（机械制造及其自动化专业论文）激光再制造三维运动光束头.pdf

摘要 激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先 进数控和计算机技术、c a d c a m 技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一 体，不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。 光束头作为激光再制造技术的重要组成部分，在再制造过程中尤其在对复杂 型面零件的再制造过程中发挥至关重要的作用，但现有的光束头只能进行二维平 面加工，无法满足激光再制造的要求，为此，综合机械设计的相关理论和计算机 数字控制技术，设计并制备了三维运动光束头。采用单片机控制二步进电机以实 现光束头能绕竖直轴( z 轴) 0 0 3 6 0 0 转动和绕水平轴( x 轴) 6 0 0 + 6 0 0 摆动， 加上原有数控系统在z 轴方向上的自由精密可控移动，使光束头具有三维空间工 作能力，克服了普通光束头工作空间的限制。该装置主要用于复杂型面零件的制 造及再制造，像轴瓦类、螺杆类、以及发动机叶片等零件的修复。 在制备三维运动光束头实体的基础上，提出新的设计模型，并对模型实施运 动仿真。分析比较理论模型与三维运动光束头实体的优缺点，分别对二者进行 a n s y s 静态动力学分析。 对三维运动光束头进行再制造基础实验和再制造工业应用实验，基础实验结 果验证了三维运动光束头的设计功能，并获得了激光熔覆中该装置的最佳参数范 围；工业应用实验部分对蜗杆轴等复杂型面零件进行淬火以及熔覆实验，获得了 良好的效果，说明三维运动光束头系统满足激光再制造技术要求，基本解决复杂 型面零件的加工问题。 关键词：激光技术，激光再制造，三维运动光束头，激光熔覆，运动仿真 a b s t r a c t t h el a s e rr e m a n u f a e t u r i n gt e c h n o l o g yi san e w c o n c e p to fa d v a n c e dr e f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e sm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , o p t i c s ，n c ，e l e c t r o n ，c o m p u t e r , s e n s o rt e c h n o l o g y , m a t e r i a la n do t h e rs u b j e c t sw i t hl a s e rc l a d d i n g t h et e c h n o l o g yn o t o n l y r e p a k st h ep a r t , b u ta l s om a k e st h eq u a l i t yb e r e rt h a ni tw a sb e f o r e a sa ni m p o r t a n tc o m p o s i t i o no fl a s e rr e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h el a s e r b e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n gs y s t e mp l a y sas i g n i f i c a n tp a r te s p e c i a l l yi nr e p a i r i n g i r r e g u l a rs h a p ep a r t s b u tp r e s e n tl a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n gs y s t e mc a l l t s a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to f l a s e rr e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , s o ，a c c o r d i n gt ol a s e r f a b r i c a t i o nt h e o r y , an e w3 dl a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n gs y s t e mw a s d e s i g n e d u n d e r t h ec o n t r o lo ft h em o t o rc o n t r o l l e rw h i c hi sm a d eu po f m i e r o p r o e a s s o ru n i t s t w os t e p p i n gm o t o r sf e do nt h e3 dl a s e rb e a m c o a x i a lp o w d e r f e e d i n gs y s t e mg e tt h es y s t e mr o t a t i n ga r o u n