CN105385839A - 一种激光冲击强化自动化控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光冲击强化自动化控制方法，包括以下步骤：根据加工要求在力学分析软件中建立零件的分析模型并得到残余应力分布；将残余应力分布导入CAE分析软件，自动生成作用在零件表面的加工运动轨迹；同时工控机根据激光冲击波压力与激光喷丸工艺参数之间的关系选择激光冲击波压力设定值对应的工艺参数；将加工运动轨迹和工艺参数导入力学分析软件进行仿真得到模拟加工后的应变值；如果应变值在设定范围内，则工控机将工艺参数发送至激光器，并将加工运动轨迹发送至机器人，实现激光的自动加工；本发明能够实现整体叶盘的激光冲击强化，实现残余应力定量的精确控制，有效的提高整体叶盘的使用寿命及抗异物损伤的能力。

Description

一种激光冲击强化自动化控制系统和方法

技术领域

本发明属于金属表面激光强化处理领域，具体地说是一种适合复杂金属零件激光冲击强化自动化控制系统和方法。

背景技术

激光冲击强化作为一种新型的金属表面强化的技术，在诸多技术领域具有广泛的应用前景。该技术能够有效的提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力，相比于现有的冷挤压、喷丸等金属材料表面强化手段，该技术具有非接触、无热影响区、可控性强、强化效果显著、自动化程度高以及绿色无污染等突出优点，自产生之日起就得到了广泛的关注和研究。

国内从20世纪90年代初开始进行激光冲击强化技术的研究，主要是针对一些基础理论进行探索性研究和对各种钢材和铝合金材料进行一些简单试验研究，以及简单的试验装置的开发。目前，尚需研究适合工业推广应用的装置，制定出正确的生产工艺，以及不断探索精确控制激光冲击强化的方法，并对影响冲击后残余应力分布、大小、深度的因素进行系统深入的研究分析。

现如今，国内激光冲击强化技术的产业化刚刚起步并具有良好的研究基础，但要使激光冲击强化技术作为一种成熟的工艺在实际工程中得到广泛的应用。但是，目前对激光冲击强化的研究仅停留在理论水平，很难将其合理的应用于工业生产，自动化生产的能力较低，无法对激光工艺参数进行数字化合理控制，相关的工艺研究以及技术标准也不够完善。因此，提高激光冲击强化设备的效率，降低激光冲击强化成本，已经成为限制激光冲击强化技术发展的技术鸿沟。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的提供一种适合复杂金属零件激光冲击强化自动化控制的系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种激光冲击强化自动化控制方法，包括以下步骤：

1)根据加工要求在力学分析软件中建立零件模型并得到残余应力分布；

2)将残余应力分布导入CAE分析软件，自动生成作用在零件表面的加工运动轨迹；同时工控机根据激光冲击波压力与激光喷丸工艺参数之间的关系选择激光冲击波压力设定值对应的工艺参数；

3)将加工运动轨迹和工艺参数导入力学分析软件进行仿真得到模拟加工后的应变值；

4)如果应变值在设定范围内，则工控机将工艺参数发送至激光器，并将加工运动轨迹发送至机器人，实现激光的自动加工；否则返回至步骤1)，直至应变值在设定范围内为止。

所述根据加工要求在力学分析软件中建立零件模型包括以下步骤：在力学分析软件中输入激光冲击强化性能指标、初始条件、边界条件、材料属性、材料工艺参数以及零件尺寸得到零件模型。

所述工艺参数包括激光能量、激光脉宽、脉冲频率、光斑大小。

一种激光冲击强化自动化控制系统，包括工控机以及通过现场总线与其连接的激光器、机器人；

工控机用于分析零件的残余应力分布、根据残余应力分布得到机器人的加工运动轨迹，同时根据激光冲击波压力选择工艺参数，并将仿真和验证后的加工运动轨迹、工艺参数分别输出至机器人和激光器；

