CN103409598B - 一种nc机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种自驱动自定位式NC机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法。其包括前导轨、后导轨、激光头、四自由度联动机器人、控制系统和驱动系统，所述的四自由度联动机器人，包括行走机构和机械手，所述行走机构在水平面内具有Y向平移自由度，所述机械手在关节处具有绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转动自由度。本发明直接利用激光对NC机床导轨表面进行熔凝，在导轨表面形成空间强化单元体骨架，改变熔凝区域的组织，达到强化的目的，对各种组合截面形状的NC机床导轨表面进行数控加工，实现导轨表面的仿生强化，以解决现有技术中存在的NC机床导轨表面易形成残余张应力，寿命低，效率低、成本高的问题。

Description

一种NC机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法

技术领域

    本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种自驱动自定位式NC机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法。

背景技术

仿生学近年来在材料领域已经开始研究并应用，在金属材料的设计制造领域具有非常的前景。有许多金属零件因功能需要，既需要高的韧性又需要较高的硬度和强度，采用模仿生物表面软硬结合的组织可以实现所要求的性能。

通常强度与韧性之间存在着制约关系，材料强度增加，总伴随着材料韧性的降低。要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，是很困难的。强韧化处理方法多种多样，但归结之后，基本都是通过高温淬火和高温回火、低温淬火等途径来取得强韧化效果的：充分利用板条马氏体、针状马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织。机床导轨表面强化处理工艺主要有气体氮化法、电镀法、热喷涂、电弧焊、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法、TD法、CVD法、PVD法、BRN法、激光表面强化法、等离子喷涂法等。但是，这些传统处理方法常会在机床导轨表面形成残余张应力，降低机床导轨的使用寿命，同时由于是对导轨表面整体处理，效率低，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自驱动自定位式的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法，直接利用激光对NC机床导轨表面进行熔凝，在NC导轨表面形成空间强化单元体骨架，改变熔凝区域的组织，达到强化的目的，对各种组合截面形状的NC机床导轨表面进行数控加工，实现具有空间自由曲面的机床导轨表面的仿生强化，以解决现有技术中存在的NC机床导轨表面易形成残余张应力，降低了机床导轨的使用寿命，效率低、成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其包括前导轨、后导轨、激光头、四自由度联动机器人、控制系统和驱动系统，

所述的四自由度联动机器人，包括行走机构和机械手，所述行走机构在水平面内具有Y向平移自由度，所述机械手具有四个关节，设有四个旋转轴，其中两个旋转轴平行X轴，一个旋转轴平行于Y轴，一个旋转轴平行于Z轴，所述机械手在关节处具有绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转动自由度，平行于Y轴的旋转轴上设有激光头夹持装置；

所述的激光头固定在激光头夹持装置上；

所述的控制系统，采用闭环控制方式与所述激光头和四自由度联动机器人连接；

所述的驱动系统，采用交流伺服电机驱动，并在交流伺服电机转轴上安装光栅编码器。

上述的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其所述的机械手包括左机械手和右机械手。

上述的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其所述的行走机构上设置导向机构。

上述的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其所述的行走机构上设置支撑轮。

上述的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其所述的行走机构上设置驱动轴，驱动轴带动驱动轮转动，驱动轴上安装有电磁开关控制的制动机构。

一种NC机床导轨表面激光仿生强化的方法，其包括以下步骤：

1）针对NC机床导轨表面容易发生破坏的部位，设计平面或空间曲线骨架；

2）确定激光头的使用数目、激光加工工艺参数以及合理的加工路线；

3）输入激光加工工艺参数和数控代码，启动NC机床导轨表面自驱动自定位式激光仿生强化机器人装置，对NC机床导轨表面进行自动强化形成仿生单元体。

上述的NC机床导轨表面激光仿生强化的方法，其所述平面或空间曲线骨架的宽度为0.01-12mm，深度0.01-10mm。

有益效果：

本发明提供的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人及其强化方法，可以在机床导轨表面形成软硬结合的结构分布，激光强化部位硬度高（比基体组织高50-400HV），耐磨性好，基体组织硬度较低，保持良好的韧性，对提高工件耐磨损、抗疲劳性能十分有利，实验表明，强化后的机床导轨的使用寿命可提高1～3倍。本发明还可以针对不同的金属材料和不同的自由型面，通过选择不同的激光参数，获得不同宽度和深度的强化单元体，构成空间的强化曲线骨架，来满足被处理工件的性能要求，并且可以实现各种复杂网格式的激光仿生强化。解决了现有技术中存在的NC机床导轨表面易形成残余张应力，降低了机床导轨的使用寿命，效率低、成本高的问题。