da x i a lzf r o m0 o t o3 6 0 * a n ds w i n g i n g a r o u n da x i a lxf r o m 一6 0 * t o + 6 0o w i t ht h el i n e a rm o v i n ga l o n ga x i a lzo fs i e m e n s n cs y s t e m ，t h e3 dl a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n gs y s t e mc a no v e r c o n l et h e l i m i t a t i o n so fw o r k i n gs p a c e i tw a su s e dt or e p a i rp a r t se s p e c i a l l yi r r e g u l a rs h a p e p a r t s ，s u c ha sc r a n ks h a f t ，s c r e w , v a n ea n ds oo n an e wm o d e lw a sd e s i g n e da n dc a r r i e do u tw i t hl o c o m o t i o ne m u l a t e t h e a n a l y s i sb e t w e e nt h el a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n gs y s t e ma n dt h en e wm o d e l w a sc a r r i e do u tb ym i c r o s o f to f a m y s i no r d e rt ot e s tt h eq u a l i t yo f t h e3 dl a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n g s y s t e m ， l o t so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ，i n c l u d e db a s i c e x p e r i m e n t s a n di n d u s t r y a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t s b yt a k i n gb a s i ce x p e r i e n c e s ，w eg o tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e 3 dl a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e rf e e d i n gn o z z l ew a sa b l et os w i n ga r o u n da x i a lxa n d r o t a t ea r o u n da x i a lz ，a n dw eg o tt h ei d e a lp a r a m e t e r so fo ft h es y s t e mi nl a s e r c l a d d i n g i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n se x p e r i m e n t si n c l u d e dl a s e rq u e n c h i n ga n dl a s e r c l a d d i n gw h i c ho nt h es c r e wa n do t h e ri r r e g u l a rs h a p ep a r t s t h e e f f e c to f e x p e r i m e n t si sg o o d w eg o tt h ec o n c l u s i o nt h a ti ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fl a s e r r e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , s o l v e dt h ep r o b l e mo f r e p a i r i n gi ni r r e g u l a rs h a p ep a r t s k e yw o r d s ：l a s e rt e c h n i q u e ；l a s e rr e m a n u f a c t u r i n g ；3 dl a s e rb e a mc o a x i a lp o w d e r f e e d i n gs y s t e m ；l a s e rc l a d d i n g ；l o c o m o t i o ne m u l a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加咀标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王业太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 孝兴菇 签字日期：h 嘲年月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 旁岁寝 晰签名：翌宏屿 签字同期：万7 年7 月西闩签字r 期：柳年。