CN103205746A - 半球体零件表面的激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球体零件表面的激光熔覆方法，将半球体零件通过工装与变位机同轴装卡固定在变位机上，将TCP点从激光熔覆工作点沿工具坐标系的-z方向偏移至球心，当变位机和激光熔覆工作点位于起始位置时，在出激光和同轴送粉的同时，激光工作头绕工具坐标系y轴逆时针转动，同时变位机绕旋转轴周期性地作循环的圆周运动，变位机每转完一圈，激光加工头绕工具坐标系的y轴旋转的角度递增θ，直至激光熔覆工作点转动到设定距离或者循环到设定次数，即完成所述半球体零件表面的激光熔覆。本发明的方法不用繁琐示教或者复杂的离线编程，简便易行、高效、位置和姿态精确，熔敷质量好，具有较高的实际应用价值。

Description

半球体零件表面的激光熔覆方法

技术领域

本发明属于高附加值、精密或大型零部件的表面改性领域，具体涉及一种半球体零件表面的激光熔覆方法。

背景技术

激光熔覆是一种新的表面改性技术，是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

半球体零件在一些重要的场合中应用，比如核电，电气电站等领域，为了提高表面的耐磨性，耐蚀性、耐冲击性，提高零件的性能，增加零件的使用寿命，需对半球体的表面通过激光熔覆从而提高零件的综合性能指标。但半球体的表面是一个空间球面，形状复杂，常规的轨迹控制方法可能很难精确地实现半球体表面的熔覆。

经对现有技术文献检索分析，发现并无半球体零件表面或者空间球面类零件的激光熔覆轨迹控制方法。

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，提供一种半球体零件表面的激光熔覆方法，简便易行、高效、路径和姿态控制精确，可有效的提高熔覆的质量和效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种半球体零件表面的激光熔覆方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将所述半球体零件通过工装与变位机同轴装卡固定在变位机上；

步骤二、将激光加工头的TCP点从激光熔覆工作点P沿工具坐标系-z方向偏移，所述偏移的距离等于所述半球体的半径；

步骤三、当变位机和激光熔覆工作点P位于起始位置时，激光加工头绕所述工具坐标系的y轴逆时针旋转，同时变位机绕旋转轴周期性地作循环的圆周运动，与此同时激光加工头开始出激光和同轴送粉；变位机每转完一圈，激光加工头绕工具坐标系的y轴旋转的角度递增θ角度，直至激光熔覆工作点P转动到设定距离或者循环到设定次数，即完成所述半球体零件表面的激光熔覆。

优选地，步骤二中，所述工具坐标系为建立在激光加工头的熔覆工作点P的工具坐标系，具体方位为：垂直向上方位为+z方向，垂直纸面朝外的方向为+y方向，与z轴和y轴垂直且符合右手定则的另一轴为x，向左为+x方向。

优选地，步骤三中，所述起始位置具体为：变位机位于顺时针倾斜角度θ_P，激光加工头绕所述工具坐标系的y轴顺时针倾斜角度θ_T，且调整激光加工头的激光熔覆工作点P位于所述半球体的顶点，所述θ_T＝θ_P＝45°。

优选地，步骤三中，所述变位机每转完一圈，激光加工头的熔覆工作点P绕球心作转动一个熔覆间距d的弧长距离，所述θ角度为θ＝d/R，R为所述半球体零件的球体半径。激光加工头绕工具坐标系的y轴逆时针旋转，具体为，当在激光熔覆时，新的工具坐标系的TCP点与半球体的球心重合，绕工具坐标系y轴的旋转，也相当于实际的激光熔覆工作点P在绕球心作圆周运动。

优选地，步骤三中，所述激光加工头的熔覆工作点P绕所述工具坐标系的y轴旋转的时间与变位机在每次循环中转完一圈的时间相同，即T_n＝T_n-1+ΔT，每次循环的时间增量为 $\mathrm{\ΔT}=\frac{2\mathrm{\πR}}{v}[\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)-\sin \left((n-1)\mathrm{\θ}\right)],$ n为循环次数，v为熔覆速度。