附图说明

图1为本发明优选实施例运行时的结构简图；

图2为本发明优选实施例的结构示意图；

图3为本发明后视图。

具体实施方式

下面结合附图对发明内容作详细的解释。

参照图1、图2和图3，本发明的NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其包括前导轨1、后导轨3、激光头J、四自由度联动机器人、控制系统6和驱动系统，激光头J用于发射激光以对机床导轨表面进行加热，四自由度联动机器人，包括行走机构4和左右机械手，行走机构4包括导向机构8、支撑轮7和驱动轴12，驱动轴12带动左、右驱动轮10和11转动，驱动轴12上安装有电磁开关控制的制动机构，行走机构4在水平面内具有Y向平移自由度。左右机械手各具有四个关节5，分别设有四个旋转轴A1、B1、C1和D1，其中旋转轴B1和C1平行X轴，旋转轴D1平行于Y轴，旋转轴A1平行于Z轴，所述左右机械手在关节处均具有绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转动自由度，旋转轴D1上设有激光头夹持装置9。夹持装置9通过联动作用具有X、Y、Z三个方向的转动自由度，各旋转轴的轴线角度可根据实际操作的需要设定，激光头J通过机械手的联动作用，使激光束始终与机床导轨2表面的法线一致。

控制系统6与激光头J、左右机械手、驱动系统连接以控制、协调激光头J和机器人的动作，并根据预设的激光加工工艺参数和机床导轨的空间网格、工件的外形和尺寸、仿生单元体的几何形状对机床导轨进行激光强化。

本发明在运行时，将待处理的机床导轨2安装在前导轨1和后导轨3之间。

首先，针对机床导轨2表面容易发生破坏的部位，设计空间曲线骨架G，根据空间曲线骨架G选定要使用的激光头J及相应参数，并预设在控制系统6中，同时确定加工导轨2的零点，对机器人进行回零操作，并将导轨2的长度预设在控制系统6中，从而控制机器人的往返行程。

接着，在机床导轨2表面，根据设计的空间曲线骨架G，利用激光头J加热，进行仿生单元体的加工，根据不同的工件材料，需要设置的激光参数包括离焦量、电流、脉冲宽度、频率、速度和路径方向以及激光头的数目和相应位置等。空间曲线骨架G的宽度优选为0.01-12mm，深度为0.01-10mm，硬度（HV）比金属基体材料可高达50-400。激光头J等按照空间曲线骨架G对机床导轨表面加热时，通过控制系统的控制，行走机构4由Y向驱动系统驱动进行Y方向的运动，夹持装置9经机械手的X、Y、Z三个方向的轴向进给机构A1、B1（ C1）、D1驱动，其具有3个转动自由度，这样激光头J发射的激光束既可以在复杂的机床导轨2的表面任一点以与该点法线一致的方向加热，也可以实现机床导轨2简单平面上复杂网格的多点同时与相应点法线一致的方向加热。

本发明的控制系统6包括计算机及其他信号转换、连接部件，该计算机可嵌入“激光仿生强化工艺数据库”。“激光仿生强化工艺数据库”的重要组成部分是加工工艺参数数据库，该数据库可以是对大量实验数据的总结和优化。数据库中，每一条数据记录可以包括材料、激光和单元体的参数三部分，材料参数包括机床导轨材料的牌号、原始显微组织，硬度；激光参数包括激光器的频率、电流强度、脉宽、扫描速度，单元体参数包括单元体的分布规律、宽度、深度、硬度、处理后的显微组织。因此，本发明的控制系统一方面可以根据用户要求的单元体尺寸，设置激光加工工艺参数；另一方面可以根据用户输入的信息，包括工件的外形和尺寸、单元体的几何形状，设计好的空间网格，自动形成数控强化加工程序。

