專利名稱：基于管道機器人技術的細長管內表面激光強化處理裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及表面處理裝置，尤其是激光加工設備領域中的實現細長管內表面激光
相變硬化的一種基于管道機器人的細長管內表面激光強化處理裝置。
背景技術：
目前對金屬細長管內表面的激光強化方法之一為相變硬化處理，用激光對長管內 表面進行硬化處理具有一些突出的優點。 已有細長管工件內表面激光強化處理裝置主要運用C02激光器，通過對光束準 直、擴束、限束，并通過位于管內的反射聚焦光學系統聚焦，通過激光淬火機床裝夾旋轉工 件，對管材內表面進行強化處理，該設備裝置復雜，占用空間大，需要大型激光淬火機床作 為加工裝置，同時需要有水箱冷卻系統對反射鏡頭進行冷卻。
發明內容
本發明目的在于克服已有技術的缺點，為了提供適合細長管內表面激光相變硬化
處理的簡單設備與方法，將激光表面熱處理技術和管道機器人技術相結合，采用金屬材料
對其吸收率較高的YAG固體激光器和新型管道機器人，以及光纖導光系統和計算機控制系
統。用光纖導光對管材內表面進行強化處理，以此來提高細長管內表面在各種情況下的硬
度、耐磨性、疲勞強度、耐蝕性。本發明克服了目前管材內表面激光硬化處理系統的缺點，具
有結構簡單、操作方便、硬化處理效果好、適用于各種復雜工況的優點。 本發明提供的用于管材內表面激光相變硬化裝置如圖2、圖3、圖4所示包括YAG
固體激光器、光纖導光系統、管內爬行機器人及計算機控制系統。
其特征在于 YAG固體激光器的光學聚焦系統由激光器2、光纖3、激光聚焦頭6、激光反射鏡7 組成，其中激光聚焦頭6安裝在管道爬行機器人5的內部層12上，隨管道爬行機器人5的 運動方向移動，激光反射鏡7固定在管道爬行機器人5的中間層14上，可以實現轉動。
管材內表面激光強化處理的執行機構由管道爬行機器人5完成，其包括外包層9、 中間層14、內部層12、行走機構10等組成部分，采用軸承組合，實現靈活、可靠的中間層14 轉動、外包層9和內部層12固定的功能；其行走機構10安裝在外包層9與內部層12上，其 包括交流伺服電機15、諧波減速器16、蝸輪-蝸桿機構17、平行輪系支撐臂18、驅動輪11 以及張緊機構19，由兩組三輪行走機構10形成內部定心及管道爬行機器人5的行走運動； 中間層14包括步進電機7、激光反射鏡6和步進電機驅動齒輪軸系8，通過步進電機7驅動 激光反射鏡6的旋轉完成對管材內表面的激光強化處理。激光聚焦頭13安裝在內部固定 層中央，與行走機構10同步運動，并由行走驅動輪11保持定心。 整體運動的控制由計算機1來完成，計算機可對交流伺服電機15和步進電機7的 驅動電源進行參數設置和修改，并可監視交流伺服電機15驅動電源的工作狀態。計算機通 過檢測交流伺服電機15上的光電碼盤的輸出信號，檢測電機轉速的穩定性，并可進行機器
3人的位置檢測。 本發明的積極效果 采用YAG激光對金屬進行相變硬化處理時不需要對工件進行表面預處理，熱作用 時間短，冷卻速度很快，溫度梯度很大，所以處理層硬度很高，消耗的激光能量少，熱變形 小。 采用軸承組合，從技術上解決了機器人運行系統與激光導光系統的協調運動問 題，通過鎖緊螺母鎖定位置實現了激光反射鏡與激光聚焦器距離可調。 管內作業機器人設計體積小、運行精度高、驅動力大、運行可靠，其輪式行走機構 具有結構簡單、行走平穩、速度快、可靠性高和行走效率高等優點，在結構上保證了可靠的 自定心性，保證在運行時不出現爬行、卡住不動等現象。 根據激光表面硬化的特點，機器人的控制主要有速度控制和位置控制。對速度的 控制影響表面硬化層的物理性能，如表面硬度、硬化層深度和金相組織等，不同尺寸和不同 材料的管材所需要的處理速度不同。對位置的控制主要為了對內表面磨損不均勻的管材進 行變參數處理，如油田抽油泵泵筒在工作過程中由于活塞在泵筒內是非勻速運行，至使泵 筒整個內表面磨損不均勻，因此，在對泵筒內表面進行激光硬化處理時，磨損快的區段激光 硬化處理速度需慢一些，而磨損較慢的區段則可加快處理速度。
圖1是本發明的原理示意圖； 圖2是管材內表面激光強化處理管道機器人原理示意圖；
圖3是行走機構示意圖，說明書摘要附圖采用圖2。
其中 l-計算機、2-YAG固體激光器、3-光纖、4-工件、5—管道爬行機器人、6-激光反射 鏡、7_步進電機、8-步進電機驅動齒輪軸系、9-外包層、10-行走機構、ll-驅動輪、12-內部 固定層、13_激光聚焦頭、14-中間層、15—交流伺服電機、16—諧波減速器、17—蝸輪-蝸 桿機構、18-平行輪系支撐臂、19一撥盤式從動輪張緊結構。
具體實施例方式
