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随着制造业的高速发展,对工业产品的表面质量及机械性能的要求越来越高。等离子束表面强化技术以其成本低、效率高、易维护等特点成为材料表面热处理的重要技术手段。利用关节型机器人的运动灵活性将工业机器人技术与等离子技术相结合实现大型零件的平面、外圆面或曲面的全表面强化过程是本文的主要研究内容。本文首先采用D-H法针对IRB4600工业机器人进行运动学分析,构建机器人数学模型,建立机器人运动学方程。推导出机器人雅克比矩阵分析了机器人奇异位形,获得了机器人在等离子束全表面加工过程中的轨迹路径、速度、加速度等运动特性。针对加工过程中等离子枪体相对工件表面的姿态要求,运用Robot studio软件对机器人强化轨迹进行运动学仿真研究,模拟等离子束表面强化及加工过程,通过仿真结果验证设定轨迹的稳定性和可行性,为等离子束表面强化试验提供理论基础。由于等离子束温度高并且加工过程具有快速升温冷却的特点,直接测量工件的实时温度较为困难。本文运用有限元软件ANSYS APDL,设定初始条件与材料热物性参数,建立等离子束表面强化过程中的瞬态温度场,获得温度场分布云图。重点研究了等离子束电弧功率、扫描速度工艺参数对其瞬态温度场变化的影响,以及不同工艺参数对硬化层深度和宽度的影响。得出了工艺参数的影响规律、工件表面变化规律及硬化层的分布规律。最后根据数值模拟确定的等离子束扫描速度、电弧功率参数制定试验方案,采用IRB4600工业机器人与飞马特等离子淬火系统针对45号钢材料工件表面进行全表面强化。表面强化试验结果表明,运用等离子束表面强化技术处理后的工件表面硬度得到明显提升达42HRC以上,提高了工件的耐磨性。试验过程验证了运用六轴机器人技术与等离子束表面强化结合的对大型工件与复杂曲面工件的可行性。