月冶伺 学位论文的主要创新点 一、研制出具有两轴联动的三维运动光束头系统，光束头具有精度高、灵活 性好、工作可靠的特点，满足激光再制造技术要求。 真。 二、提出三维运动光束头设计方案二模型，并通过软件对其实施模型运动仿 三、配合数控机床对三维运动光束头系统进行再制造性能测试及再制造工业 应用实验，实验效果较理想。 第1 章绪论 1 1 激光再制造技术 第1 章绪论 1 1 1 激光再制造技术概述 激光熔覆亦称激光涂敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利 用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与基 材相互熔合且具有完全不同成分与性能的合金覆层。基材的熔化层很薄，因而对 覆层的成分影响极小。激光熔覆综合了光、机、电技术，涉及材料学、物理学、 自动化技术、机械等多门学科。自这种新兴的的表面改性技术出现以来，取得了 迅速的发展，现已广泛应用于工业行业【1 4 1 。 激光再制造技术正是在激光熔覆基础上发展起来的【7 】。 改革开放以来，国外大批的高精尖设备引入我国，许多重大工程装备造价十 分昂贵，一旦出现损坏，将导致生产线中断。特别是进口设备，缺少备件，临时 引进不仅价格昂贵，而且时间紧迫，不能保证及时生产，将造成重大的经济损失。 因此，开展重大装备修复，发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市 场需求，而且具有重大的经济效益和社会效益。常规修复技术的种类很多，每种 技术有其擅长之处，也有应用的局限性，而精密可控成形再制造的修复技术已成 为重要发展方向。 以激光熔覆为修复技术平台，加上现代先进制造、快速原形等技术理念，则 发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在具有零件原型的c a d c a m 软件支持下，c n c ( 计算机数控) 控制激光头、送粉嘴和机床按指定空间轨迹运 动，光束与粉末同步输送，形成一支金属笔，在修复部位逐层熔敷，最后生成与 原型零件近形的三维实体。同时利用瓜比色测温传感器对加工过程进行监控， 控制成型的精度。 激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先 进数控和计算机技术、c a d c a m 技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一 体，不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。 由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技 术。 如图1 - 1 所示，根据激光束与送粉嘴的相互关系，激光再制造分为。维、二 第1 章绪论 维及三维再审4 造。一维的激光再制造系统可以实现单一方向( 一维) 的修复，一 般采用侧向送粉的方式，利用轴向旋转或者单方向重复往返来实现对零件的大面 积再制造。为了能实现二维平面的全方向再制造，同轴送粉的技术应运而生了。 但是对于一些贵重的大型零部件，损坏的部位可能是空间曲线形状，而且装卡比 较困难，二维激光再制造系统就无能为力了。因此就产生了三维激光再制造系统， 这也是目前激光加工领域研究的热点之一，具有重大的经济意义和学术价值。 ( a ) 一维修复激光束、粉流在工件上沿一个方向进行熔覆 ( b ) 二维修复激光束可以在二维平面内对工件进行熔覆 ( c ) 三维修复光束头送粉头做三维运动可实现三维修复 图l - l 激光再制造( a ) 一维修复( b ) 二维修复( c ) 三维修复 1 1 2 激光再制造技术的组成 如图卜2 所示，一个完整的激光再制造系统，需要以下几个部分： 1 ) 激光器：l 5 k wc 0 2 激光器，多模即可，或用0 4 2 k wn d ：y a g 激光器， 多模即可。 2 ) 光学系统：采用聚焦光束和宽带光束两种方法，宽带光束可使加工表面 光滑平整，一般采用激光宽带扫描转镜。 3 ) 三维运动光束头：激光再制造的修复范围已经不再局限于轴类、轮盘类 零件。对于复杂型面零件，如叶片、箱体等，使用一维修复系统就显得无能为力 了。对于二维的修复系统，在水平平面上可以达到较好的效果，而复杂的空间曲 面上也无法使用。所以适合全空间三维再制造使用的光束头是必不可少的。 4 ) 送粉器i ”l ：激光再制造系统中一个重要的组成部分就是送粉器，采用载 气式或非载气式输送两种均可。非载气式送粉，粉末利用率高达9 0 ，载气式仅 3 0 q o 。在进行维以下运动修复时，采用非载气式送粉可节省粉末，从而 降低使用成本。进入2 l 世纪的激光再制造随着微细粉末、纳米相粉末技术的发 第1 章绪论 展逐渐转向以三维微成型技术为发展方向，而在超细粉末送粉器方面，尚未有比 较成熟的产品见诸报道。 5 ) 监测控制系统：激光在制造过程中重点要考虑的就是加工的精度，凭借 以往激光加工中经验的观察调整方法显然不行。