激光器用于根据工控机发送的工艺参数发射激光；

机器人用于根据工控机发送的加工运动轨迹实现零件的激光加工。

所述机器人包括六轴联动的轨迹机器人和三轴联动的送水机器人。

还包括用于视频监视的摄像机，其摄像头与工控机连接。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明涉及成套航空发动机整体叶盘激光冲击强化装备的自动化开放式分布控制系统和方法，实现整体叶盘的激光冲击强化，实现残余应力定量的精确控制，有效的提高整体叶盘的使用寿命及抗异物损伤的能力。

2.本发明能够实现控制的数字化、自动化、实时性，通过工控机/PLC集成控制，现场总线将激光器、轨迹机器人、送水机器人、检测与辅助功能控制连接起来，实现了各环节的信息交换和系统各部件的协同工作，并通过对系统的状态监测避免重要部件重大故障的产生。

3.本发明实现了数据库提取、激光冲击强化模型的建立、加工轨迹自动规划、仿真模型的导入与生成、参数优化策略的制定、工艺参数的选取与优化。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是激光冲击强化装备功能体系图；

图3是激光冲击强化装备软件功能示意图；

图4是激光冲击强化控制系统硬件示意图；

图5是激光冲击强化控制系统机器人轨迹生成流程图；

图6是轨迹代码生成过程示意图；

图7是激光冲击强化流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实现了自动化控制的激光冲击强化可控的操作系统，自行开发的开放式分布控制系统，实现了控制的数字化、自动化、实时性，通过工控机/PLC集成控制，现场总线将激光器、轨迹机器人、送水机器人、实时监控系统连接起来，实现了各环节的信息交换和系统各部件的协同工作，并通过对系统的状态监测避免重要部件重大故障的产生。同时，通过对加工工艺实验数据的记录，实现了激光冲击加工参数优化，采用SQLServer作为后台数据库，采用分布式C/S模式，实现工艺参数的提取、激光冲击强化模型的建立、加工轨迹自动规划、仿真模型的导入与生成、参数优化策略的制定、工艺参数的选取与优化，如图1所示为该控制系统的流程图。

该激光冲击强化控制系统中的硬件系统主要包括激光器、轨迹机器人、送水机器人、工控机；工控机上装有软件系统，主要包括机器人运动轨迹规划软件、加工过程仿真软件、加工过程监控软件和工艺数据库等，软硬件之间的控制关系如图2所示。如图3所示，机器人运动轨迹规划软件采用结构力学CAE分析软件，能够自动生成作用在金属板料表面的加工运动轨迹，通过限定加工区域与光斑搭接率等要求自动得到机器人单点运动轨迹；加工过程仿真软件采用Abaqus有限元模拟软件，能够建立零件模型、模拟加工过程，输入零件模型、受力、工艺等参数输出激光冲击后得到的性能指标，与实际要求进行对比，如果符合技术要求，则采用该工艺生产，若超出允许范围，则需要调整参数重新设定；加工过程监控软件能够实现对加工过程的实时监控，防止加工过程异常情况的出现；工艺数据库包括激光冲击波压力值以及对应的激光器工艺参数；工控机能够实现工艺参数的提取、激光冲击强化模型的建立、加工轨迹自动规划、仿真模型的导入与生成、参数优化策略的制定、工艺参数的选取与优化。通过工控机/PLC集成控制，实现各子系统间的通讯与逻辑控制，操作人员只需通过操作界面就可实现对设备的操作，人机交换控制如图4所示。

面向整体叶盘的激光冲击强化成套装备是通过以下方法实现的：

首先在通用力学分析软件中建立分析模型，根据强化后预期达到的力学效应，得到满足力学性能强化要求的残余应力分布；将上述残余应力分布导入结构力学CAE分析软件，自动生成作用在金属板料表面的加工运动轨迹；根据激光冲击波压力与激光喷丸工艺参数之间的关系式，由计算机控制系统自动选择优化的激光冲击波压力对应的激光冲击强化激光能量、激光脉宽、脉冲频率、光斑大小；通过工控机/PLC集成控制，现场总线将激光器、六轴联动的轨迹机器人、三轴联动的送水机器人、检测与辅助功能控制连接起来，指导激光器及机器人所走轨迹进行激光冲击强化加工。

