信息。总线接口与机器人I相连以传输机器人I的程序编号、焊接速度、以及一些I/O信号，机器人I的输出I/O信号通过总线接口单元传输到PLC主控系统8，以实时监测机器人I的工作状态，并进行相应的处理，而PLC主控系统8的输出I/O信号则通过总线接口单元传输到机器人I的控制器，以控制机器人I按照一定的时序动作。PLC主控系统8的总线接口单元与激光器2相连以传输激光器的程序编号、激光功率、激光方式、以及一些I/O信号，激光器2输出I/O信号通过总线接口单元传输至PLC主控系统8，以实时监测激光器2的工作状态，并进行相应处理，比如就绪、激光是否打开等反映系统状态的信息，而PLC主控系统8的输出I/O信号则通过总线接口单元传输到激光器2的控制器，以控制激光器2按照一定的时序动作，实现激光熔覆过程。总线接口单元也与激光熔覆的熔池温度图像处理系统6相连以接收熔覆熔池的宽度、面积以及温度等信息，也通过总线接口单元向熔池温度图像处理系统6发送一些控制信息，比如启动相机拍摄和开始图像处理等。PLC主控系统8通过Profibus总线接口单元接收到熔池的宽度、温度等信息，如果在期望值区间，则不调整，反之则通过一定的控制策略实时调整激光器2的功率输出或者机器人I的运行速度等工艺参数，从而实现熔覆尺寸和温度的自适应控制。如图2所示为激光熔覆的熔池尺寸及温度控制方法流程图。
所述的PC计算工作站7包括人机界面单元、工件模型处理单元、以及离线编程和仿真单元。其中:人机界面单元通过Profibus总线接口单元与PLC主控系统8相连，PLC主控系统8通过总线接口单元将机器人1、激光器2、熔池温度图像处理系统6、送粉器4以及安全门、安全光幕等设备的状态信息传输给PC计算工作站7，并显示在人机界面上以对系统的各个部件的工作状态进行实时监测，PLC主控系统8实时采集的激光功率、机器人的焊接速度、送粉速率等也可以通过总线接口单元传输给PC计算工作站7并实时显示在人机界面上，这些数据也可以导出进行分析和打印。人机界面上设定的机器人I的程序编号、焊接速度，激光器2的程序、激光工艺参数、送粉速率、提前送粉时间、提前送气时间等参数则通过总线接口单元与PLC主控系统8相连，PLC主控系统8再通过总线接口单元将这些数据分别传输给机器人1、激光器2以及送粉器4等。所述的PC计算工作站7的工件模型处理单元是指:激光三维扫描传感器10通过以太网接口与PC计算工作站7相连以传输扫描工件得到的三维点云数据，工件模型处理单元对扫描部分建立三维模型，并在垂直方向进行切片，将三维立体模型转化为二维平面模型，每层切片的厚度为激光器熔覆时每层的堆高。切片后，模型处理单元依次对每层切片进行熔覆轨迹规划，规划每层的加工路径。所述的PC计算工作站7的离线编程和仿真单元是指:在处理单元得到每层切片的加工路径后，三维离线编程单元根据加工路径进行离线编程，并进行模拟熔覆和修复，如果产生的机器人加工程序模拟结果满足要求，则将此加工程序下载到机器人I中进行实际熔覆。如果模拟不合格，则需模型处理单元对模型重新进行切片和轨迹规划操作。如图3所示为基于三维模型进行激光熔覆及修复的流程示意图。
本实施例实现了方便、高效、移动灵活以及高精度的激光熔覆。基于机器人技术结合三维模型的分层切片、离线编程技术可以实现空间复杂曲面的表面熔覆，以可以很方便地实现三维立体模型的熔覆及修复。激光熔覆熔池尺寸及温度的自适应控制则保证了熔覆过程的一致性，提高了产品的质量和稳定性。激光熔覆系统的所有部件全部安装在一个可移动的平台上，无论科研还是大型构件的现场应用都非常方便，大大提高了系统使用的灵活性。因此，该熔覆系统及方法无论对提高熔覆质量、精密或者复杂大型构件熔覆的自适应性，还是从经济效益和社会效益的角度，该系统和方法都具有较大的推广应用价值。