因此智能化控制加工过程十分必 要。对激光再制造进行在线监控一般可以通过监测熔池温度、熔覆层厚度或者熔 池的形状变化来控制工艺参数，从而来实现精确再制造。 图l - 2 激光再制造系统构成 激光器发出的c 0 2 激光，经c n c 数控机床z 轴( 垂直工作台) 反射镜后， 进入三维运动光束头重新聚焦，再经过同轴送粉工作头输出。三维运动光束头和 同轴送粉头都安装在机床z 轴上，由数控系统统一控制。由载气式送粉器将粉末 输送到分粉器，均匀地把粉末送入同轴送粉工作头。待修复零件位于数控工作台 x y 平面上，根据数控指令，工作台、三维运动光束头和同轴送粉头按给定的 c a d ，c a m 软件程序运动，同时输出激光和粉末，激光同轴送粉工作头像“金属 笔”一样，在检测和控制系统作用下，使零件恢复原始尺寸。 1 1 3 激光再制造技术的意义 随着中国经济的发展，作为中国支柱产业的制造业面临着激烈的竞争并经历 着一场深刻的技术变革，用高新技术改造提升传统制造业成为必然的趋势。国外 大批的高精尖设备引入我国，许多重大工程装备造价十分昂贵，一旦出现损坏， 使生产线中断。特别是进口设备，缺少备件，临时引进不仅价格昂贵，而且时问 第1 章绪论 紧迫，不能保证及时生产，将造成重大的经济损失。因此，开展重大装备修复， 发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场需求，而且具有重大的经 济效益和社会效益 1 0 - 1 4 】。 常规修复技术有电镀、电弧和火焰堆焊、热喷涂( 火焰、等离子) 0 5 1 等。堆 焊、热喷涂或喷焊，热注入大，能量不集中，零件基体热影响很大，稀释率高， 易产生气孔、夹沙等现象，降低了基材的性能，而且易使零件变形，甚至产生开 裂。不仅如此，由于手工操作，修复尺寸不能精确控制，后加工量大，造成了财 力、物力和时间的浪费。对有些精度要求高( 如长轴类) 的零件或特殊材料( 硬 质合金、高温合金、陶瓷等) 几乎用常规技术无法修复，致使一些贵重部件因得 不到修复而报废。发展精密可控成形再制造的修复技术已成为制造业的迫切需 要。 激光再制造技术就是在此基础上应运而生的一种全新概念的先进修复技术， 它集先进高能束技术、先进数控和计算机技术、c a d c a m 技术、先进材料技术、 光电检测控常4 技术为一体，不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能 达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、材 料综合交叉的先进制造技术。 与传统修复方式相比这种技术有着如下几种独特优势。 1 ) 热影响区小，不破坏基体的力学性能。 2 ) 变形小，一般可忽略不计。 3 ) 可实现选择性精确加工，用极小的成本在零件的不同部位实现不同的力 学性能。 4 ) 熔覆材料品种多，包括镍基、钴基、铁基甚至陶瓷、非金属材料。 5 ) 对基体材料的要求低，几乎绝大多数的材料上都可应用此项技术。 6 ) 可实现较大面积和较深厚度的修复。 7 ) 熔覆层与基材间实现的是冶金结合，结合强度高。 无论是出于提高零件性能还是经济性考虑，发展激光再制造技术都具有广泛 的理论和现实意义。 1 1 4 激光再制造技术的应用 随着激光再制造技术的发展，该技术已经广泛应用于以下领域1 0 。4 】： 1 ) 航空工业中的应用。航空发动机叶片的接触磨损问题一直是使用和维修 中的一大难题，而通过激光熔覆技术可以获得优质的涂层，有效的缓解和克服了 这一问题。相比较热喷涂方法，具有热影响变形小，质量稳定，效率高等特点。 2 ) 汽车工业中的应用。汽车发动机的缸套是易磨损部件，激光熔覆不仅使 第1 章绪论 破损部分得到修复，而且整体性能更为优越。不仅如此，使用激光淬火的方法可 以有效地解决缸套磨损问题，延长其使用寿命。另外如发动机凸轮轴的激光淬火、 曲轴的激光淬火也提高了其使用寿命。国内天津工业大学已成功将其应用于轿车 的4 7 9q 型凸轮轴修复、淬火和火车缸套类零件淬火。 3 ) 模具工业中的应用。模具的制造成本很高。对于模具的损坏，以前多是 通过堆焊的方法来实现的，随着激光熔覆技术的发展，使得激光再制造模具成为 可能。并且修复效率高，节约了成本，赢得了时间。如天津工业大学为扎努西压 缩机公司成功修复了模具，为企业赢得了效益。 4 ) 石油工业中的应用。在石油工业中，采油设备连续运转，一些关键零部 件如细长轴等磨损严重，一根进口泵轴高达十几万美元，进口此类小批量轴类零 件需较长的时间，采用一般的修复方法效果并不理想，而使用激光熔覆技术只需 很少的投入就可以使这根轴焕然一新，而且修复之后投入使用效果良好，这样大 大地降低了石油开采成本，为企业赢得了效益。天津工业大学为渤海油田进行的 泵轴修复，取得了显著的效果。 5 ) 冶金工业中的应用。轧辊是冶金工业的常用零件之一，轧辊的激光再制 造技术大大延长了轧辊的报废时间，而且熔覆轧辊的性能更为优良，提高产品质 量，节约生产成本。 1 2 课题的来源、研究内容及意义 1 2 1 课题来源 该课题是天津工业大学激光研究所杨洗陈教授主持的天津市科委重点攻关 项目“激光再制造技术及工业应用”的重要组成部分。 