优选地，步骤三中，所述激光熔覆为多道焊，其最大熔覆循环次数为

优选地，所述激光熔覆方法还包括如下步骤：

A、所述整个半球体零件表面的激光熔覆完成后，半球体的新的球面半径为原球面半径加上一个熔覆层的厚度δ，将所述激光加工头的TCP点沿所述工具坐标系-z方向再次偏移δ距离；

B、以所述新的球面半径为基础，重复所述步骤三；

C、重复步骤A、B，直至得到预设的激光熔覆层厚度。

优选地，所述变位机为2轴的旋倾变位机，包括绕水平方向旋转的旋转轴和绕垂直方向旋转的倾斜轴。

本发明具有的有益效果为：本发明通过将TCP点偏移至球心，从而将激光工作点的绕半球体表面的圆周运动简化为激光加工头绕工具坐标系的y轴旋转，再结合变位机周期性的连续的旋转运动，即可简单、方便、精确、高效地实现半球体这种复杂球面的表面的激光熔覆，不需要繁琐的示教或者离线编程就可以精确的控制激光加工头的位置和姿态，方法简便易行，位置和姿态控制精确，效率高，质量好，具有较高的实用价值。

附图说明

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为变位机坐标系定义图；

图2为半球体零件表面的激光熔覆过程示意图；

其中，1为变位机、2为工装、3为半球体零件、4为激光加工头、5为同轴送粉粉末流、6为激光，7为旋转轴、8为倾斜轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图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。

实施例

本发明在球面半径为R的半球体的表面激光熔覆上采用，激光熔覆过程示意图如图2所示，图2中O_P表示变位机坐标系所在位置，ZO_PY表示变位机的坐标系，Z轴表示变位机的倾斜轴，Y轴表示变位机的旋转轴，O_T为将TCP点从工作点P偏移至球心的位置并建立新的工具坐标系，x_T、y_T、z_T分别为新工具坐标系的x、y、z轴，方位如图所示；d为上一圈熔覆焊道与下一圈熔覆焊道之间的熔覆间距，其表现为图中所示的一小段弧长距离，A₁B₁表示其中一圈(道)熔覆层，A₁B₁…AnBn表示多道熔覆层，P为熔覆的工作点，也即为激光与同轴输送粉末流的汇聚点。具体激光熔覆时，首先将半球体零件3通过工装2与变位机1同轴装卡固定在变位机1上，熔覆工作点P即为同轴送粉粉末流5和激光加工头4射出的激光6汇聚的位置，这也是工具坐标系的原TCP点，O_P为变位机坐标系的原点，O_T为工具坐标系原点。激光加工头的熔覆工作TCP点，具体为激光加工头出射的激光与同轴送粉粉末流汇聚的位置，一般也是激光的焦距位置，在该点在激光的热作用下将粉末融化并与基体形成冶金结合，也成为激光熔覆的工作点。所述变位机坐标系定义如图1所示，变位机为2轴的旋倾变位机，一个是绕水平方向旋转的旋转轴，一个是绕垂直方向旋转的倾斜轴，两个轴均为机器人的外部轴，便于机器人和变位机通过机器人控制器进行协调运动，建立变位机基坐标系，倾斜轴为Z轴，旋转轴为Y轴，坐标系原点为旋转轴轴线与倾斜轴轴线的交点O_P，与Y轴、Z轴垂直且符合右手定则的另一轴为X轴。

设定在熔覆过程中，始终保持熔覆速度为v不变，熔覆宽度为w，熔覆间距为d，熔覆层厚度为δ，循环次数为n，层数为m，采用机器人的6个自由度配合变位机外部轴的2个自由度进行半球体表面的激光熔覆，则步骤如下：

第一步、将激光加工头4的TCP点从激光熔覆工作点P沿工具坐标系-z方向偏移熔覆半球体3半径R的距离；

建立在激光加工头4的熔覆工作点P的工具坐标系的方位为，垂直向上方位为+z方向，垂直纸面朝外的方向为+y方向，与z轴和y轴垂直且符合右手定则的另一轴为x，向左为+x方向，而在球面熔覆时，则人为的将TCP点偏移至球心，这样可以大大简化轨迹的控制；