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种可移动式激光熔覆及修复系统，其特征在于，包括可移动平台(12)、6个自由度的机器人(I)、激光器(2)、激光加工头(3)和同轴送粉头(11)、送粉器(4)、熔池温度摄像机(5)以及相应的熔池温度图像处理系统(6)、PC计算工作站(7)、PLC主控系统(8)、变位机(9)、激光三维扫描传感器(10)、辅助装置(13)，所述机器人(I)、激光器(2)、激光加工头(3)和同轴送粉头(11)、送粉器(4)、熔池温度摄像机(5)以及相应的熔池温度图像处理系统(6 )、PC计算工作站(7 )、PLC主控系统(8 )、变位机(9 )、激光三维扫描传感器(10 )、辅助装置(13)均设置在所述可移动平台(12)上，机器人(I)的第6轴末端设置有激光加工头(3)、激光三维扫描传感器(10)、熔池温度摄像机(5)，激光加工头(3)下端与同轴送粉头(11)相连接，送粉器(4 )连通至同轴送粉头(11)，熔池温度图像处理系统(6 )连接熔池温度摄像机(5)，同轴送粉头(11)的粉末流汇聚的位置就是激光器(2)的激光焦距的位置，PLC主控系统(8)通过Profibus总线连接送粉器(4)、机器人(1)、激光器(2)、熔池温度图像处理系统(6 )、PC计算工作站(7 )，机器人(1)、激光三维扫描传感器(10 )通过以太网连接PC计算工作站(7)。
2.根据权利要求1所述的可移动式激光熔覆及修复系统，其特征在于，所述熔池温度图像处理系统(6)用于通过控制熔池温度摄像机(5)以获取激光熔覆过程中的熔池图像，然后对熔池图像进行特征提取并向PLC主控系统(8)发送熔池的宽度、面积以及温度信息；PLC主控系统(8)判断熔池的宽度、面积以及温度是否在在期望值区间，如果在期望值区间则不调整，反之则通过实时调整激光器(2)的功率输出和/或机器人(I)的运行速度以实现熔覆尺寸和温度的自适应控制。
3.根据权利要求1所述的可移动式激光熔覆及修复系统，其特征在于，所述PLC主控系统(8)与PC计算工作站(7)相连以传输机器人(I)、激光器(2)、送粉器(4)、熔池温度图像处理系统(6)的状态以及工艺参数数据信息，以便对可移动式激光熔覆及修复系统的状态进行检查，对工艺参数进行实时采集与分析，其中，所述工艺参数包括焊接速度、激光功率、送粉速率。
4.根据权利要求1所述的可移动式激光熔覆及修复系统，其特征在于，所述PC计算工作站(7)包括人机界面单元、工件模型处理单元、以及离线编程和仿真单元，其中: 所述人机界面单元与PLC主控系统(8)相连，PLC主控系统(8)将机器人(1)、激光器(2)、送粉器(4)、熔池温度图像处理系统(6)的状态以及工艺参数数据信息传输给PC计算工作站(7)，并显示在人机界面单元上以对工作状态进行实时监测，PLC主控系统(8)实时采集的激光功率、机器人(I)的焊接速度、送粉速率也传输给PC计算工作站(7)并实时显示在人机界面单元上，人机界面单元上设定的机器人(1)的程序编号和焊接速度、以及激光器(2)的程序、激光工艺参数、送粉速率、提前送粉时间、提前送气时间参数通过PLC主控系统(8)分别传输给机器人(I)、激光器(2)以及送粉器(4)； 所述工件模型处理单元通过激光三维扫描传感器(10)扫描熔覆工件(14)以得到熔覆工件(14)的三维点云数据，工件模型处理单元对熔覆工件(14)的扫描部分建立三维立体模型，并在垂直方向进行切片，将三维立体模型转化为二维平面模型，每层切片的厚度为激光器(2)熔覆时每层的堆高，切片后，工件模型处理单元依次对每层切片进行熔覆轨迹规划，规划每层切片的加工路径； 所述离线编程和仿真单元用于在工件模型处理单元得到每层切片的加工路径后，根据加工路径进行离线编程，并进行模拟熔覆和修复，如果产生的机器人加工程序模拟结果满足要求，则将此加工程序下载到机器人(I)中进行实际熔覆，如果模拟不合格，则工件模型处理单元对三维立体 模型重新进行切片和轨迹规划操作。
全文摘要
本发明提供了一种用于激光熔覆及修复领域的可移动式激光熔覆及修复系统，包括可移动平台，可移动平台上固定设置有激光器、机器人、变位机、送粉器、图像处理系统、控制系统(包括PLC主控系统以及PC计算工作站)、摄像机、激光三维扫描传感器、激光加工头、同轴送粉头。本发明以机器人作为运动本体，采用图像采集和处理系统对熔覆的熔池尺寸以及温度等信息进行控制，基于激光三维传感器对工件扫描实现三维工件模型的切片分层和自动熔覆。本发明提供的系统方便、灵活，简化了修复过程，实现了熔覆过程的精确和自适应控制，有效提高了熔覆质量，可移动平台方便了大型构件的现场应用。
文档编号C23C24/10GK103074625SQ201310016660
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者张轲, 李铸国, 张悦, 黄坚 申请人:上海交通大学