天津工业大学激光研究所敏锐的捕捉到三维快速成型技术的广阔应用天地， 认识到激光技术是解决快速成型技术的重要利器，本着提高激光技术在我国工业 领域应用水平的宗旨，依靠研究所在激光领域雄厚的科研实力和先进的实验加工 设备，提出将激光三维再制造技术应用于工业制造中，这就是“激光再制造技术 及工业应用”，并以此申请了天津市科委重点攻关项目( 项目编号：0 3 3 1 8 8 0 1 1 ) ： a ) 激光三维再制造技术，并设计出三维运动光束头； b ) 载气式送粉器的送粉原理并设计出载气式双料斗送粉器； c ) 激光再制造送粉器粉末流场的检测技术： d ) 激光再制造温度场的检测技术； e ) 超细粉的输送与控制技术，并设计出超细粉送粉器。 该研究属于a ) 项，主要研究三维运动光束头的设计制造，并对其进行性能 第l 章绪论 检测和分析。 1 2 2 课题研究的意义 目前在工业应用中提到的激光再制造技术都采用一维或者二维激光熔覆方 法，只能解决部分零件修复，而且仅是修复概念上的工作。事实上，在生产中还 有大量的复杂贵重装备需要三维激光再制造技术，特别是不能移动的大型设备需 要解决现场修复问题。可以预见，随着该项技术的发展与完善，在经济建设和国 防建设中将发挥巨大作用。 实现激光再制造，其中关键要解决的就是三维运动光束头的研制，它是激 光再制造中尤其是复杂和大型零件再制造中的关键执行部件。空间某物体的自由 运动要用六个坐标来描述，虽然激光具有很强的方向性，但激光束有一定的发散 性，如果激光束不能垂直加工表面，将引起功率、焦距、光斑等一系列决定性参 数的不稳定，使得加工效果不理想，加工中不能忽略这因素，而把焦点看成理 想的一点。因此在对复杂形面加工时，传统的做法是激光光束头不动，而将工件做 一定的移动或转动，以实现重新聚焦，这样能够解决部分复杂零件的装夹问题， 但是对于大型零件这种做法无疑是不可行的，而且多次装夹，无疑会使加工精度 和质量无法保证。考虑上述因素，设计一种三维运动光束头，让光束头在加工过程 中具有三维工作能力，实现复杂形面零件的制造及再制造是一个新课题。 激光再制造效果是由激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉量等一系列因 素综合作用的结果“”1 ，为此，弄清激光再制造中获得理想再制造效果的参数范 围，也具有很强的理论和现实意义。 针对这种情况，天津工业大学激光技术研究所提出了三维运动光束头的构 想，并得到了天津市科委的基金资助。在过去的两年中，天律工业大学激光技术 研究所一直致力于激光再制造技术的研究工作，已经成功实现了基于二维平面的 大面积再制造，并仓i 造了一定的经济效益。同时也看到了二维激光再制造存在的 不足和进行三维运动光束头研制的必要性。 综上所述，研制一种能够进行三维空间工作的光束头具有很强的理论及现实 意义。 1 2 3 课题研究的主要内容 该课题是“激光再制造及工业应用”的重要组成部分，所做的主要工作有： 1 ) 在激光再制造理论基础之上，通过调研和详细论证，研制出具有两轴联 动的三维运动光束头系统，包括机械机构，控制系统等。 2 ) 科学评价三维运动光束头系统性能，进行大量性能测试实验。实验结果 第1 章绪论 证明三维运动光束头整体结构设计合理，精度高、运转灵活稳定性好、工作可靠。 3 ) 在制做三维运动光束头实体的基础上，提出设计方案二模型，并通过软 件对其实施运动仿真。 4 ) 配合数控机床，对三维运动光束头系统进行再制造基础实验及再制造工 业应用实验，实验效果理想。 第2 章三维运动光束头系统设计 第2 章三维运动光束头系统的设计 2 1 光束头及相关领域发展现状 改革开放以来，随着大批高精尖设备引入我国，激光冉制造技术发挥着越来 越重要的作用，而作为激光再制造系统重要组成部分的光束头，重要性也越来越 明显。 国内外研究人员已经相继开发出多种激光加工光束头，如英国的利物浦大学 研究人员、美国的一些国家实验室研究人员、德国宇航研究院研究人员、台湾和 韩国的一些大学都开展了此项研究，有些还取得了一定的成果，研制出了具有实 用价值的二维同轴送粉光束头，并且进行了一些应用试验。如德国宇航研究院利 用二维光束头对叶片和蜗杆进行的快速制造取得了良好的效果，但是目前国内外 研制出来的光束头部是只能进行二维平面加工，对于空间三维加工就无能为力 z 2 - 2 7 i 。 在对复杂形面零件进行再制造的时候，传统的做法是光束头不动，而将工件 做定的移动或转动，以实现重新聚焦，但是对于大型零件或者较复杂的零件， 这种做法无疑是不可行的，而且由于多次装夹，会使加工精度和质量无法保证。 随着大批贵重复杂大型零件引入我国以及激光再制造技术的发展，设计一种用于 激光再铝4 造的可实现三维加工的光束头成为迫切要解决的问题。 斟11 打轴耳芰曲数控系统1酗22 氍轴i | j 动数羟系统2 而与之相比，数控领域相关技术的发展已趋于成熟，加工中心自2 0 世纪6 0 年代末问f 址以来，经过了4 0 多年的发展，一些高端机床成功开发，如德国e m a g 公司的倒在加工中心、奥地* ! w f l 公司的车铣复合中，t l , 以及德国d m g 公司的激 第2 章三维运动光束头系统设计 光与振动加工机床等，极大丰富了加工中心的理念，五轴联动控制是一种极为关 键的加工形式，除了控制机床三个直线坐标x 、y 、z 以外，还控制工作台的回转 以及主轴部件的摆动，如图2 一l 、2 2 所示，可完成五轴同时联动。 五轴及五轴以上多轴联动数控机床是军工、船舶、航空、航天及能源行业迫 切需要的加工设备，主要用于加工船用螺旋桨、飞机机翼、透平叶片等具有复杂 型面的零件，且效率提高很多倍。目前国外这类机床的用户，已从航空、复杂模 具等行业普及到一般机械制造业，多轴联动数控机床正继续向精密化、高速化、 大型化发展。 