CN104988497B - 面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法，包括如下步骤：在曲线平面中建立坐标系XOY，根据曲线的特点，在X方向以相等的宽度将工件表面的母线曲线AB离散，计算离散长度；S2、将曲线的方程表示函数形式Y＝f(X)；S3、假设根据平面上的工艺试验，激光离焦量为H，确定激光焦点移动路径上的插补点坐标；S4、将激光姿态设置为光束垂直于零件转轴方向，即垂直于X方向；S5、计算激光束与粉末流对工件表面扫描的速度。本发明使用方便，轨迹规划精确度高，便于推广。

Description

面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及轨迹规划领域，具体涉及一种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法。

背景技术

目前对于该技术的研究和工程应用主要集中于平面类、圆柱轴类、简单变截面轴类等工件。对于复杂曲线的轨迹规划研究较少。比如图1为某工件的零件图，其中曲线AB是需要熔覆工件表面的一段母线。

因为激光熔覆工艺本身存在一定的特殊性，激光束的轨迹规划、粉末流的规划，以及光粉配合规律在曲线轨迹上存在的变化都没有相关的理论和实验结论做为轨迹规划的指导，所以对于这个问题研究有着重要的实际意义。

回转体表面的激光熔覆的基本原理为：一般情况下，在激光熔覆过程中工具(激光束)需要沿工件表面的螺旋线轨迹做扫描运动。为实现该轨迹将激光束的运动分解为工件绕主轴OO′转动和激光束沿圆弧AB扫描两种分运动，且两运动满足一定数学关系。其中激光束沿圆弧AB扫描的运动会影响激光的离焦量、搭接量等重要激光熔覆工艺参数，从而决定了激光熔覆质量。所以需要仔细进行轨迹规划。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法，包括如下步骤：

S1、在曲线平面中建立坐标系XOY，根据曲线的特点，在X方向以相等的宽度将工作表面的母线曲线AB离散，设离散长度为ΔX，

ΔX＝(1-ω％)L (1)；

式中，L：单道熔覆宽度；ω％：熔覆搭接率；

S2、将曲线的方程表示函数形式Y＝f(X)，则曲线上离散的第i点的Y_i轴坐标：Y_i＝f(X_i)；那么，

ΔY_i＝Y_i-Y_i-1＝f(X_i)-f(X_i-1)＝f(X_i-1+ΔX)-f(X_i-1) (2)；

式中，ΔY_i：在第i步进给时，圆弧上第i点在Y方向的增量；

S3、假设根据平面上的工艺试验，激光离焦量为H，那么激光焦点移动路径上的插补点坐标写成：

插补起点：K₀(X₀,Y₀+H)；该点由对光得到；

插补第1点：K₁(X₀+ΔX,Y₀+ΔY₁+H)；

插补第2点：K₂(X₀+2ΔX,Y₀+ΔY₁+ΔY₂+H),或者K₂(X₀+2ΔX,Y₁+ΔY₂+H)；

……

插补第i点：K_i(X₀+iΔX,Y_i-1+ΔY_i+H)；

S4、将激光姿态设置为光束垂直于零件转轴方向，即垂直于X方向；

S5、通过以下步骤计算激光束与粉末流对工件表面扫描的速度：

如果由工艺试验确定的激光扫描速度为Vmm/s，那么激光在工件某截面圆周方向完成一周的扫描所需时间：

式中，D_i：工件第i个离散点处截面的圆周直径；

所以工件在该过程中的旋转角速度：

激光在沿曲线方向的速度：

把(3)式带入(5)式得到：

本发明具有以下有益效果：使用方便，轨迹规划精确度高，便于推广。

附图说明

图1为某工件的零件图；

图中，曲线AB是需要熔覆工件表面的一段母线。

图2为本发明实施例中激光焦点移动路径上的插补点。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法，包括如下步骤：

S1、如图2所示，曲线AB为图1所示工件表面的母线。在曲线平面中建立坐标系XOY，根据曲线的特点，在X方向以相等的宽度将工作表面的母线曲线AB离散，设离散长度为ΔX，