第二步、当变位机1和激光熔覆工作点P位于起始位置时，激光加工头4绕工具坐标系的y轴逆时针旋转，同时变位机1绕旋转轴(即Y轴)周期性地作循环的圆周运动，与此同时激光加工头4开始出激光5和同轴送粉6，变位机每转完一圈，激光加工头绕工具坐标系的y轴旋转的角度递增θ角度(θ＝d/R，R为所述半球体零件的球体半径)，直至完成整个半球体1空间曲面的激光熔覆；具体为：激光加工头每转动角度θ，变位机旋转一圈；变位机转完第二圈时，循环次数为2，此时，激光加工头绕所述工具坐标系的y轴旋转的角度在第一圈的基础上再偏移θ，也就是说，循环次数为2时，激光加工头转动了2θ角度；依次类推，直至完成激光熔覆。

变位机1和激光熔覆工作点P位于起始位置具体为：首先，半球体3通过工装2与变位机1同轴装卡固定在变位机1上，然后变位机1顺时针倾斜θ_P＝45°的角度，而激光加工头4绕工具坐标系的y轴顺时针倾斜相应的角度θ_T＝θ_P＝45°，并调整机器人的姿态，使激光加工头4的工作点P位于半球体1的顶点。

此时，新的工具坐标系的TCP点从激光工作点平移到了半球体的球心处，这样绕工具坐标系的+y轴的旋转运动即为激光熔覆工作点P在绕球心作圆周运动。

在每次循环中，激光加工头4的熔覆工作点P绕球心作转动一个熔覆间距d的弧长距离，而变位机的倾斜轴始终保持不动，而旋转轴则旋转一周，且当变位机转动一周时，熔覆工作点P同步转动一个熔覆间距d的弧长距离。在机器人和变位机运动的过程中，随着熔覆半径的增加，熔覆路径变长，为保证激光熔覆的速度保持不变，则激光加工头转动的时间和变位机旋转一周的时间也要相应增加。

每次循环的熔覆半径r_n为

r_n＝Rsin(nθ)

当变位机1在某次循环中的熔覆半径为r_n，则变位机1旋转一周的时间T_n满足如下关系：

$T_n=\frac{2\mathrm{\π}R\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)}{v}$

当变位机1在T_n的时间内旋转一周时，机器人的熔覆工作点P绕工具坐标系O_T的y轴逆时针相应转动一个熔覆间距d的弧长距离，则激光工作点绕球心的角度为

$\mathrm{\θ}=\frac{d}{R}$

在激光熔覆过程中，本次循环中激光熔覆的时间相比于前一次激光熔覆时间的增量为

$\mathrm{\ΔT}=T_n-T_{(n-1)}=\frac{2\mathrm{\πR}}{v}[\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)-\sin \left((n-1)\mathrm{\θ}\right)]$

最大熔覆圈数也就是循环次数为

$N=\frac{\mathrm{\πR}}{2d}$

第三步、熔覆完成后，经过熔覆后的半球体半径增量Δr即为熔覆层的厚度δ，如果需要多层熔覆，旋转角度θ，时间增量ΔT和最大循环次数N等为球体半径增加δ后的相应值，TCP点沿工具坐标系的-z方向再次偏移一个熔覆层厚度δ值，其余参数依次类推，按新的运动参数重复第二步，从而完成半球体空间球面的多道多层表面熔覆，实现球体表面改性。

假定每层的熔覆厚度为δ，则第m层熔覆时，工具坐标系的TCP向-z方向偏移的距离为

L＝R+(m-1)δ

第m层激光熔覆工作点绕工具坐标系y轴转过的角度为

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{d}{R+(m-1)\mathrm{\δ}}$

第m层的时间增量方程为

$\mathrm{\Δ}{T}_m=\frac{2\mathrm{\π}(R+(m-1)\mathrm{\δ})}{v}[\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)-\sin \left((n-1)\mathrm{\θ}\right)]$

