中國報告大廳網訊，在2025年，雷射熔覆行業展現出蓬勃發展的態勢，其在製造業中的應用愈發廣泛且深入。特別是在複雜零件的加工領域，雷射熔覆技術憑藉其獨特優勢，正不斷推動著行業的技術革新與升級。船舶螺旋槳葉片作為船舶推進系統的關鍵部件，對其進行雷射熔覆處理對於提升船舶性能至關重要，而合理的熔覆路徑規劃則是實現高質量雷射熔覆的核心環節。
船舶螺旋槳是船舶推進系統的核心組件，其工作原理是通過槳葉與水的相互作用，將發動機的旋轉動力轉化為船舶前進的推力。在實際運行中，螺旋槳葉片長期處於複雜惡劣的水環境中，承受著腐蝕、磨損等多種損害，這嚴重影響了其性能和使用壽命。為了提升葉片的性能與耐用性，雷射熔覆技術成為一種極具潛力的解決方案。雷射熔覆能夠在葉片表面熔覆一層具有特殊性能的材料，增強葉片的耐磨性、耐腐蝕性等，從而延長葉片的使用壽命，提高船舶的運行效率。
為了深入研究船舶螺旋槳葉片的雷射熔覆路徑規劃，需要準備合適的樣件。團隊精確提取船舶螺旋槳葉片的主要參數，並藉助加工中心將葉片部分製作成專用樣件，作為後續熔覆路徑研究的關鍵試驗載體。樣件的材料選用 45# 鋼，這種材料具有一定的強度和韌性，能夠較好地模擬實際螺旋槳葉片的工作條件，為雷射熔覆試驗提供可靠的基礎。
NURBS 曲面擬合是將離散點雲數據轉化為連續曲面的重要方法。其基本原理是藉助控制點和權重來確定曲面形狀，通過最小化離散點雲數據與擬合曲面之間的距離，精準確定控制點和權重。在雷射熔覆工藝研究中，採用分段有理多項式中的雙三次 NURBS 擬合曲面，這種方式既能保證曲面的精確性，又能有效降低計算量，為後續的雷射熔覆路徑規劃提供良好的模型基礎。
明確擬合曲面的階數以及控制點個數，這是構建擬合模型的基礎參數設定。
對控制點位置和權重進行初始化，為後續的優化計算提供起始條件。
仔細計算每個離散點到曲面的距離，這是評估擬合效果的關鍵指標。
通過反求控制點，不斷優化擬合曲面，使其更貼合離散點雲數據，從而得到精確的 NURBS 曲面模型。
切片原因：NURBS 曲面是連續且非線性的，直接進行路徑規劃難度較大。因此，需要將其切片為一定數量的切片面，以便於後續處理。
切片算法：綜合運用解析法、離散法、疊代法等多種曲面求交算法，實現對 NURBS 曲面的切割與分割。具體實施步驟為，首先採用節點插入法分割曲面，求出初始交點;然後通過疊代將初始交點精確化為最終交點，並追蹤交線，完成曲率切片，從而得到熔覆軌跡，為後續的雷射熔覆路徑規劃提供重要依據。
在雷射熔覆加工過程中，提前規劃好雷射器的運動軌跡至關重要。結合雷射器的有效加工弓高誤差，對葉片的點雲數據進行減薄處理，生成符合要求的熔覆數據點。這樣做不僅可以避免對每個點進行插補加工，大幅提高加工效率，還能降低熔覆的比能量和稀釋率，確保熔化層的成分和功能不受損害，保證雷射熔覆的質量。
為了提高雷射熔覆效率，在整個葉片熔覆過程中，要確保雷射束與表面加工點的法向量始終在一條直線上，使雷射照射到加工點的面積最小化。通過計算得到每個插補點的法向量，從而準確確定雷射器在加工時的位置，為後續生成精確的雷射熔覆路徑奠定基礎。每條熔覆軌跡上加工處理點的法向量對於保證雷射熔覆的質量和效率起著關鍵作用。
通過前面的步驟，分別確定了各熔道的軌跡定位和加工點法向量，進而得到葉片各熔道加工點的坐標(x,y,z,ax,ay,az)，由此能夠精確確定雷射器的定位和姿態。在確定雷射器頭部噴口與工件表面的加工距離後，採用偏置方法確定雷射器的運動軌跡。具體而言，根據曲面上加工點集Pi的法向量朝向ni，偏置一定距離τ，計算出對應的偏置點集Si=Pi+τ∥ni∥ni。雷射器的位置和姿態信息包含在該式中，利用此式可解決整個平面部件上的插值點問題，生成雷射器的一組移動點集(xi,yi,zi,axi,ayi,azi),i=1,2,3,⋯，進一步生成機械臂的動作編碼。在實際生產中，通常需要將軌跡沿曲線塊方向擴展到特定位置，對每個軌跡的轉角點進行曲線過渡處理，以減少雷射器突變轉動引起的機械前端震動，防止在方向變化時形成積瘤，確保葉片雷射熔覆的質量。最終得到曲面葉片樣件雷射熔覆過程中雷射器的運動路徑及姿態。
《2025-2030年中國雷射熔覆行業發展趨勢分析與未來投資研究報告》指出，運用 D - H 參數法，可將機械臂的運動學問題轉化為便於計算的數學模型，實現對機械臂的軌跡規劃和控制。從連杆坐標系j−1到坐標系j的變換可表示為Tjj−1=R(z,θj)T(z,dj)T(x,aj)R(x,αj)，其中θj為關節角，dj為連杆偏移量，aj為連杆長度，αj為連杆扭轉角。由此可推導出相鄰連杆之間位姿變換矩陣Tjj−1的通式。機器人末端執行器相對於基坐標系的齊次變換矩陣則通過多個相鄰連杆位姿變換矩陣的連乘得到。
