曲面机构机器人表面激光熔覆系统方案设计

材料科学与工程学院材料制造数字化技术基础课程论文曲面构件机器人表面激光熔覆系统方案设计课程题目：一、激光熔覆技术综述1.1激光熔覆技术现状 激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂覆基休表面上放置选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。激光熔覆的试验研究可以追溯到70 年代初。1974年底，Gnanamuthu 提出申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利。在70 年代后半期，有两个因素促进了该技术的发展，一方面是由于美国和欧共体国家出于对战略资源的担忧，另一方面是由于对半导体激光退火的广泛研究。到80 年代初激光熔覆技术已发展成为材料表面工程领域的前沿课题。国外的研究主要集中在下面三个地区：欧洲、北美和亚洲。欧洲在激光熔覆领域的主要研究内容包括: (1) 对激光熔覆过程的基础研究与理解；(2) 激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能；(3) 激光熔覆恢复零件和工具性能；(4) 激光熔覆过程显微裂纹和残余应力；(5) 激光熔覆涂层的电化学性质；(6)Mg合金表面激光熔覆显微组织性能。北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括: (1) 激光熔覆耐磨工具钢制造切割和冲压模具；(2) 激光熔覆TiB2 制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金。亚洲在激光熔覆领域主要研究内容包括：(1) 激光熔覆应用于增强零件机械性能；(2) 激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层；(3) 激光熔覆过程显微裂纹和残余应力；(4)检测并控制激光熔覆熔池温度，从而降低熔覆层材料稀释率；(5) 激光熔覆涂层的电化学性质。国外对激光熔覆加工领域的研究主要集中在微观组织结构和金相分析、激光熔覆层的性能、熔覆层缺陷以及激光熔覆过程关键因素的检测与控制、激光熔覆加工设备和附属设备、激光熔覆过程中显微裂纹和残余应力的控制的研究。我国对于激光熔覆加工的研究内容主要涉及以下方面:(1) 激光熔覆同轴送粉器以及利用CCD 红外检测激光熔覆温度场的研究； (2) 激光熔覆制备耐磨涂层； (3) 激光熔覆工艺参数的研究；(4) 在激光熔覆过程中,添加某种金属元素,对特定合金组织形成的影响；(5) 扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响；(6) 激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能；(7)Mg 表面熔覆不同金属材料涂层的机械性能。1.2激光熔覆技术发展前景以对国内外对激光熔覆的研究现状的分析为基础，以国家的对先进制造技术的支持为导向，以提高激光熔覆加工质量为目的，以激光熔覆工业化应用为出发点，激光熔覆未来发展将围绕以下几个方面内容展开研究:（1）激光熔覆多源复杂耦合信息作用规律及决策机制；（2）建立激光熔覆优化控制系统；（3）激光熔覆加工的定量控制；（4）新技术应用及新材料制备1.3激光熔覆技术的优势激光熔覆技术是表面改性技术的一种，主要特点是可以提高机构的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能，得到细小的晶体组织结构，改善构件的综合机械性能，最重要的是可修复因磨损或者其他原因而引起的失效零件，延长零件的使用寿命。其优势如下：（1） 熔覆热影响区小，不破坏基材的力学性能；（2） 工件变形小，一般可忽略不计；（3） 层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好；（4） 由于激光作用时间短，熔覆层稀释率低，基材的熔化量比较小，因此可在熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的熔覆材料；（5） 高达106/s的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生了新性能的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等；（6） 激光熔覆过程易实现自动化生产，且熔覆层质量稳定；（7） 可处理零件的特定部位及其它方法难以处理的部位，对表面型廓复杂的零件，可进行灵活的局部强化；（8） 可通过混合不同的熔覆材料进行涂层成分涉及，得到不同性能的涂层。