工業(yè)機器人在激光熔覆中的應(yīng)用

當(dāng)今社會是一個科技飛速發(fā)展和進步的時代，傳統(tǒng)技術(shù)逐漸趨于現(xiàn)代化技術(shù)，機器人也從科幻想象中走到了現(xiàn)實生活，相比較我們對于工業(yè)機器人的定義和理解也不再是具有頭、腦、四肢、驅(qū)趕的人形機器這一簡單的思維模式。工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ跈C器人提出的最早概念為：借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用操作者對機器人進行動作示教，機器人按照要求能實現(xiàn)動作的運行。這就是目前所謂的示教操作。當(dāng)今的機器人幾乎都采用這種控制方式。這個也就是目前對于工業(yè)機器人在技術(shù)領(lǐng)域中的說明。靈活的機械手臂可以隨意按照操作者的要求進行動作，在可以替代人手進行操作的同時，也可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，預(yù)先編程等自動控制功能，因此可以應(yīng)用在危險或有危害的環(huán)境之中。文章即對激光熔覆的應(yīng)用方法和領(lǐng)域以及如何來使用機器人技術(shù)實現(xiàn)工作進行介紹。

一、激光熔覆的原理、特點和方式

激光熔覆是指用不同的添料方式在被熔覆物體基體表面上放置選擇好的涂層材料，再經(jīng)激光輻照使之和基體表面上的一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低， 與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，從而達到顯著改善基層表面的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、抗氧化及部分電氣特性的工藝方法。工件表面改性或修復(fù)的目的，是為了既滿足對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約大量的貴重元素的不必要消耗。當(dāng)前激光熔覆的使用情況，其主要應(yīng)用于幾個方面：對材料的表面改性，如軋輥、燃汽輪機葉片、軋輥、齒輪等，用以增加其使用性能;產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子、鉆頭等，據(jù)統(tǒng)計其修復(fù)費用不到重置價格的1/5，而且縮短了維修時間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運行所必須解決的關(guān)鍵部件快速搶修難題;另外通過激光熔覆技術(shù)在模具的表面覆著一層超耐磨抗腐蝕合金，可以大大提高其使用壽命。

目前應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料等。其中，又以鎳基材料應(yīng)用最多，與鈷基材料相比，其價格便宜。與傳統(tǒng)的堆焊、 電鍍、噴涂和氣相沉積技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有如下幾個優(yōu)點。

(1) 冷卻速度快，快速凝固過程，使工件容易得到細結(jié)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的非穩(wěn)態(tài)、非晶態(tài)等新相。

(2) 涂層稀釋率低，與被加工件基體形成牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合，通過對激光工藝功率、光斑大小及焦距等參數(shù)的調(diào)整，可以獲得良好的涂層，并且成分和稀釋度均可控。

(3) 熱畸變較小，采用高功率密度快速熔覆時，變形可控制降低到零件的裝配公差內(nèi)。

(4) 粉末選擇幾乎不需要任何限制，可以按照工藝要求使用任意種類配比的粉末材料，尤其是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金。

(5) 能進行選區(qū)熔覆，使得材料消耗減少，提高性能價格比。

(6) 激光光束可以對難以接近的區(qū)域進行熔覆，主要保證光斑及粉末可以照射到該區(qū)域即可。

(7) 熔覆層的厚度范圍大，可以對同一部位進行往復(fù)重復(fù)熔覆。

激光熔覆的工藝參數(shù)主要有激光功率、激光光斑直徑、熔覆行走速度、光斑離焦量、粉末送粉速度、掃描速度、預(yù)熱溫度等。這些參數(shù)對熔覆層的稀釋率、表面粗糙度、裂紋以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數(shù)之間也相互影響，相互匹配，是一個非常復(fù)雜的過程，須采用合理的控制方法將這些參數(shù)控制在激光熔覆工藝允許的范圍內(nèi)。同時修復(fù)工作是一個非標(biāo)準(zhǔn)化的動作，不同于生產(chǎn)線上的批量產(chǎn)品。工件損壞的位置大多為隨機的，即使是常磨損的也只是極少數(shù)產(chǎn)品之間的相同部位， 而且很多部位表面不一定是直線或有規(guī)律的曲面，這就需要加工頭在一套熔覆動作中需要根據(jù)要求以很多不同的姿態(tài)進行工作，傳統(tǒng)的多軸機床很難實現(xiàn)，通常是使用操作人員手工操作加工頭進行人工作業(yè)，同時如前所述，還要及時根據(jù)情況調(diào)整工藝參數(shù)的匹配，這對于操作人員的技術(shù)手法、熟練程度以及專注度等要求將非常高。而且這種激光熔覆方法會產(chǎn)生被加工區(qū)的高溫、激光反射或照射的危害、加工產(chǎn)生的電弧光以及粉末飛濺產(chǎn)生的空氣粉塵污染等問題，都會對一線操作人員的身體健康造成危害。目前工業(yè)是上使用的機器人，其機械手臂在很多動作上可以模擬人的手臂進行動作，同時其強大的電氣控制功能可以將熔覆工藝要求的參數(shù)預(yù)置在系統(tǒng)中進行及時的調(diào)用和搭配，機器人可以在運行的命令中加入各種外部控制指令，從而使得這項工作可以在預(yù)先編程設(shè)定之后進行無人化工作，避免對操作人員造成危害的同時也防止大工件長時間工作產(chǎn)生的疲勞。而且機器人在參數(shù)的控制上也人工方式要準(zhǔn)確很多。

二、工業(yè)機器人

工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中可以代替人工區(qū)做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣的工作環(huán)境下，包括沖壓、鍛造、鑄造、熱處理、涂裝、焊接、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工作，以及在核能工業(yè)等領(lǐng)域中，完成對人體有害的物料進行搬運或工藝操作。

控制技術(shù)原理：使用機器人控制系統(tǒng)來決定機器人功能和性能，主要任務(wù)是控制工業(yè)機器人在工作中的空間運動位置、動作的時間、姿態(tài)和軌跡及操作順序等。除了具有好的人機交互界面外，還有編程簡單、軟件菜單或在線操作提示和上手方便等特點。其關(guān)鍵的技術(shù)包括：開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)、機器人的故障診斷與安全維護技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化機器人控制器技術(shù)等。

文中介紹所使用的是靈活度較高的六軸類手臂型的機器人，這種機器人的姿態(tài)和自由度都非常大，其主體包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有第七軸行走機構(gòu)。具有6個運動自由度，其中腕部通常有3個運動自由度;驅(qū)動系統(tǒng)用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作;控制系統(tǒng)則按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。

因此，使用這種類手臂的工業(yè)機器人，在激光修復(fù)工作中既可以替代人工手動操作避免人為的手動誤差，又可以準(zhǔn)確的設(shè)定加工參數(shù)實現(xiàn)即時有效的控制，還可以避免工作中環(huán)境因素對人體的傷害。兩種先進技術(shù)的有效融合使得零件修補這種傳統(tǒng)工作變得更加具有發(fā)展前景。