原来国产加工中心的落后，其中之一就是五轴联动加工中心上不去，因此 加工叶片、叶轮及其他复杂型面、型腔的零件有问题，这同样也拖了航天航空、 造船、军工等工业的发展的后腿。但是现在北京机电院、沈阳、大连、宁江等都 有五轴联动加工中心相继制造了五轴联动加工中心，桂林机床的五轴联动加工中 心还采用了国产的华中数控系统。这不仅是填补空白的问题，更是一种新的突破， 相信更多更好的多轴联动加工中心。 与其他加工系统相比，五轴加工系统仅需要经过一次装夹，即可完成复杂形 状零件的加工。由于无需多次装夹不仅缩短了加工周期，而且避免了因多次装夹 而造成的人工或机械误差，大大提高了加工质量。例如，加工一个具有很多不同 角度及不同孔径的孔系，如果使用三轴加工设备，那么每一个不同的复合角的 孔，都必须进行一次装夹换刀才能实现。而使用五轴加工系统，仅需要经过一次 装夹，用同一把刀具通过螺旋方式对不同孔径、不同方向的孔进行加工。轴数控 机床在国内外的实际应用表明，其加工效率当于2 台三轴机床甚至可以完全省去 某些大型自化生产流水线的投资，大大节约了占地空间和工件不同制造单元之间 的周转运输的时间和花费。 总之，五轴联动数控机床系统能极大地提高加工效率和生产能力，显著地提 高产品加工质量、缩短加工周期、大大地降低加工成本、可加工形状极其复杂的 零件、可实现极其复杂的零件的快速成形和小批量生产，特别是打样可快速交货 且精度高。数控技术在加工复杂和大型零件上发展已经趋于成熟 2 8 - 3 0 】。 而就激光领域本身来说，随着光纤激光器的发展以及机器手的应用，国外在 对于复杂型面零件的激光制造和再制造领域的发展也已经趋于成熟。 2 0 世纪9 0 年代后期，随着半导体激光器及其掺杂光纤制作技术的日益成熟， 光纤激光器的研究取得了重大进展。输出功率和调谐范围等性能得到了显著提 高，使远距离大容量光通信传输成为可能，非常适合密集波分复用( d w d m ) 系统。 与半导体激光器相比，光纤激光器主要有以下几个方面优越性 3 6 3 2 】： 第2 章三维运动光束头系统设计 1 ) 可以将掺稀土离子吸收光谱对应的高功率、低亮度、廉价的多模l d 光通 过泵浦双包层光纤结构，实现高亮度、衍射受限的单模激光器输出； 2 ) 光纤作为圆柱形波导介质，纤芯直径小，光纤内易形成高功率密度，光 纤激光器具有激光阐值低、转换效率高、光束质量好等特点； 3 ) 光纤结构具有大的“表面积体积”比，因而散热效果好，无需庞大的水 冷系统，只需简单的风冷即可； 4 ) 光纤具有很好的柔韧性，激光器设计小巧灵活，易于系统集成，同时可 在恶劣环境下工作，适合于野外旌工； 图2 3 光纤激光器光束头 图2 4 光纤激光器机器手 5 ) 光纤激光器的激射波长取决于掺稀土离子，不受泵浦波长的限制，所以 可以通过掺杂不同稀土离子在0 3 8 4 范围内实现激光输出，波长选择容易且可 调谐，这对d w d m 系统具有非常重要的意义： 6 ) 光纤输出与现有通信光纤匹配，易于耦合且效率高，可形成传输光纤与 有源光纤一体化，是实现全光通信的基础。 如图2 3 、2 - 4 所示，正是由于光纤激光的高度柔性以及小巧灵活的优点， 配合机器手的空间运动能力，使得光纤激光器具有广阔的空间工作能力，方便的 解决了复杂以及大型零件的加工问题。 但是无论是数控加工中心、光纤激光器还是机器手其造价都是相当昂贵，其 技术含量都是很高的，而且受光纤传输激光波长的限制，无法采用光纤传播。考 虑到现有技术以及经济条件，我们只能设计符合自身条件的光束头。 2 2 三维运动光束头的总体设计 2 2 1 激光再制造系统整体设计 根据机械设计相关理论1 3 3 - 3 9 l ，完成对三维运动光束头系统的设计。激光再制 第2 章二维运动光束头系统设计 造系统整体机构如图2 5 所示，在进行具体的设计之前本人进行了实际的调研工 作，综合调研的实际结果并查阅大量的有关光束头方面的文章，经过导师的指导， 确定了具体的设计任务。激光器发出的c 0 2 激光光斑直径为3 0 m m ，波长是 1 0 6 a m ，为不可见光。如图2 。5 ，激光从激光器的谐振腔前面的窗口出来后直接 作用在和激光器窗口等高度的第一块平面反射镜上，该镜表面镀金，内部有循环 水起冷却作用。激光器放置高度使得激光器发出的激光不会对地面上的设施及工 作人员造成伤害，经过第一块平面镜反射后的激光将沿z 轴负向运动，可以对地 面设施和工作人员造成伤害，所以z 轴负向的两块平面镜之间的光路不能直接暴 露在空气中，需加以保护。原设备在设计时考虑了这些因素，z 轴方向两块平面 镜之间设计了用金属铝做成的导光管，虽然其重量轻，但是当其下端再连接三维 运动光束头时将引起较大的变形，造成实际激光光路偏离理想位置，导致三维运 动光束头不能正常工作。 图2 - 5 激光再制造系统的构成 考虑到现有标准件的尺寸，导光管材料选用4 5 钢以防止大的变形并增强耐 温性能和好的散热性能。三维运动光束头绕z 轴和水平轴的转动部分的支承件选 用高精度向心推力轴承。变速部分采用了齿轮组加以变速，齿轮的模数设计的比 较小，以获得较小的体积，较大的变速比和较高的运动平稳性。与导光管相连接 的转动部分形成的悬壁梁在设计时是尽量短，以防止导光管弯曲变形过大，同时 还有足够的空自j 固定步进电机。 2 2 2 聚焦及冷却系统的设计 第2 章三维运动光求头系统设计 光束的聚焦方式是整个工作头系统设计的一个重要环节。