本控制系统利用Abaqus7.0力学分析软件对航空发动机整体叶盘进行疲劳性能受力分析，输入激光冲击强化性能指标、初始条件、边界条件、材料工艺参数，并调用具有分布式C/S模式的SQLServer后台数据库，构建残余应力分布模型，然后将其导入结构力学CAE分析软件，自动生成作用在金属板料表面的激光冲击波压力及加工运动轨迹。工控机根据计算出来的冲击波压力，根据冲击波压力与激光冲击强化工艺参数之间的函数关系，自动选择并优化激光器的工艺参数(参见表一)，包括激光能量、激光脉宽、脉冲频率、光斑大小；激光通过透镜聚焦，光斑大小通过轨迹机器人距离光斑焦点的位移确定，当工件表面位于焦点处时，光斑最小，约为2mm。利用工控机生成加工信号，经过判别处理后，将优化的工艺参数信号传输给PLC，PLC控制激光器开关和运行；同时，对由轨迹规划形成的各关节角度序列，经运动学正解得到机器人位姿序列，对运动轨迹进行优化，输出轨迹信号，机器人控制柜接受PLC输出的激光冲击强化路径规划轨迹信号，利用离线自动编程的方式生成的程序代码输出PLC并通过局域网络传输给机器人，控制激光冲击的加工轨迹运动和自动聚焦。工控机通过与激光器和机器人的通讯。激光器和机器人在工控机的控制下密切配合，控制激光器光束各项工艺参数和机器人的运动，完成激光冲击加工过程。最后利用Abaqus有限元分析软件平台中的应力应变分析模块，对激光冲击强化压力加载的应力、应变进行误差分析和参数修正，进一步指导激光冲击强化实验，确保在零件表层产生预期的残余应力分布以实现力学性能强化要求。

表一常用材料激光冲击强化工艺参数

该激光冲击强化控制系统采用的激光器是波长为1064nm的激光器，其脉冲宽度为14～20ns，单脉冲能量为5-22J的Nd：YAG固体激光器，激光器的加工频率从单点触发、0.5Hz、1Hz、1.5Hz和2Hz等，激光器配有循环水冷却系统，电源控制柜等设备，能够手动控制激光器的出发与调节参数。该激光器与工控机/PLC集成系统相连，利用工控机接受加工信号，控制并输出激光器的工艺参数，包括激光能量、激光脉宽、脉冲频率、光斑大小。用于产生短脉冲(几十ns)的高峰值功率密度(>10⁹W/cm²)的激光，从而在金属靶材和约束层之间形成等离子体。用来控制激光的输出开关并且在加工面上聚焦成加工所需的高功率密度激光光斑。

激光冲击强化过程的仿真过程是将CAD/CAE数据导入Abaqus模拟软件，利用图形编辑器进行机器人及环境三维集合模型的建立、三维图形快速生成和处理以及机器人作业任务运行和仿真，通过运行运动学模块，生成第一级数据文件，实现轨迹规划，然后对生成的程序代码进行反馈验证，若程序准确无误则进行后置处理，然后通过通讯接口将加工信号传输到机器人的控制柜中，机器人的控制柜控制机械臂完成轨迹规划与激光聚焦。加工过程仿真是对机器人运动轨迹进行仿真验证，为避免轨迹编程误差引起的不必要损失。其方法是通过轨迹仿真系统的作业总体布局，使各机器人到达全部工作点，从而获得机器人、工件和激光器光束的合理布置位置。通过这一总体布局，可以预先自动搜索机器人和工件位置的合理性。