二、曲面构件机器人激光熔覆实施方案2.1设计目的通过激光熔覆的方法来在大型工程机械上的一个曲面构件表面堆敷一层耐磨性较好的合金材料，以提高其使用寿命。2.2系统组成221激光器激光器采用DILAS公司的SD3000/L的3KW激光器，142.5的矩形光斑，激光波长为980nm10nm。激光器图中部件4、部件5、部件8、部件12、部件13组成半导体激光具有光电转换效率高，波长短，功率密度高的优点，非常合适于熔覆及修复领域。半导体激光器体积小，合适于机器人系统直接集成。222 运动系统运动系统由机器人与变位机组成，分别为部件6和部件7与部件10机器人采用Fanuc公司的M-710iC/70，最大负载60Kg，可达半径2050mm，重复精度0.07mm。工作过程中通过Profibus总线与主控制进行通信。变位机采用3500kg的2轴变位机，采用机器人外部轴方式，便于与机器人协调运动。223粉末输送系统粉末输送系统由粉末喷嘴与送粉机构组成，分别为部件14与部件11同步送粉法是在激光辐照基体表面的同时，由送粉器连续的输入熔覆材料粉末，在保护气氛条件下，基体和熔覆材料同时被加热，又迅速凝固，实现界面的冶金结合，最终形成具有一定几何形貌的熔覆层。同步送粉法按粉末运动驱动力的不同可分为重力送粉法和气动送粉法。气动送粉采用气体动力分散和运输，粉末容易分散均匀，运输流畅，可长距离输送，且能实现混合送粉，同步动态法送粉和熔覆同时完成，便于实现自动化。本系统采用同步送粉法。整个送粉机构主要由电磁调速电动机、减速机、储料仓、螺旋输送轴和粉末输送仓组成，外加一些软管、气体流量计等辅助设备。224保护系统为防止熔覆过程中材料发生氧化，需要氦气或氩气作保护气，由部件15提供。225主控制系统本系统采用PLC+PC的架构，分别为部件1和部件2与部件3。PLC采用SIEMENS公司的中型PLC系统S7-300系列，对机器人、变位机、激光器、送粉系统和保护系统进行整体控制。PC由高可靠性计算机配以 HNUCFARP 熔覆系统、神经网络专家系统模块、电控位移控制模块、熔覆宽度 CCD 检测模块构成。其功能用于三维图形数据显示、处理、仿真、网络学习及加工过程的实时控制。226熔覆层宽度检测系统本系统以CCD （部件9）作为信号数据采集仪。当激光头发出的激光照射在被测物体表面上，反射光经过透镜聚焦后成像于 CCD 光敏单元上，而 CCD 驱动电路以一定频率的脉冲驱动 CCD 输出反映物体位移信息的信号。处理时再将此信号经过 A/D 转换，采集后送到单片机或计算机进行运算。227系统可行性分析本系统是较为常规的激光熔覆系统结构，因此对不同构件实施激光熔覆具有一定的兼容性。但是相较于其他构件，本系统难点在于（1）激光熔覆过程中需要保证焊枪高度始终恒定一致，必须采用非常规的技术手段完成激光熔覆轨迹的跟踪控制；（2）由于构件较大，因此在加工过程中需要通过变位机构调整工件的曲面位置；（3）每一堆焊焊道与相邻焊道必须紧密相邻，并有1/4的焊道宽度交叠。难点的解决方案将在下文中给出。三、曲面激光熔覆机器人运动轨迹控制本系统中机器人运动轨迹控制流程图如下：31信号采集311信号采集工具信号采集过程是将模拟摄像机、录像机、LD 视盘机、电视机输出的视频信号，通过专用的模拟、数字转换设备，转换为二进制数字信息的过程。本系统中视频信号通过CCD采集，后运用视频采集卡对视频信号进行压缩，然后才通过 PCI 接口把压缩的视频数据传送到主机上。实时采集的关键是每一帧图像所需的处理时间，如果每帧视频图像的处理时间超过相邻两帧的相隔时间，会出现数据的丢失，即丢帧现象。采集卡都是把获取的视频序列先进行压缩处理，然后存入硬盘，也就是说视频序列的获取和压缩是在一起完成的，免除了再次进行压缩处理的不便。312信号采集对象对于难点1，由于测量一定区域内激光器与构件表面的距离较为困难，因此，假设激光器与构件表面的距离与测量所得的构件表面热辐射成反比，即距离越远则热辐射越低。从而将距离恒定这一要求转化为CCD采集区域内热辐射恒定。313信号处理及滤波方式信号处理过程中，首先为加快处理速度，需要进行灰度化处理，即是把含有亮度和色彩的彩色图像变换成灰度图像的过程。灰度图像的每个像素点只需要用一个字节表示，大大提高了计算机处理速度，其值范围在 0255 之间。转换关系如下：Gray(i,j)=0.11R(i,j)+0.59G(i,j)+0.3B(i,j)，其中 Gray(i,j)为转换后的灰度图像在(i,j)点处的灰度值。其次为排除火花飞溅、燃烧烟雾等的干扰，必须准确识别待测目标。激光熔覆熔池辐射属于主动热辐射。其形成的热辐射图像场与背景在灰度特性上有比较大的差异，将 CCD 采集得到的图像视为具有不同灰度级别的两类区域(激光熔覆熔池目标场和背景场) 的组合，通过选取一个合适的阈值，将其区分开来。在灰度化处理与阈值分割后，本系统拟采用滑动平均的滤波方式，以令CCD采集区域内热辐射恒定。