按圖1-3制作一臺細長管內表面激光強化處理裝置。該裝置包括固體連續激光器 2、通過光纖3導光輸出，并固定于管道機器人內部固定層上面的聚焦頭聚焦到固定于中間 層上的激光反射鏡上，對管道內表面進行強化處理加工。 本發明的基于管道機器人的細長管內表面激光強化處理裝置，包括YAG固體激光 器2、光纖導光系統、管內爬行機器人5及計算機控制系統，YAG固體激光器2的光學聚焦系 統由激光器、光纖3、激光聚焦頭、激光反射鏡6組成，其中激光聚焦頭安裝在管道爬行機器 人內部固定層上，隨管道爬行機器人的運動方向移動，激光反射鏡6固定在管道爬行機器 人的中間層上，管材內表面激光強化處理的執行機構由管道爬行機器人完成，其包括外包 層9、中間層14、內部固定層12、行走機構IO部分，通過軸承聯結實現三層面各自的回轉運 動；其行走機構10安裝在外包層9與內部固定層12上，其包括交流伺服電機15、諧波減速 器16、蝸輪-蝸桿17機構、平行輪系支撐臂18、驅動輪以及張緊機構，由兩組三輪行走機構
4形成內部定心及管道爬行機器人的行走運動；中間層14包括步進電機7、激光反射鏡和步
進電機驅動齒輪軸系，通過步進電機驅動激光反射鏡的旋轉完成對管材內表面的激光強化
處理。激光聚焦頭安裝在內部固定層12中央，與行走機構10同步運動，并由行走驅動輪保
持定心，整體運動的控制由計算機來完成，以對強化處理的速度及機器人的位置進行控制。
管道爬行機器人激光反射鏡與激光聚焦器距離可調，通過鎖緊螺母鎖定位置。 本發明的工作原理 工作時被處理的管材4放置不動，激光器2產生激光，通過光纖3將激光導入管 內，并通過聚焦頭13使激光聚焦，聚焦頭由步進電機7驅動齒輪軸系8傳動，采用中間層14 轉動、內部層12固定的機構，激光聚焦頭13放置在內層孔中，固定不動，而激光反射鏡6和 中間旋轉層14相連，齒輪軸系8將轉動傳到反射鏡座上，帶動激光反射鏡6旋轉，從而完成 隨管道爬行機器人行走機構10直進的同時，激光反射鏡6回轉的工藝要求，由反射鏡將聚 焦后的激光照射到管內表面上，完成對整個管壁的硬化處理。 管材內表面激光強化處理的執行機構一管道爬行機器人5采用了雙電機驅動系 統。選用小直徑高轉速的交流伺服電機15+諧波減速器16—體化結構作為動力源，采用蝸 輪-蝸桿機構17加平行輪系支撐臂18傳動機構，將交流伺服電機15的周向運動轉變為管 道爬行機器人行走機構10的直進運動。輪式的行走機構10能夠保證機器人有很好的定心 性、運動的平穩性和好的越障能力，內置的撥盤式可調張緊力彈簧張緊結構19解決從動輪 張緊力問題。另一個步進電機7用來驅動激光反射鏡6旋轉，最終使得激光在管內的掃描 軌跡為螺旋線前進方式。 管道爬行機器人5的運動和激光反射鏡6的回轉以及激光器2的起停都是由計算 機1控制，實現激光掃描速度和機器人運動位置的自動控制。
權利要求
一種基于管道機器人的細長管內表面激光強化處理裝置，包括YAG固體激光器(2)、光纖導光系統、管內爬行機器人(5)及計算機控制系統，其特征在于YAG固體激光器(2)的光學聚焦系統由激光器、光纖(3)、激光聚焦頭、激光反射鏡(6)組成，其中激光聚焦頭安裝在管道爬行機器人內部固定層上，隨管道爬行機器人的運動方向移動，激光反射鏡(6)固定在管道爬行機器人的中間層上，管材內表面激光強化處理的執行機構由管道爬行機器人完成，其包括外包層(9)、中間層(14)、內部固定層(12)、行走機構(10)部分，通過軸承聯結實現三層面各自的回轉運動；其行走機構(10)安裝在外包層(9)與內部固定層(12)上，其包括交流伺服電機(15)、諧波減速器(16)、蝸輪-蝸桿(17)機構、平行輪系支撐臂(18)、驅動輪以及張緊機構，由兩組三輪行走機構形成內部定心及管道爬行機器人的行走運動；中間層(14)包括步進電機(7)、激光反射鏡和步進電機驅動齒輪軸系，通過步進電機驅動激光反射鏡的旋轉完成對管材內表面的激光強化處理。
2. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述激光聚焦頭安裝在內部固定層(12) 中央，與行走機構(10)同步運動，并由行走驅動輪保持定心，整體運動的控制由計算機來 完成，以對強化處理的速度及機器人的位置進行控制。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的管道爬行機器人激光反射鏡與激 光聚焦器距離可調，通過鎖緊螺母鎖定位置。
全文摘要
一種基于管道機器人的細長管內表面激光強化處理裝置，包括YAG固體激光器(2)、光纖導光系統、管內爬行機器人(5)及計算機控制系統，利用管道機器人帶動光纖導光系統對管材內表面進行強化處理，以此來提高細長管內表面在各種情況下的硬度、耐磨性、疲勞強度、耐蝕性。采用輪式行走機構的管道爬行機器人在結構上保證了可靠的自定心性，保證在運行時不出現爬行、卡住不動等現象。
文檔編號C21D9/08GK101787424SQ20101010206
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者楊立軍, 王懋露, 王揚, 鄧宗全 申請人:哈爾濱工業大學