一种高速激光熔覆水冷壁管排的装置及方法与流程

本发明属于激光熔覆机器人，涉及一种高速激光熔覆水冷壁管排的装置及方法。

背景技术：

1、由于水冷壁管排轮廓的截面为圆弧和直线组成，因而，沿截面方向激光熔覆时，如果激光熔覆头运动的速度保持恒定，实际上水冷壁表面的熔覆速度是在不断改变。保持熔覆速度恒定的运动速度，对减小水冷壁的残余应力和提升水冷壁表面熔覆质量具有一定促进作用。如果需要在熔覆过程中保持恒定的熔覆速度，则需要控制激光熔覆头运动速度不断改变，不容易控制。

2、现有激光熔覆头的运动装置以工业机器人为主，一些新型的激光熔覆头结构比较复杂，质量都较重，工业机器人末端的负载增加，会使其动态性能和精度下降。然而，激光熔覆头的运动轨迹需要具有较高的定位精度和较好的重复精度。

3、目前，激光熔覆头的运动装置中能实现直线和圆弧交替运动，且运动控制简单，能用于激光熔覆水冷壁管排的装置较为少见。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速激光熔覆水冷壁管排的装置，解决现有激光熔覆机械臂在激光熔覆过程中，当激光熔覆头运动轨迹在直线和弧线间交替变换时，熔覆速度不容易保持恒定，造成熔覆层质量下降和熔覆残余应力增大的问题；基于本发明所述装置，可以实现在激光熔覆过程中始终保持沿激光熔覆面法线方向，且激光熔覆头运动速度在水冷壁管排轮廓的直线和圆弧线部分均容易控制。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高速激光熔覆水冷壁管排的装置，包括激光熔覆头和激光熔覆台，激光熔覆头分别通过第一支链和第二支链与激光熔覆台连接；第一支链包括连接在激光熔覆台上的第十一移动副，第十一移动副依次连接第二连杆和第十二转动副；第十二转动副依次连接第三连杆、第十三转动副、第五连杆和第六连杆；第六连杆通过第十八转动副连接第八连杆；第八连杆第一端安装激光熔覆头，第八连杆的第二端通过第二十六转动副连接第五连杆；第二支链包括连接在激光熔覆台上的第二十一转动副，第二十一转动副连接第十一连杆；第十一连杆通过第二十二转动副连接第九连杆；第九连杆还通过第二十五移动副与第五连杆连接，第十一移动副上连接有移动电机，作为移动驱动副；第二十一转动副或第十二转动副上连接有转动电机，作为转动驱动副，转动驱动副控制熔覆过程中激光熔覆头的弧线移动；移动驱动副控制熔覆过程中激光熔覆头的水平移动，激光熔覆头水平移动时，所述转动驱动副锁定。

3、进一步的，第三连杆依次连接第三十二转动副、第十三连杆、第三十三转动副、第十五连杆、第三十七转动副和第十一连杆；第三连杆还通过第三十一转动副连接第十四连杆；第十三连杆通过第三十三转动副连接第十七连杆，第十四连杆通过第三十四转动副连接第十七连杆；第十七连杆通过第三十六转动副连接第十六连杆；第十一连杆通过第三十八转动副和第十六连杆连接。

4、进一步的，第三十一转动副和第三十二转动副位于第三连杆的延伸段，第三十八转动副和第三十七转动副位于第十一连杆的延伸段。

5、进一步的，第三十一转动副轴线与第三十二转动副轴线的距离、第三十三转动副轴线与第三十四转动副轴线的距离、第三十五转动副轴线与第三十六转动副轴线的距离以及第三十七转动副轴线与第三十八转动副轴线的距离相等；第三十一转动副轴线与第三十四转动副轴线的距离、第三十二转动副轴线与第三十三转动副轴线的距离、第三十五转动副轴线与第三十七转动副轴线的距离以及第三十六转动副轴线与第三十八转动副轴线的距离相等。

6、进一步的，第三十四转动副轴线与第三十六转动副轴线重合；第三十三转动副轴线与第三十五转动副轴线重合。

7、进一步的，与第三连杆平行设置第四连杆，第二连杆通过第十七转动副连接第四连杆，第五连杆通过第十四转动副连接第四连杆，第四连杆通过第十五转动副连接第六连杆，第四连杆通过第十六转动副连接有第七连杆，第七连杆通过第十九转动副连接第八连杆；第七连杆与第六连杆平行；与第十一连杆平行设置第十连杆，第十连杆通过第二十四转动副连接激光熔覆台，第十连杆连接有第二十三转动副，第九连杆通过第二十三转动副连接第十连杆。

