激光再制造机器人工作头的研究

摘要

激光再制造技术是再制造技术的一个分支，近年来在国内外已受到普遍关注，形成激光加工与先进制造技术一个前沿和热点，已在国内外得到重要的工业应用。目前，该项技术尚处于发展之中，许多基础理论问题尚需开展深入研究，在设备、工艺和材料等方面都有着需要改进的地方。激光再制造机器人是一种新型的激光再制造设备，与传统设备相比它具有柔性程度好、智能化程度高、工作空间大、使用灵活方便等优点。
　　 激光同轴送粉熔敷的性能直接决定激光制造的质量和精度。熔敷效果取决于激光参数（功率、波长、模式、聚焦性能），粉嘴参数（尺寸、聚焦性能）、激光熔敷工艺参数（功率、送粉量、气流量）以及粉末流物理场分布。机器人工作头主要负责激光和金属粉末的输送和会聚，所以设计性能优良的工作头对于保证激光再制造机器人加工的质量和精度有着重要的意义。
　　 本文旨在设计适合激光再制造机器人使用的工作头，为机器人再制造加工提供良好的支持。本文介绍了激光再制造技术以及激光再制造机器人的原理和现状，根据激光熔覆理论，光机系统设计原理，提出了机器人工作头的设计方案。主要有以下工作：
　　 1.基于激光熔覆理论及相关物理模型，研究了激光与金属粉末以及基体的相互作用，分析了粉末流从粉嘴喷出后的浓度分布情况，为粉末流浓度的模拟奠定了基础。
　　 2.结合两相流体力学的基本理论知识，建立了气体/金属粉末两相流的计算模型，应用计算流体动力学软件FLUENT对不同粉嘴参数出射的粉末流浓度进行了模拟，分析了粉嘴参数对粉末流浓度及会聚情况的影响，为同轴送粉喷嘴的优化提供了依据。
　　 3.介绍了高斯光束的特性和传播，扩束和会聚以及光学系统设计的要求，提出了光束耦合、聚焦的设计方案，应用光学设计软件ZEMAX对光路进行了模拟优化，得到了像差较小的透镜参数。
　　 4.依据优化结果和相关光学、机械设计原理，对机器人工作头的各部分进行了设计。对FANUC机器人的路径规划进行了初步研究，使用机器人仿真软件ROBOGUIDE对机器人工作头的使用进行了模拟。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 激光再制造技术

1.2 激光机器人

1.3 机器人工作头

1.4 本文的主要研究内容

第二章 激光再制造理论基础

2.1 激光的特性

2.2 激光熔覆

2.3 激光同轴送粉粉末流物理模型

第三章 激光机器人工作头粉嘴流场的数值模拟

3.1 两相流的基本概念

3.1.1 固体颗粒的粒径和平均粒径

3.1.2 介质含量

3.1.3 浓度、密度、混合比

3.1.4 松弛过程

3.1.5 稀相和密相

3.2 气固两相流计算模型

3.3 FLUENT简介

3.4 计算过程

3.4.1 网格的划分

3.4.2 网格的检查和调整

3.4.3 选择计算模型及边界条件

3.4.5 求解

3.5 数值模拟结果与讨论

3.5.1 不同出粉缝宽

3.5.2 不同粉腔倾角

3.5.3 不同通光半径

3.5.4 小结

第四章 激光机器人工作头光学系统的设计

4.1 激光的传输

4.1.1 激光器

4.1.2 激光的透镜变换

4.1.3 激光的q参数变换规律

4.1.4 光纤

4.1.5 激光与光纤的耦合

4.2 光学系统设计的要求

4.2.1 光学系统设计概述

4.2.2 光学系统的像差

4.2.3 光学系统的成像质量

4.3 光学系统的总体设计

4.3.1 光纤耦合输入输出系统

4.3.2 聚焦系统

4.4 光学系统的仿真

4.4.1 ZEMAX软件简介

4.4.2 光纤耦合输入系统的仿真

4.4.3 光纤耦合输出系统的仿真

4.4.4 聚焦系统的仿真

4.4.5 小结

第五章 激光机器人工作头的设计

5.1 机器人工作头的总体设计

5.2 光机系统的设计

5.3 同轴送粉喷嘴的设计

5.4 机器人工作头与机器人的连接

第六章 激光机器人工作头的运动仿真

6.1 机器人的路径规划

6.1.1 路径规划的一般问题

6.1.2 路径规划的算法

6.2 FANUC机器人

6.2.1 FANUC机器人简介

6.2.1 FANUC机器人的程序

6.3 运动仿真

6.3.1 仿真环境的建立

6.3.2 仿真的实现

6.3.3 小结

第七章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