滤波过程如下图所示：32控制方式多自由度串联机器人具有动态、耦合和非线性的动力学特性，在运动过程中，各关节的等效惯量时刻变化，为使PID控制器能够在较大程度适应机器人特性的时变过程，可以采用模糊逻辑在线调整控制器参数，构建模糊PID控制器。模糊PID控制器是在PID控制器的基础上，通过计算系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，得到PID参数的调整量，并更新PID控制器参数。模糊PID控制设计的核心是根据工程设计人员的技术知识和实际经验，建立合适的模糊规则表，根据误差e和误差的变化率ec，得到调整kp、ki、kd三个控制器参数的模糊控制表，针对不同的e和ec，kp、ki、kd的整定原则为:（1）当e的绝对值较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的kp与较小的kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取ki=0；（2）当e和ec的绝对值中等大小时，为使系统具有较小的超调，kp应取小一些，此时，kd的取值对系统的影响较大，应取小一些， ki的取值要适当；（3）当e的绝对值较小时,为使系统具有较好的稳定性， kp和ki均应取大些，同时，为避免系统在设定值处出现震荡，并考虑系统的抗干扰性能，当ec的绝对值较大时，kd可取小些，ec的绝对值较小时, kd可取大些。由于机器人前四个关节在运动过程中，关节惯量随着机器人位姿的变化在较大的惯量范围内变化，而且各关节之间惯量耦合严重。因此，模糊PID控制器主要运用于前四个关节上，以起始位置的优化PID参数作为初始值，并采用模糊逻辑动态调整PID参数。单关节模糊PID控制器仿真模型如下：四、机器人位置检测方式本系统拟采用摄像机标定方式以检测位置。41摄像机标定原理摄像机标定是双目立体视觉基本且关键的工作，通过摄像机标定建立起摄像机图像像素位置与场景点位置之间的关系，由已知特征点的图像坐标和世界坐标求解摄像机的模型参数。411摄像机标定过程激光再制造机器人的摄像机标定采用二维平面靶标，以靶标上的方格点为标定点，建立非线性模型，通过不同的多个视点采集靶标图像，实现摄像机的标定。在不考虑摄像机畸变的情况下，通过求解线性方程，计算出摄像机的线性模型参数，以此为非线性参数标定的近似初值，再采用非线性优化算法估计求解非线性参数即畸变系数。为提高标定精度，再利用标定出的非线性参数重新计算线性参数，如此循环往复，直至线性参数和非线性参数的值收敛为止，求出全部参数。42机器人手眼标定原理通过机器人手眼标定确立机器人平台坐标系和摄像机坐标系之间的对应关系，有了这个关系就可以把摄像机所测物体相对于摄像机坐标系的方位转换成相对于机器人平台的方位，实现全局坐标系的统一，从而使机器人得到加工数据信息。421机器人手眼标定过程与手眼标定相关的坐标系有世界坐标系(W)、摄像机坐标系(C)、机器人末端手爪平台坐标系(H)和机器人基坐标系(R)。由机器人基坐标系到机器人坐标系的转换矩阵用A表示,它是机器人运动学矩阵；从摄像机坐标系到世界坐标系的转换矩阵用B表示；机器人坐标系与摄像机坐标系的转换矩阵用X表示；机器人基坐标系和世界坐标系的转换矩阵用D表示。A、B、X、D为44矩阵,它们描述的两坐标系间的相对方位都可以用旋转矩阵R和平移向量t表示。摄像机固定在机器人末端，靶标位置固定，控制机器人末端从位置1移动到位置2和位置3，在三个位置上分别做摄像机标定，求出其外参数，从而得到RBn,tBn。由机器人示教盒读出末端平台运动参数RAn,tAn。代入矩阵展开式AnXBn=An+1XBn+1，获得两组约束方程，求出R,t。五、变位机构运动控制方式对于一定的焊接精度，将机器人的理论焊接轨迹用小线段拟合，且让机器人和变位机在焊接每一小段时都做匀速运动，这样既简化了机器人系统协调控制方法，又降低了协调运动数据的传输量，并且只要将焊接轨迹分割的足够密，就能达到焊接精度的要求。具体步骤如下：首先，按一定长度（根据实际焊接圆弧的曲率及长度来确定）将圆弧焊缝分割成相等的几段，并求出各个分割点对应的变位机转角a，求出的焊接点，将理论焊接轨迹离散成一个个的小段。然后，检验上述方法带来的工件待焊点和机器人焊枪位置之间的偏差，当此间的最大偏差大于焊接精度要求时，再次等分焊接圆弧小段，直至满足精度要求。由于分割较密，最大偏差用中间点偏差近似代替。六、总结总体而言，本方案从技术难点出发，针对不同的难点提出相应的方式以达到要求，通过本方案所描述的方式，理论上可以在一定程度上解决技术上的难点。由于本次方案设计所涉及的知识点较多，由于对每个知识点了解程度不一样，因此对不同方式的描述详略程度不同。最后，感谢老师一个学期以来悉心地教导，为我们深入浅出地阐释了材料制造数字化技术中的种种方式与原理，令我们收获颇多。参考文献（1）孙会来,赵方方,林树忠,齐向阳. 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