该激光冲击强化控制系统中包含两个机器人，其中一个为轨迹机器人，在激光冲击强化过程中，机器人执行机构使激光束相对于叶盘表面实现曲线轨迹运动，从而实现对航空发动机叶盘叶片指定位置的强化处理；另一个为送水机器人，能够实现在金属靶材上形成厚度约为1～4mm(可调)的均匀稳定的水约束层，将等离子体限制在约束层和金属靶材之间。使用的轨迹机器人为六轴联动的机械臂，采用曲面插补控制实现复杂曲面加工轨迹运行，工控机接收到模拟软件生成的仿真数据，在机械臂控制柜中形成常规的直线和圆弧的插补指令，在加工复杂曲面或曲线时，结合CAD/CAE等造型软件，对复杂曲面进行分段加工，拟合成大量运行轨迹指令，如图5所示，实现循环逼近，对于多维的复杂空间型面，还可采用离线技术提取其型值点，进行样条曲线拟合或拟合分段的有理多项式，采用NURBS插补技术实现加工。通过构建六坐标联动数控运动关系，分析三个直线运动和三个回转运动速度与运动的合成速度对应关系，推导合成速度计算公式，找出其与单坐标速度的对应关系，确定单坐标速度的插补计算公式，实现单点的稳速控制；给予单坐标速度的插补值，推算出六轴运动坐标的插补值，实现六坐标联动控制，确保合成速度的稳定给进，采用这种六轴联动的控制算法，实现机械臂仿真与实际加工测试相结合的加工方法，轨迹代码的生成具体如图6所示。

加工数据实时监测、报警功能：监测功能主要体现为激光冲击加工相关参数的实时显示和记录，从而使操作人员可以实时观测激光加工系统的当前运行数据。该模块分别对激光器和机器人实行监测，分别包括控制管理子模块、数据通信子模块、故障处理子模块、数据处理子模块等。报警功能可以实现激光器报警、冷却水装置报警以及机器人报警功能。

实施例1：

对航空发动机整体叶盘进行激光冲击强化以提高疲劳性能与抗异物损伤的能力，如图7所示，首先利用Abaqus7.0力学分析软件对航空发动机整体叶盘进行疲劳性能受力分析，输入激光冲击强化性能指标、初始条件、边界条件、材料属性以及材料工艺参数，并调用具有分布式C/S模式的SQLServer后台数据库，构建残余应力分布模型，然后将其导入结构力学CAE分析软件，根据受力分析结果与性能要求，自动生成作用在金属板料表面的激光冲击波压力及加工运动轨迹。工控机系统根据计算出来的冲击波压力，通过冲击波压力与激光冲击强化之间的函数关系运算，自动选择并优化激光器的工艺参数：激光器形式为双路，冲击方式为双面冲击，重复频率为2Hz，单脉冲能量16J，脉宽20ns，工作光斑形状为边长3mm的矩形，约束层厚度2mm且可调；机器人重复定位精度±0.09mm；激光冲击强化设备可以实现航空发动机整体叶盘/叶片的自动化加工；适用叶盘尺寸直径678mm、重量不大于156Kg；叶片激光冲击强化的质量指标为强化叶片压应力层深可达1.5mm以上、叶片表面最大残余压应力200-300MPa，平均使用寿命提高2倍以上。利用工控机传输加工信号，经过自动判别处理后，将优化的工艺参数信号传输给PLC，PLC控制激光器开关和执行命令；同时，对由轨迹规划形成的各关节角度序列，经运动学正解得到机器人位姿序列，对运动轨迹进行优化，输出轨迹信号，工控机输出激光冲击强化路径规划轨迹信号，利用离线自动编程的方式生成的程序代码输出PLC并通过局域网络传输给运动轨迹执行机构，控制激光冲击的加工轨迹运动和自动聚焦。通过工控机与激光器和机器人的通讯，实现激光冲击强化加工，在激光器和机器人在工控机的控制下密切配合，控制激光器光束各项参数和机器人的运动，完成激光冲击加工过程。根据叶盘加工的实际需求，设计加工先后顺序为：对整体叶盘先在待加工区域上粘贴厚度为100μm的、宽度为14mm的黑胶带作为吸收层，对该区域加工完成后，清除其上的黑胶带；采用去离子水作为约束层，去离子水的电阻率为18兆，约束层的厚度为1-2mm，且厚度均匀；在叶尖处从前缘方向向后缘方向加工，然后向叶片内部偏移指定距离再从前缘方向向后缘方向加工，共往复4次；所述指定距离是指按照圆形光斑或方形光斑的搭接率向叶片内部偏移，逐点进行加工。在其加工的过程中，每加工一个区域就要同时切换一次光源。圆形光斑的搭接率为20％-30％，方形光斑的搭接率为5％-15％。最后利用Abaqus有限元分析软件平台编制专用的激光冲击强化压力加载的应力应变分析模块进行误差分析和参数修正，进一步指导激光冲击强化实验，确保在零件表层产生预期的残余应力分布以实现力学性能强化要求。计算机系统根据在线质量监测系统检测激光冲击强化对加工质量，并对采集的数据进行整理、记录和反馈。根据反馈意见，对加工过程进行实时调整，确保加工顺利进行。