8、进一步的，第十二转动副与第十三转动副轴线的距离、第十七转动副与第十四转动副轴线的距离、第二十一转动副与第二十二转动副轴线的距离以及第二十四转动副与第二十三转动副轴线的距离相同。

9、进一步的，第十五转动副轴线与第十八转动副轴线的距离和第十六转动副轴线与第十九转动副轴线的距离相同。

10、基于所述高速激光熔覆水冷壁管排装置，本发明还提供一种激光熔覆方法，当激光熔覆头水平移动时，第二十一转动副处于锁定状态，第十连杆、激光熔覆台、第九连杆、第二十二转动副、第二十一转动副组成的四杆机构处于锁定状态，同时，第三连杆、第五连杆、第二连杆、第十二转动副以及第十三转动副组成的四杆机构处于相对锁定状态；控制第十一移动副向x轴正方向运动，则第五连杆带动第八连杆，沿坐标系x轴正方向运动，此时激光熔覆头进行水冷壁直线段激光熔覆；

11、当激光熔覆头进行一维转动时，第十一移动副处于锁定状态，驱动第二十一转动副或第十二转动副绕z轴转动，第五连杆做圆弧移动，第二十五移动副锁定，第五连杆通过第二十六转动副和第十八转动副将运动传导至第八连杆和激光熔覆头，实现激光熔覆头弧形移动。

12、进一步的，激光熔覆头水平移动时，第十一连杆、第二十三转动副以及第二十四转动副处于锁定状态；第四连杆、第十四转动副以及第十七转动副处于锁定状态；

13、激光熔覆头进行一维转动时，第十三连杆和第十四连杆保持平行，且相对于z轴转动，第十五连杆和第十六连杆保持平行，同时相对于z轴转动；第十一连杆与第十连杆保持平行且相对z轴转动，第三连杆和第四连杆保持平行且相对z轴转动。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、本发明中驱动激光熔覆头运动的装置，能实现直线和圆弧交替运动，该装置具有两个自由度，可以实现一维的直线移动和转动，上述两个运动分别使用两个电机进行独立控制；激光熔覆头的直线运动速度通过一个电机进行控制，且当激光熔覆头对水冷壁管排圆柱表面进行熔覆时，沿水冷壁管排圆周方向，通过绕水冷壁管轴线按设定速度转动，通过另一个电机进行控制。从而使得水冷壁表面激光熔覆速度在直线运动轨迹和圆弧运动轨迹下均可以保持较好的速度稳定性和可控性，由于控制过程较为简单，使得水冷壁熔覆过程熔覆速度容易控制，熔覆质量提升；本发明装置中一维直线移动和一维转动驱动均布置在激光熔覆台上，避免目前串联工业机器人将驱动布置在运动的机械臂上，存在增大机械臂的惯性，降低装置运动性能的问题。在驱动副需要具有较大功率时，不需要增大驱动电机的质量，能够避免大幅降低整个装置的运动性能，因而，本装置可以适用于激光熔覆头结构复杂、且质量较大时的激光熔覆场景。

技术特征：

1.一种高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，包括激光熔覆头(12)和激光熔覆台(1)，激光熔覆头(12)分别通过第一支链和第二支链与激光熔覆台(1)连接；第一支链包括连接在激光熔覆台(1)上的第十一移动副(111)，第十一移动副(111)依次连接第二连杆(2)和第十二转动副(112)；第十二转动副(112)依次连接第三连杆(3)、第十三转动副(113)、第五连杆(5)和第六连杆(6)；第六连杆(6)通过第十八转动副(118)连接第八连杆(8)；第八连杆(8)第一端安装激光熔覆头(12)，第八连杆(8)的第二端通过第二十六转动副(126)连接第五连杆(5)；第二支链包括连接在激光熔覆台(1)上的第二十一转动副(121)，第二十一转动副(121)连接第十一连杆(11)；第十一连杆(11)通过第二十二转动副(122)连接第九连杆(9)；第九连杆(9)通过第二十五移动副(125)与第五连杆(5)连接，第十一移动副(111)上连接有移动电机，作为移动驱动副；第二十一转动副(121)或第十二转动副(112)上连接有转动电机，作为转动驱动副，转动驱动副控制熔覆过程中激光熔覆头(12)的弧线移动；移动驱动副控制熔覆过程中激光熔覆头(12)的水平移动，激光熔覆头(12)水平移动时，所述转动驱动副锁定。

2.根据权利要求1所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，第三连杆(3)依次连接第三十二转动副(132)、第十三连杆(13)、第三十三转动副(133)、第十五连杆(15)、第三十七转动副(137)和第十一连杆(11)；第三连杆(3)还通过第三十一转动副(131)连接第十四连杆(14)；第十三连杆(13)通过第三十三转动副(133)连接第十七连杆(17)，第十四连杆(14)通过第三十四转动副(134)连接第十七连杆(17)；第十七连杆(17)通过第三十六转动副(136)连接第十六连杆(16)；第十一连杆(11)通过第三十八转动副(138)和第十六连杆(16)连接。

