一种智能激光再制造方法和系统与流程

本发明涉及先进制造及自动化领域，具体为一种智能激光再制造方法和系统，该系统具有自动化和智能化特征。

背景技术：

随着激光应用的快速发展以及激光应用成本的不断降低，激光加工在各行业中的应用日益广泛。以激光熔覆为主要技术支撑的激光再制造技术能修复高附加值零部件，延长设备使用寿命，具有较好的市场应用前景。目前激光再制造设备存在以下几点不足：

1.激光熔覆是一种复杂的物理过程，涉及激光束、粉末气体流和熔池之间的相互作用。合理地确定初始加工参数，对获得高质量的熔覆层具有重要意义。当前主要依靠专业技术人员的实践经验设置初始加工参数，提高了激光再制造行业的应用门槛。

2.激光熔覆对激光离焦量的控制要求比较高(特别是光内送粉型激光熔覆工作头)，激光对焦的过程繁琐耗时，降低了生产效率，且由于粉末-气体流的存在，对操作人员的身体健康有不利影响。

3.激光熔覆工艺参数(激光功率、送粉量和扫描速度等)不能根据工况实时调整，无法保证熔覆层的质量稳定性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种智能激光再制造方法和系统，具有自动化及智能化特点，适用于中大型结构零件的表面修复，可以降低激光再制造行业的操作门槛，提高激光熔覆的加工质量。

本发明采用如下技术方案：

一种智能激光再制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取待修复零件的点云数据模型，并与待修复零件的标准cad模型比对，判别待修复区域；

2)通过路径自主规划模块自动生成熔覆路径，基于工艺参数数据库运用智能算法确定初始工艺参数；

3)自动调整离焦量并确定初始加工位置；

4)结合视觉算法通过监测熔池形貌及温度的变化实时调整工艺参数，实现激光熔覆过程的闭环反馈控制。

在步骤1)中通过离线仿真系统验证熔覆路径的可行性。

所述步骤2)中，所述工艺参数数据库通过试验数据建立，并通过该数据库建立神经网络工艺参数优化系统以确定初始加工参数。

通过输入基底材料属性和性能指标至神经网络工艺参数优化系统，得出初始工艺参数，并推荐可用的粉末材料成分和牌号。

所述步骤3)中，根据激光三角测距原理，测量出激光工作头与待修复零件之间的距离并反馈给控制系统调整对位偏差实现离焦量的自动调整。

所述步骤3)中，通过ccd相机采集待修复零件的实际摆放位置数据并与标准cad模型数据比对，通过分析比对结果控制机械臂完成初始加工位置的判别和定位。

所述步骤4)中，通过ccd相机监测激光熔覆过程中的熔池形貌和温度，应用人工智能算法构建熔池温度场分布与激光功率、扫描速度与送粉量之间的数值模型，根据该数值模型对激光功率、扫描速度和送粉量进行实时调整。

一种智能激光再制造系统，其特征在于：采用上述的智能激光再制造方法，包括激光工作头、六轴工业机器人、变位机、激光器、送粉器、控制模块和ccd相机；该变位机用于调整待修复零件的角度；该激光工作头安装于六轴工业机器人上用于对零件进行熔覆，其包括有喷嘴和激光笔；该激光器与激光笔相连以产生激光；该送粉器的送粉管与喷嘴相连以送粉；ccd相机安装于激光工作头上；控制模块包括主机和pc机，该主机与激光器、送粉器、六轴工业机器人之间通过总线连接，主机与pc机之间通过tcp/ip连接，ccd相机与pc机之间通过usb数据线连接。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明运用立体视觉获取待修复件的点云数据，将点云数据形成的模型导入系统，将其与标准cad模型进行比对，根据比对结果确定待修复区域并通过路径自主规划模块自动生成熔覆路径，从而节省修复区域的判定时间，降低编程难度，缩短生产周期。

2、本发明利用大量试验数据建立了工艺参数数据库，并基于该数据库建立了神经网络工艺参数优化系统，用于加工之前初始加工参数的确定，协助操作人员实现工艺参数的筛选、优化及修正，并根据初始参数对熔覆过程进行有限元仿真与模拟。

3、本发明根据加工过程中熔池的形貌及温度变化控制系统的扫描速度、送粉量和激光功率等，保证加工过程中熔池形貌维持在一个稳定的范围内，获得平滑均匀的熔覆带。

4、本发明还可通过web基于java实现操作人员对熔覆过程的远程控制，操作人员只需要获得一定的访问操作权限即可实现对系统的远程操作和监控。

5、本发明的系统，在激光工作头上，架设了ccd相机和线结构光，构成了一个视觉测量系统，经手眼标定后，能精准地测得线结构光上的点在机器人基坐标系的位置信息，能够获取待修复件及熔覆带的三维形貌，能在复杂的加工环境中使用，具有灵敏度高可靠性强等特点。