常用的聚焦方式主 要是透镜聚焦和抛物聚焦。透镜聚焦有更好的聚焦效果、焦距小、聚焦后的光束 质量比抛物聚焦好。但是其缺点是镜片很容易炸裂、造价高、粉末容易污染镜片 表面。而抛物聚焦镜片经久耐用、调整容易、清洗简单、造价低、能通冷却液加 以冷却，其缺点是重量相对较大【4 0 l 。 基于现有条件，系统采用抛物聚焦的方式：焦距3 1 5 r a m ，聚焦镜直径5 0 m m ， 激光反射率9 8 ，抛物聚焦镜如图2 - 6 所示。使用这种方法不会有热透镜效应， 也能消除透镜聚焦不可避免的球面像差。如果抛物聚焦镜表面加工的精度高，还 可以获得相当好的焦点光斑质量。反射聚焦的使用质量稳定，并且可以对镜子整 图2 - 6 抛物聚焦镜 体充分冷却。虽然铜镜表面吸收率比透镜略高( 1 2 ) ，但是由于镜体温度梯度 与镜面垂直，再加上良好的导热率及充分冷却，镜表面吸收激光产生的热变形小 到可以忽略不计。因此可以承受万瓦级激光辐照而很少损坏。这种聚焦方式的缺 点是由于难以在内简部分形成良好的封闭空间，无法输送中心保护气，在进行空 间三维工作时。由于没有中心保护气的输入，飞溅的材料和烟尘容易伤害镜面， 因此需要注意保护镜面。如图2 - 5 所示，激光器发出的c 0 2 激光，经c n c 数控 机床z 轴( 垂直工作台) 反射镜后，进入三维运动光束头重新聚焦，再经过同轴 送粉工作头输出。 系统的冷却方式为水冷，水循环通过反射镜和聚焦镜内部，对镜子以及系统 起到保护作用，采用水冷的原因是水的成本较低不至于造成污染，而且水不会加 速管路中塑料管的老化。 2 2 3 三维旋转机构的设计 该部分的设计是机构设计的核心部分，其好坏直接关系到系统的优劣。 众所周知。空间某物体的自由运动要用六个坐标来描述。虽然激光具有很 强的方向性，但激光束有一定的发散性，如果激光束不能垂直加工表面，将引起 焦距，光斑等一系列决定性参数的不稳定，使得加工效果不理想，加工中不能忽略 第2 章= 维运动光束头系统设计 这一因素，而把焦点看成理想的一点。因此在对复杂形面加工时，传统的做法是 激光束头不动，而将工件做一定的移动或转动，以实现重新聚焦。但是对于大型 工件这种做法无疑是不可行的，而且多次装夹，无疑会使加工精度和质量无法保 证。考虑上述因素，设计一种三维运动光束头，让光束头在加工过程中具有三维 工作能力，实现复杂形面零件的制造及再制造是一个新课题，具有很强的理论及 现实意义，设计中我们是通过转动加摆动的方法实现其三维工作能力的。 图2 - 7 三维运动光束头 x 如图2 7 所示，三维运动光束头的运动机理是：由上步进电机l 带动第一动 齿轮组3 转动，实现三维运动光束头绕竖直轴( 即z 轴) 的旋转运动；由下步进 电机组2 带动第二齿轮组4 转动，实现三维光束头绕水平轴( 即x 轴) 的旋转运 动；在数控系统的控制下，光束头整体本身能在z 轴方向精确可控移动，即三维 光束头可以做一个直线运动和两个回转运动，从而实现了其三维运动的功能。 该三维运动光束头，包括导光部分和传动部分。导光部分包括垂直相贯的导 光套筒与反射镜筒，与反射镜筒平行连通的聚焦镜筒，与聚焦镜筒垂直相贯的出 光筒；反射镜筒内的垂直相贯处装有反射镜，聚焦镜筒内的垂直相贯处装有聚焦 镜：反射镜和聚焦镜分别由反射镜锁紧机构和聚焦镜锁紧机构锁紧。 光路设计为：激光依次经导光套简、反射镜筒和反射镜反射，进入聚焦镜筒 并由聚焦镜聚焦后由出光筒出光。 传动部分包括：可侵三维运动光束头绕竖直轴做旋转运动的上步进电机及其 第2 章三维运动光束头系统设计 传动的第一齿轮组，第一齿轮组内的角接触球轴承组安装在导光套筒上；可使三 维运动光束头绕水平轴做旋转运动的下步进电机组及其传动的第二齿轮组，第二 齿轮组内的角接触球轴承组安装在聚焦镜筒上；第一电机支架支撑上步进电机并 固装在导光套筒上，第二电机支架支撑下步进电机并固装在反射镜筒上。 图2 - 8 步进电机组 装置2 是步进电机组，如图2 8 所示，与采用单电机相比，采用步进电机组 有一系列优点，首先，步进电机组配合齿轮组4 ，如图2 - 9 所示，形成对称力偶， 进一步提高了光束头的工作稳定性和系统的工作精度。其次，采用步进电机组相 对采用单电机很大程度上减小了系统体积和质量，进一步提高了系统的灵活性， 而且较为美观协调。 图2 - 9 齿轮组4 分别安装在导光镜筒1 0 和反射镜筒9 上，用以固定上步进电机1 的第一电 机支架5 ，如图2 一l o 所示，以及固定下步进电机组2 的第二电机支架6 ，如图 3 1 l 。 图2 - 1 0 电机支架5图2 - 1 1 电机支架6 两电机支架都能根据实际需要，实现本身以及步进电机的位置调整，以满足设计 和安装的精度需要。 反射镜锁紧机构7 、聚焦镜锁紧机构8 分别如图2 一1 2 和图2 - t 3 所示。它们 第2 章三维运动光束头系统设计 的主要作用在于固定反射镜以及聚焦镜，同时均可以对反射镜1 2 和聚焦镜1 3 进 行微量调节，以提高光束头的工作精度要求。 图2 - 1 2 反射镜锁紧机构图2 - 1 3 聚焦镜锁紧机构 考虑到光束头加工时激光束的高能量，以及需要固定的三维运动光束头等部 件的结构和重量，导光套筒1 0 ，如图2 1 4 所示、反射镜筒9 ，如图2 1 5 以及聚 焦镜筒1 1 ，如图2 1 6 及出光筒1 6 ，均采用了4 5 # 钢制造。为了防止其制造和使 用过程中的氧化生锈，影响安装、调试和拆卸，导光套筒1 0 、反射镜筒9 和聚 焦镜筒1 1 内外表面均进行了发黑处理，发黑处理技术为现有技术。 