第m层的激光熔覆循环次数为

$N_m=\frac{\mathrm{\π}(R+(m-1)\mathrm{\δ})}{2d}$

激光熔覆时，机器人引导激光加工头4从半球体3表面顶点绕工具坐标系的y轴逆时针旋转，每次循环旋转的角度为θ，时间为T_n＝T_n-1+ΔT，而变位机1的倾斜轴Z保持角度θ_P不变，旋转轴Y作匀速圆周运动，每次旋转一圈的时间同样为T_n＝T_n-1+ΔT，在机器人和变位机运动的同时开始出激光和同轴送粉，从而完成空间球面的激光熔覆。

当变位机1旋转一周后，激光加工头4在半球体表面熔覆完半径r_n＝Rsin(nθ)的一圈，循环次数加1，每一圈机器人和变位机运动的时间增量为ΔT，当循环次数到了设定次数N时，完成整个半球体的表面熔覆，变位机和激光加工头回到初始位置。

本发明将TCP点从激光熔覆工作点P偏移至球心，从而将激光熔覆工作点P绕半球体表面的圆周运动简化为绕工具坐标系y轴的旋转运动，不需要繁琐的示教或者复杂的离线编程，而位置和姿态控制更为精确。熔覆时，只需机器人带动激光加工头绕工具坐标系旋转，同时变位机旋转轴带动半球体做圆周运动就可实现复杂空间球面的表面熔覆。方法简便易行，效率高，位置和姿态控制精确，熔覆质量好，在一些核电，电气电站等领域具有重要的实际应用价值。

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。

Claims (8)

1.一种半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将所述半球体零件通过工装与变位机同轴装卡固定在变位机上；

步骤二、将激光加工头的TCP点从激光熔覆工作点P沿工具坐标系-z方向偏移，所述偏移的距离等于所述半球体的半径；

步骤三、当变位机和激光熔覆工作点P位于起始位置时，激光加工头绕所述工具坐标系的y轴逆时针旋转，同时变位机绕旋转轴周期性地作循环的圆周运动，与此同时激光加工头开始出激光和同轴送粉；变位机每转完一圈，激光加工头绕工具坐标系的y轴旋转的角度递增θ角度，直至激光熔覆工作点P转动到设定距离或者循环到设定次数，即完成所述半球体零件表面的激光熔覆。

2.根据权利要求1所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，步骤二中，所述工具坐标系为建立在激光加工头的熔覆工作点P的工具坐标系，具体方位为：垂直向上方位为+z方向，垂直纸面朝外的方向为+y方向，与z轴和y轴垂直且符合右手定则的另一轴为x，向左为+x方向。

3.根据权利要求1或2所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三中，所述起始位置具体为：变位机位于顺时针倾斜角度θ_P，激光加工头绕所述工具坐标系的y轴顺时针倾斜角度θ_T，且调整激光加工头的激光熔覆工作点P位于所述半球体的顶点，所述θ_T＝θ_P＝45°。

4.根据权利要求1或2所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三中，所述变位机每转完一圈，激光加工头的熔覆工作点P绕球心作转动一个熔覆间距d的弧长距离，所述角度θ为θ＝d/R，R为所述半球体零件的球体半径。

5.根据权利要求4所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三中，所述激光加工头的熔覆工作点P绕所述工具坐标系的y轴旋转的时间与变位机在每次循环中转完一圈的时间相同，即T_n＝T_n-1+ΔT，每次循环的时间增量为 $\mathrm{\ΔT}=\frac{2\mathrm{\πR}}{v}[\sin \left(\mathrm{n\θ}\right)-\sin \left((n-1)\mathrm{\θ}\right)],$ n为循环次数，v为熔覆速度。

6.根据权利要求4所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，步骤三中，所述激光熔覆为多道焊，其最大熔覆循环次数为

7.根据权利要求1所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆方法还包括如下步骤：

A、所述整个半球体零件表面的激光熔覆完成后，半球体的新的球面半径为原球面半径加上一个熔覆层的厚度δ，将所述激光加工头的TCP点沿所述工具坐标系-z方向再次偏移δ距离；

B、以所述新的球面半径为基础，重复所述步骤三；

C、重复步骤A、B，直至得到预设的激光熔覆层厚度。

8.根据权利要求1所述的半球体零件表面的激光熔覆方法，其特征在于，所述变位机为2轴的旋倾变位机，包括绕水平方向旋转的旋转轴和绕垂直方向旋转的倾斜轴。

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