实施例2：

对短弧汞灯阳极钨合金进行激光冲击强化，提高其表面硬度以延长使用寿命，首先将阳极钨合金尺寸图导入到Abaqus7.0力学分析软件中，然后对阳极钨合金进行受力情况进行分析，设定激光冲击强化性能指标、初始条件、边界条件、材料属性以及材料工艺参数，并调用具有分布式C/S模式的SQLServer后台数据库，构建表面硬度与冲击次数对应关系模型，将其导入结构力学CAE分析软件，生成运动轨迹，根据受力分析结果与性能要求，有CAE软件自动规划金属板料表面的激光冲击波压力及加工运动轨迹。工控机系统根据计算出来的冲击波压力，通过冲击波压力与激光冲击强化之间的函数关系运算，自动选择并优化激光器的工艺参数：激光能量22J、激光脉宽16ns、脉冲频率0.5Hz、光斑大小2mm圆光斑，约束层厚度2mm且可调，利用工控机输出加工信号，经过判别处理后，将优化的工艺参数信号传输给PLC，由PLC控制激光器开关和运行；同时，对由轨迹规划形成的各关节角度序列，经运动学正解得到机器人位姿序列，对运动轨迹进行优化，工控机输出激光冲击强化路径规划轨迹信号，利用离线自动编程的方式生成的程序代码输出给PLC并通过局域网络传输给运动轨迹执行机构，控制激光冲击的加工轨迹运动和自动聚焦，焦距为1m，光斑搭接率为30％。通过工控机与激光器和机器人的通讯，实现激光冲击强化加工，在激光器和机器人在工控机的控制下密切配合，控制激光器光束各项参数和机器人的运动，机器人重复定位精度±0.09mm，用外经为40mm的同轴卡盘加持短弧汞灯阳极钨合金，卡盘通过法兰盘与轨迹机器人端部相连，通过轨迹机器人带动卡盘执行轨迹运行，完成激光冲击加工过程。计算机系统根据在线质量监测系统检测激光冲击强化对加工质量，并对采集的数据进行整理、记录和反馈。根据反馈意见，对加工过程进行实时调整，确保加工顺利进行。适用短弧汞灯阳极钨合金直径为15mm、重量200g左右，为冲击前的显微维氏硬度在410HV左右，通过激光冲击强化平均显微硬度达到470HV，提高了14.6％，经过断弧汞灯曝光测试得到使用寿命提高2倍以上。