附图说明

图1为应用本发明方法的系统图；

图2为六轴工业机器人立体图；

其中1、激光工作头，1a、激光笔，1b、喷嘴，2、六轴工业机器人，2a、机械臂，3、变位机，3a、机架，3b、工作台，4、激光器，5、送粉器，6、控制模块,6a、主机，6b、pc机，7、ccd相机。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1、图2，为智能激光再制造系统的主要组成，包括激光工作头1、ccd相机7、六轴工业机器人2、变位机3、激光器4、送粉器5和控制模块6等，该变位机3用于调整待修复零件的角度，其包括机架3a和工作台3b等，该工作台3b用于放置待修复连接，该机架3a可控制工作台3b动作从而调整待修复零件的角度。

该六轴工业机器人2设有机械臂2a，该机械臂2a可在六轴上移动调整，可采用市场上常用的六轴工业机器人2。该激光工作头安装于机械臂2a上，其包括有喷嘴和激光笔1a，用于对零件进行熔覆。

该激光器4与激光工作头1上的激光笔1a相连以产生激光，经激光笔1a射出。该送粉器5的送粉管与激光工作头1的喷嘴1b相连以送粉。该控制模块6包括主机6a和pc机6b，该主机6a与激光器4、送粉器5、六轴工业机器人2之间通过总线连接，用于控制激光器4和送粉器5的工作状态(例如激光功率、扫描速度、送粉速度等)，及六轴工业机器人2的动作状态等。

该主机6a与pc机6b之间通过tcp/ip连接。ccd相机7安装于激光工作头1上且与pc机6b之间通过usb数据线连接，该ccd相机7可采集熔池形貌和温度数据。

本系统以基于六轴机器人所搭建的激光再制造系统为基础，在激光工作头上，架设了ccd相机7和线结构光，构成了一个视觉测量系统，经手眼标定后，能精准地测得线结构光上的点在机器人基坐标系的位置信息，并根据所测量的位置信息，实现了包括，获取待修复件的三维点云数据；离焦量的自动调整和对位；加工过程中对熔覆带高度及形貌特征的实时检测和反馈控制，相当于为再制造系统配备了一副具有获取深度及位置信息的传感器，帮助再制造系统实现自动化和智能化加工。相对于其他具有视觉传感器的再制造系统，本系统由于基于线结构光，能在复杂的加工环境中使用，具有灵敏度高可靠性强等特点

本发明提出一种智能激光再制造方法，包括如下步骤：

1)获取待修复零件的点云数据模型，并与待修复零件的标准cad模型比对，根据比对结果确定待修复区域，并通过路径自主规划模块自动生成熔覆路径，从而节省修复区域的判定时间，降低编程难度，缩短生产周期，并借助离线仿真系统验证修复路径的可行性。

2)通过路径自主规划模块自动生成熔覆路径，基于工艺参数数据库运用智能算法确定初始工艺参数。

在进行激光熔覆前需要根据材料、加工要求等确定初始工艺参数，如激光功率、扫描速度、送粉速度等。目前初始工艺参数主要根据工人经验设定。本系统利用大量试验数据建立了工艺参数数据库，并基于该数据库建立了神经网络工艺参数优化系统，用于加工之前初始加工参数的确定，协助操作人员实现工艺参数的筛选、优化及修正，并根据初始参数对熔覆过程进行有限元仿真与模拟。

应用时，根据实际要求，输入基底材料属性(材料成分或牌号)及性能指标(硬度、熔覆层高度及熔覆带宽度等)，即可根据材料属性和性能指标得出初始工艺参数(扫描速度、激光功率及送粉量等)，并推荐可以使用的粉末材料成分和牌号。

3)离焦量的自动调整和初始加工位置的定位。

离焦量的自动调整:根据激光三角测距原理，测量出激光工作头与待修复零件之间的距离并反馈给控制系统调整对位偏差实现离焦量的自动调整。还可结合ccd检测熔池的中心位置检测熔覆层高度，实现熔覆层高度的实时监测。

初始工作点的识别定：待修复零件的坐标系与六轴工业机器人中所定义的坐标系并不一致，系统借助ccd相机采集待修复零件的实际摆放位置数据并与标准cad模型数据比对，通过分析比对结果控制六轴工业机器人的机械臂完成初始加工位置的判别和定位。

4)结合视觉算法通过监测熔池形貌及温度的变化实时调整工艺参数，实现激光熔覆过程的闭环反馈控制。

基于机器视觉的闭环运动控制系统根据加工过程中熔池的形貌及温度变化控制系统的扫描速度、送粉量和激光功率等，保证加工过程中熔池形貌维持在一个稳定的范围内，获得平滑均匀的熔覆带。

借助ccd相机监测激光熔覆过程中的熔池形貌和温度，应用人工智能算法构建熔池温度场分布与激光功率、扫描速度与送粉量之间的数值模型，根据该数值模型对激光功率、扫描速度和送粉量进行实时调整。

系统运行过程中同时对熔池的面积和温度进行检测，熔池的面积通过自适应阈值方法处理图像中的熔池形貌并根据中心矩计算，熔池温度通过ccd相机获取的rgb三个通道的灰度值计算。通过普朗克效应对rgb三个通道和温度进行标定，从而获取熔池的温度场信息。

激光再制造过程中存在金属粉末扬尘及金属粉末分解产生的有毒气体，对操作人员的身体健康有不利影响。本系统通过web基于java实现操作人员对熔覆过程的远程控制，操作人员只需要获得一定的访问操作权限即可实现对系统的远程操作和监控。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。