3.根据权利要求2所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，第三十一转动副(131)和第三十二转动副(132)位于第三连杆(3)的延伸段，第三十八转动副(138)和第三十七转动副(137)位于第十一连杆(11)的延伸段。

4.根据权利要求2所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，第三十一转动副(131)轴线与第三十二转动副(132)轴线的距离、第三十三转动副(133)轴线与第三十四转动副(134)轴线的距离、第三十五转动副(135)轴线与第三十六转动副(136)轴线的距离以及第三十七转动副(137)轴线与第三十八转动副(138)轴线的距离相等；第三十一转动副(131)轴线与第三十四转动副(134)轴线的距离、第三十二转动副(132)轴线与第三十三转动副(133)轴线的距离、第三十五转动副(135)轴线与第三十七转动副(137)轴线的距离以及第三十六转动副(136)轴线与第三十八转动副(138)轴线的距离相等。

5.根据权利要求2所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，第三十四转动副(134)轴线与第三十六转动副(136)轴线重合；第三十三转动副(133)轴线与第三十五转动副(135)轴线重合。

6.根据权利要求1所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，与第三连杆(3)平行设置第四连杆(4)，第二连杆(2)通过第十七转动副(117)连接第四连杆(4)，第五连杆(5)通过第十四转动副(114)连接第四连杆(4)，第四连杆(4)通过第十五转动副(115)连接第六连杆(6)，第四连杆(4)通过第十六转动副(116)连接有第七连杆(7)，第七连杆(7)通过第十九转动副(119)连接第八连杆(8)；第七连杆(7)与第六连杆(6)平行；与第十一连杆(11)平行设置第十连杆(10)，第十连杆(10)通过第二十四转动副(124)连接激光熔覆台(1)，第十连杆(10)连接有第二十三转动副(123)，第九连杆(9)通过第二十三转动副(123)连接第十连杆(10)。

7.根据权利要求6所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，第十二转动副(112)与第十三转动副(113)轴线的距离、第十七转动副(117)与第十四转动副(114)轴线的距离、第二十一转动副(121)与第二十二转动副(122)轴线的距离以及第二十四转动副(124)与第二十三转动副(123)轴线的距离相同。

8.根据权利要求6所述的高速激光熔覆水冷壁管排的装置，其特征在于，第十五转动副(115)轴线与第十八转动副(118)轴线的距离和第十六转动副(116)轴线与第十九转动副(119)轴线的距离相同。

9.基于权利要求1-8任一项所述高速激光熔覆水冷壁管排的装置的激光熔覆方法，其特征在于，当激光熔覆头(12)水平移动时，第二十一转动副(121)处于锁定状态，第十连杆(10)、激光熔覆台(1)、第九连杆(9)、第二十二转动副(122)、第二十一转动副(121)组成的四杆机构处于锁定状态，同时，第三连杆(3)、第五连杆(5)、第二连杆(2)、第十二转动副(112)以及第十三转动副(113)组成的四杆机构处于相对锁定状态；控制第十一移动副(111)向x轴正方向运动，则第五连杆(5)带动第八连杆(8)，沿坐标系x轴正方向运动，此时激光熔覆头(12)进行水冷壁直线段激光熔覆；

10.根据权利要求9所述的激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆头(12)水平移动时，第十一连杆(11)、第二十三转动副(123)以及第二十四转动副(124)处于锁定状态；第四连杆(4)、第十四转动副(114)以及第十七转动副(117)处于锁定状态；

技术总结本发明公开一种高速激光熔覆水冷壁管排的装置及方法，所述装置包括激光熔覆头、激光熔覆台以及连接在激光熔覆台上的第十一移动副和第二十一转动副，第十一移动副依次连接第二连杆和第十二转动副；第十二转动副依次连接第三连杆、第十三转动副、第五连杆和第六连杆；第六连杆通过第十八转动副连接第八连杆；第八连杆分别激光熔覆头和第五连杆；第二十一转动副连接第十一连杆；第十一连杆通过第二十二转动副连接第九连杆；第九连杆通过第二十五移动副连接第五连杆，第十一移动副连接移动电机；第二十一转动副或第十二转动副上连接转动电机，使得水冷壁表面激光熔覆速度在直线运动轨迹和圆弧运动轨迹下均保持可控的速度。技术研发人员：李勇,刘福广,刘刚,常哲,杨二娟,王艳松,韩天鹏,张周博,孙睿,黎俊良受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/1