图2 - 1 4 导光套筒 图2 一1 5 反射镜筒图2 - 1 6 聚焦镜筒 导光套筒1 0 、反射镜筒9 和聚焦镜筒1 1 及出光筒1 6 的筒径一致，并均具 有很重要的作用。除了结构设计外，其加工精度和质量至关重要，若加工精度和 质量不高，激光光束在从光束头聚焦出来时很可能偏离理想位置，引起光束头的 损坏。为了避免烧伤送粉头零部件等事故的发生，三维运动光束头在实施例设计 时采用了更加严格的公差要求，管件焊接也要求严格，以减小变形和材料的内应 第2 章二维运动光束头系统设计 力以及零部件加工后的误差。 2 3 控制系统设计 2 3 1 电机选择 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装 置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能 力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动 和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件( 如 温度、气压、冲击和振动等) 的影响，仅与脉冲频率有关。它每转1 周都有固定 的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累【4 1 1 。正是因为步进电 机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件，当然，伺 服电机有一系列步进电机无法比拟的优点，例如；控制精度高、运转平稳、较强 的过载能力以及静扭矩大等等，但是其相对价格一般较贵，该课题中我们采用的 是步进电机。 设计要求送粉头的头部相对导光套筒的中心线的长度为3 1 5 m m ，其重心位 于离其头部l o o m m 处，即与导光套筒的中心线的距离为2 1 5 r a m ，其质量为2 k g ， 即 g = m x g = 2 9 8 n = 1 9 6 n 对导光套筒的扭矩最大为其头部处于水平状态，此时的扭矩为 t = g l = 1 9 6 x o 2 1 5 n m = 4 2 n m 考虑到各处的摩檫力，实际所受的扭矩大约为 t i = 5 n m 考虑安全系数，取s a = 2 步进电机通过减速机构产生的扭矩应为 t a = t i s a = 5x2 n m = 1 0 n m 减速比8 ，即步进电机上的扭矩最小为 t b = t a u = 1o ，8 n m 第2 章二维运动光束头系统设计 = 1 2 5 n m 根据实际需要，考虑机构、尺寸、价格等一系列因素，我们选择5 7 b y g h 8 0 3 步进电机，其相关数据如表2 1 所示，当然也可以选用其它系列电机，但是机构 尺寸需要相应调整。 表2 - 1 步进电机参数 2 3 2 控制系统设计 如图2 1 7 所示，设计中控制系统要实现的功能是：控制上步进电机转动， 实现机构绕z 轴0 。3 6 0 0 轴转动；控制下步进电机组转动，实现机构绕x 轴 一6 0 0 + 6 0 0 摆动。 图2 1 7 系统控制示意图 根据课题提出的要求，控制系统既能准确、快速地实现信号处理、动作控制 和系统监测，又要工作稳定、操作简单、自动测量。该电机速度要连续可调，根 据不同的需要进行速度调节，需要将其显示出来，在本方案中选用一个数字显示 电路。 确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计的关键一环。总体方案的好 坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计是根据被控对象 第2 章三维运动光束头系统设计 的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出 系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检验元件，在确 定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精确度 的重要因素之一。选择执行机构，执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另 一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入输出通道以及外围设备。选 择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入输出通道是串行操作 还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、 打印有何要求；画出整个系统原理图。 大多数设计人员常常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制，虽 然已经取得很大成效，但实现起来成本高、费时多，而且一旦组成了电路，就很 难再改动，因此不得不完全重新设计控制器。微处理器与微计算机的先进技术和 低廉的价格，给步进电机的控制开创了一个新的局面。人们完全可以借助于软件 来对步进电机实施控制，从而实现复杂而成本又不高的控制系统，同时还可以很 灵活地通过改变程序来改变控制方案。控制系统连接示意图如图2 一1 8 所示。 图2 - 1