ΔX＝(1-ω％)L (1)；

式中，L：单道熔覆宽度；ω％：熔覆搭接率；

S2、将曲线的方程表示函数形式Y＝f(X)，则曲线上离散的第i点的Y_i轴坐标：Y_i＝f(X_i)；那么，

ΔY_i＝Y_i-Y_i-1＝f(X_i)-f(X_i-1)＝f(X_i-1+ΔX)-f(X_i-1) (2)；

式中，ΔY_i：在第i步进给时，圆弧上第i点在Y方向的增量；

S3、根据激光熔覆工艺要求，激光焦点在任何情况下离焦量不能发生变化或者发生很微小变化(与焦深相关)。所以当激光光斑照射曲线上第i点时，激光离焦量需要在Y方向变化ΔY_i。因为在控制激光束扫描路径时，通常是通过控制聚焦镜(激光头)的移动路径实现的。也可以理解为通过控制激光焦点移动的路径。假设根据平面上的工艺试验，激光离焦量为H，那么图2上激光焦点移动路径上的插补点坐标可以写成：

插补起点：K₀(X₀,Y₀+H)；该点由对光得到；

插补第1点：K₁(X₀+ΔX,Y₀+ΔY₁+H)；

插补第2点：K₂(X₀+2ΔX,Y₀+ΔY₁+ΔY₂+H),或者K₂(X₀+2ΔX,Y₁+ΔY₂+H)；

……

插补第i点：K_i(X₀+iΔX,Y_i-1+ΔY_i+H)；

S4、激光姿态设置为光束垂直于零件转轴方向，即垂直于X方向。

S5、计算激光束与粉末流对工件表面扫描的速度，就是通常所谓的激光熔覆速度。该速度是激光熔覆过程中一项重要工艺参数。该速度的确定通常需要由对平面样件的工艺试验确定。对于上文涉及的工件的熔覆运动分解为零件绕X轴的转动和激光沿曲线的运动。

如果由工艺试验确定的激光扫描速度为Vmm/s，那么激光在工件某截面圆周方向完成一周的扫描所需时间：

式中，D_i：工件第i个离散点处截面的圆周直径；

所以工件在该过程中的旋转角速度：

激光在沿曲线方向的速度：

把(3)式带入(5)式得到：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.面向复杂回转体表面的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在曲线平面中建立坐标系XOY，根据曲线的特点，在X方向以相等的宽度将工作表面的母线曲线AB离散，设离散长度为ΔX，

ΔX＝(1-ω％)L (1)；

式中，L：单道熔覆宽度；ω％：熔覆搭接率；

S2、将曲线的方程表示函数形式Y＝f(X)，则曲线上离散的第i点的Y_i轴坐标：Y_i＝f(X_i)；那么，

ΔY_i＝Y_i-Y_i-1＝f(X_i)-f(X_i-1)＝f(X_i-1+ΔX)-f(X_i-1) (2)；

式中，ΔY_i：在第i步进给时，圆弧上第i点在Y方向的增量；

S3、假设根据平面上的工艺试验，激光离焦量为H，那么激光焦点移动路径上的插补点坐标写成：

插补起点：K₀(X₀,Y₀+H)；该点由对光得到；

插补第1点：K₁(X₀+ΔX,Y₀+ΔY₁+H)；

插补第2点：K₂(X₀+2ΔX,Y₀+ΔY₁+ΔY₂+H),或者K₂(X₀+2ΔX,Y₁+ΔY₂+H)；

……

插补第i点：K_i(X₀+iΔX,Y_i-1+ΔY_i+H)；

S4、将激光姿态设置为光束垂直于零件转轴方向，即垂直于X方向；

S5、通过以下步骤计算激光束与粉末流对工件表面扫描的速度：

如果由工艺试验确定的激光扫描速度为Vmm/s，那么激光在工件某截面圆周方向完成一周的扫描所需时间：

式中，D_i：工件第i个离散点处截面的圆周直径；

所以工件在该过程中的旋转角速度：

激光在沿曲线方向的速度：

把(3)式带入(5)式得到：