本发明装置的驱动系统采用交流伺服电机驱动，并与控制系统6相连接，电机输出轴端装有光栅编码器,便于直接控制测量行走机构的速度和位移，以及各轴向进给的角速度和角位移。行走机构4的驱动轴12电机选用交流伺服电机及控制器，使驱动轮10和11转动从而驱动机器人在Y方向移动。在驱动轴12上装有电磁开关控制的制动机构，电磁开关未接通时，制动机构对轴12进行制动，当在控制系统中输入数控代码后，启动机器人工作同时电磁开关通电吸合制动机构，使制动机构与轴12分离。当机器人工作结束，电磁开关断电，制动机构对轴12进行制动。其中支撑轮7、驱动轮10和11可根据不同导轨截面形状和尺寸制造，加工时可根据需要进行选取。

本发明在制造表面具有封闭框形强化单元分布形态的导轨时，根据导轨基材和表面工作应力分布情况，对导轨易于发生损坏的部位进行表面激光仿生强化，导轨材料为铸铁HT200，根据几何表面曲率信息，用电流180A、脉宽8ms，频率5HZ、离焦量6.5mm、速度0.5mm/s、单点能量密度为418J的激光束垂直扫描导轨表面；形成强化单元体宽度为0.8mm、强化深度为0.9mm为空间曲线骨架。加工测试后单元体硬度为600HV，比基体材料高90~120V，耐磨性、疲劳显著提高，具有激光仿生表面的导轨使用寿命比强化前提高了1倍。

本发明在制造表面具有矩形强化单元分布形态的导轨时，根据导轨基材和表面工作应力分布情况，对导轨易于发生损坏的部位进行表面激光仿生强化，导轨材料为铸铁HT300，根据几何表面曲率信息，用电流150A、脉宽8ms，频率5HZ、离焦量5.0mm、速度0.6mm/s、单点能量密度为333J的激光束垂直扫描导轨表面；形成强化单元体宽度为0.7mm、强化深度为0.8mm为空间曲线骨架。加工测试后单元体硬度为590HV，比基体材料高80~100V，耐磨性、疲劳显著提高，具有激光仿生表面的导轨使用寿命比强化前提高了0.8倍。

综上所述，本发明通过提供一种能有效提高机床导轨表面抗疲劳性和耐磨性的工艺方法及装置，可以针对不同的金属基体材料，采用合适的工艺参数，利用激光处理，使机床导轨表面形成强化单元体形态为空间曲线骨架的工艺方法，强化单元分布符合仿生学原理，既保证了基材的韧性又提高了型腔表面的强度。借此，本发明可以有效提高金属表面抗疲劳性和金属表面耐磨性，且性能价格比好，生产效率高。本发明提供的方法和装置相结合可以方便实现机床导轨表面强化轨迹可控及激光参数的自适应调节，从而形成与金属基体组织结构不同的仿生强化单元，使导轨使用寿命延长0.5-1.5倍，大大降低了生产成本。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种NC机床导轨表面激光仿生强化机器人，其特征在于：包括前导轨、后导轨、激光头、四自由度联动机器人、控制系统和驱动系统，

所述的四自由度联动机器人，包括行走机构和机械手，所述行走机构在水平面内具有Y向平移自由度，所述机械手具有四个关节，设有四个旋转轴，其中两个旋转轴平行X轴，一个旋转轴平行于Y轴，一个旋转轴平行于Z轴，所述机械手在关节处具有绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转动自由度，平行于Y轴的旋转轴上设有激光头夹持装置；

所述的激光头固定在激光头夹持装置上；

所述的控制系统，采用闭环控制方式与所述激光头和四自由度联动机器人连接；

所述的驱动系统，采用交流伺服电机驱动，并在交流伺服电机转轴上安装光栅编码器；所述的机械手包括左机械手和右机械手；所述的行走机构上设置导向机构；所述的行走机构上设置支撑轮；所述的行走机构上设置驱动轴，驱动轴带动驱动轮转动，驱动轴上安装有电磁开关控制的制动机构。