实施例3：

对直升机钛铝合金浆毂进行激光冲击强化，提高其表面硬度以延长使用寿命，首先将阳极钨合金尺寸图导入到Abaqus7.0力学分析软件中，然后对该型号的铸造钛铝合金进行受力情况进行分析，设定激光冲击强化性能指标、初始条件、边界条件、材料属性以及材料工艺参数，包括相变点1250℃、屈服强度520MPa、比强度1020K、晶体结构为体心立方和体心四方，并调SQLServer后台数据库，构建表面残余应力与冲击次数对应关系模型，将其导入结构力学CAE分析软件，生成运动轨迹，根据受力分析结果与性能要求，有CAE软件自动规划金属板料表面的激光冲击波压力及加工运动轨迹。工控机系统根据计算出来的冲击波压力，通过冲击波压力与激光冲击强化之间的函数关系运算，自动选择并优化激光器的工艺参数：激光能量8J、激光脉宽16ns、脉冲频率1Hz、光斑大小2mm圆光斑，约束层厚度2mm且可调，利用工控机形成加工信号，经过判别处理后，将优化的工艺参数信号传输给PLC，由PLC控制激光器开关和运行；同时，对由轨迹规划形成的各关节角度序列，经运动学正解得到机器人位姿序列，对运动轨迹进行优化，输出轨迹信号，工控机输出激光冲击强化路径规划轨迹信号，利用离线自动编程的方式生成的程序代码输出给PLC并通过局域网络传输给运动轨迹执行机构，控制激光冲击的加工轨迹运动和自动聚焦，焦距为1m，光斑搭接率为30％。通过工控机与激光器和机器人的通讯，实现激光冲击强化加工，在激光器和机器人在工控机的控制下密切配合，控制激光器光束各项参数和机器人的运动，机器人重复定位精度±0.09mm，用外经为40mm的同轴卡盘加持浆毂，卡盘通过法兰盘与轨迹机器人端部相连，通过轨迹机器人带动卡盘执行轨迹运行，完成激光冲击加工过程。计算机系统根据在线质量监测系统检测激光冲击强化对加工质量，并对采集的数据进行整理、记录和反馈。根据反馈意见，对加工过程进行实时调整，确保加工顺利进行。适用浆毂直径为220mm、重量820g左右，为冲击前的显微维氏硬度在310HV左右，通过激光冲击强化平均显微硬度达到360HV，提高了16.13％，经过断弧汞灯曝光测试得到使用寿命提高1.2～1.6倍。

Claims (6)

1.一种激光冲击强化自动化控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据加工要求在力学分析软件中建立零件模型并得到残余应力分布；

2)将残余应力分布导入CAE分析软件，自动生成作用在零件表面的加工运动轨迹；同时工控机根据激光冲击波压力与激光喷丸工艺参数之间的关系选择激光冲击波压力设定值对应的工艺参数；

3)将加工运动轨迹和工艺参数导入力学分析软件进行仿真得到模拟加工后的应变值；

4)如果应变值在设定范围内，则工控机将工艺参数发送至激光器，并将加工运动轨迹发送至机器人，实现激光的自动加工；否则返回至步骤1)，直至应变值在设定范围内为止。

2.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化自动化控制方法，其特征在于所述根据加工要求在力学分析软件中建立零件模型包括以下步骤：在力学分析软件中输入激光冲击强化性能指标、初始条件、边界条件、材料属性、材料工艺参数以及零件尺寸得到零件模型。

3.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化自动化控制方法，其特征在于所述工艺参数包括激光能量、激光脉宽、脉冲频率、光斑大小。

4.一种激光冲击强化自动化控制系统，其特征在于：包括工控机以及通过现场总线与其连接的激光器、机器人；

工控机用于分析零件的残余应力分布、根据残余应力分布得到机器人的加工运动轨迹，同时根据激光冲击波压力选择工艺参数，并将仿真和验证后的加工运动轨迹、工艺参数分别输出至机器人和激光器；

激光器用于根据工控机发送的工艺参数发射激光；

机器人用于根据工控机发送的加工运动轨迹实现零件的激光加工。

5.一种激光冲击强化自动化控制系统，其特征在于所述机器人包括六轴联动的轨迹机器人和三轴联动的送水机器人。

6.一种激光冲击强化自动化控制系统，其特征在于还包括用于视频监视的摄像机，其摄像头与工控机连接。