選用 FANUC Robot - 2000iB/210F 機器人進行研究，其各軸具有特定的運動範圍和最大速度。建立機械臂的 D - H 連杆坐標系，並明確其 D - H 連杆參數。利用 Matlab GUI 和 Matlab 機器人工具箱的功能，對機械臂的正向和反向運動學解決方案的準確性、運動學模型的建立以及機械臂結構設計的邏輯性進行檢查。通過特定的面板，可在虛擬仿真環境中對機械臂的正逆運動進行驗證，並分析其工作空間。例如，輸入初始關節角序列進行正運動學計算驗證，同時利用逆運動學計算模塊獲取機器人手臂在預設姿勢下的多組逆運動學解，再通過對機械臂運動條件的約束，篩選出最優解，充分驗證逆運動學求解的正確性以及多解性。
正運動學求解：將機械臂連杆的參數代入相鄰兩個連杆位姿變換矩陣的通式Tjj−1中，依次計算出每個連杆的位姿變換矩陣，進而得到機械臂末端連杆相對於基坐標的廣義坐標表達式。通過該表達式，可清晰了解機械臂末端在基坐標系中的位姿情況。
逆運動學求解：當已知末端執行器的位置矩陣時，利用相關公式解決各關節角度的反運動學問題。在求解過程中，機械臂逆運動學存在多組解，例如關節角θ1、θ3、θ4都存在兩組可能解，總共可產生八組逆解。通過排除不滿足關節角運動範圍要求的方案，並依據實際操作需求，以機械臂運動行程最短(即所有關節旋轉量最小)和避開極限關節角為評價指標，確定最優逆運動學解。具體通過特定的函數計算，從多組逆解中篩選出一組作為當前位置機械臂的逆運動學解。
為確保機器人手臂運動的一致性和穩定性，採用關節空間軌跡規劃方法。在關節空間軌跡規劃中，常選用三次多項式和五次多項式，其中五次多項式過渡的線性插值軌跡規劃方法能夠實現機器人在關節空間中的平滑、高效、精準運動。其主要步驟包括定義起始點、終止點和過渡點，計算插值參數，進行分段插值以及優化軌跡。在規划過程中，利用機械臂逆運動學求解出起始點和終止點的位姿矩陣，並轉換為相應的關節角序列，通過對關節角序列的優化，得到起始點和終止點對應的最優關節角，採用平滑的五次多項式來表示機械臂運動軌跡，同時根據給定的起始點和終止點的位置、速度和加速度等約束條件，確定多項式中的係數，從而精確描述機械臂在運動軌跡上任意時間點的位置、速度和加速度。
採用 FANUC 機器人進行仿真試驗，利用虛擬環境模擬螺旋槳葉片熔覆軌跡。首先完成機械臂校準，確定一個安全位置點並記錄其坐標和姿態信息。通過修改模擬示教器中的坐標信息，定位到熔覆加工軌跡起點位置，然後按照預先規劃好的熔覆路徑依次前進，同時記錄路徑上所有點的位置和姿態信息，最後將工作坐標復位到安全點位置。完成編程後，對編寫好的程序進行播放路徑仿真，通過觀察機器人的動作、末端軌跡是否符合預定值以及運動路徑是否超程等情況，對程序進行檢查和必要調整，確保機器人能夠準確執行預定任務。完成路徑仿真後，輸出路徑並進行進一步的高級編程，最終得到離線編程程序。在熔覆加工中，除了機械臂的運動控制，還需要對雷射熔覆系統中的保護氣輸送開關、送粉器開關、雷射器開關等其他工作組分進行編程控制，通過機器人編程軟體根據機械臂運動控制程序進行高級編程，實現對整個雷射熔覆系統的全面控制。
為驗證葉片熔覆路徑規劃的合理性，開展螺旋槳葉片熔覆試驗。試驗選用工業機器人 FANUC Robot R - 2000iB/210F，搭配 ZF - CH003A 雷射頭和 Raycus 光纖雷射器 RFL - C2000，葉片熔覆材料為 Fe#1 粉末，並設定了特定的熔覆工藝參數，如雷射功率 1.428kW、掃描速率 6.023mm/s、氣流量 995.487L/h、搭接率 25.875%。通過試驗觀察到，葉片熔覆層表面搭接均勻，未出現開裂和積瘤等宏觀缺陷。經測量，葉片熔覆層表面平整度達到 0.905μm，熔覆效率為 307.589mm³/s，氣孔面積為 0.0451mm²，熔覆層硬度值相比基體提高了 23.65%。這些試驗結果充分驗證了所採用的熔覆路徑規劃方法的正確性與可行性。
在2025年雷射熔覆行業發展的大背景下，本文圍繞船舶螺旋槳葉片雷射熔覆路徑規劃展開了全面深入的研究。通過對葉片進行 NURBS 曲面擬合，基於外形特徵分析規劃熔覆路徑，對機械臂運動學進行分析並優化其路徑規劃，開展仿真試驗以及實際熔覆試驗，成功實現了對船舶螺旋槳葉片雷射熔覆路徑的合理規劃。試驗數據表明，該規劃方法能夠獲得良好的熔覆效果，為船舶螺旋槳葉片的雷射熔覆提供了可靠的技術方案，也為雷射熔覆技術在船舶製造領域的進一步應用和發展奠定了堅實基礎。未來，隨著技術的不斷進步，雷射熔覆在船舶螺旋槳葉片製造與修復中的應用有望更加廣泛和深入，持續推動船舶行業的技術升級與發展。
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