CN105458730B - 一种激光器固定装置及利用该装置实现温度自适应的方法 - Google Patents

一种激光器固定装置及利用该装置实现温度自适应的方法 Download PDF

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Abstract

一种激光器固定装置及利用该装置实现温度自适应的方法，它涉及一种激光切削装置及切削温度的控制方法。本发明为解决现有激光辅助切削过程中切削温度不稳定，从而严重影响表面加工质量的问题。一种激光器固定装置包括底座、回转机构、伸展机构、调整机构和发射机构，发射机构、调整机构、伸展机构和回转机构由前至后依次设置，回转机构设置在底座上，发射机构包括连接端面、第五回转电机、第二液压缸、激光发射器、多个转动轴和多个红外线感应器。实现温度自适应的方法：建立温度数据库；温度监测；信息反馈；调整电流。本发明用于激光加热辅助切削。

Description

一种激光器固定装置及利用该装置实现温度自适应的方法
技术领域
本发明涉及一种激光器固定装置及利用该装置实现温度自适应的方法。
背景技术
激光加热辅助铣削技术是将一束高能激光束照射在材料去除区域，短时间内提高工件材料的局部温度，改变了材料的切削性能，之后采用刀具进行加工。通过对材料加热，提高材料的塑性，使屈服强度降低到断裂强度以下，降低切削力，减小刀具磨损，降低切削振颤，从而达到提高加工效率，降低成本，提升加工表面质量的目的。
精准的温度控制是激光加热辅助铣削的基础。而精准的温度控制取决于激光的加工功率及扫描速度。激光加热辅助切削过程中温度的控制尤其重要，不同的零件加工过程中所需温度不同，同一零件加工不同位置时所需的温度也是不同的。切削区域温度过高材料将会被烧蚀，影响工件表面质量，而温度过低则影响加热辅助铣削效果，所以，准确的瞬时温度控制成为激光加热辅助切削过程的关键因素。
激光器输出功率的波动导致切削温度的变化，影响零件的加工质量。尤其是在加工大型工件时，加工时间长，激光功率波动较大，从而导致切削温度不稳定，严重影响表面质量。现有的激光加热辅助铣削过程中，温度的控制主要是由人工监视，效果比较差。
发明内容
本发明为了解决现有激光辅助切削过程中切削温度不稳定，从而严重影响表面加工质量的问题，进而提出一种激光器固定装置及利用该装置实现温度自适应的方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种激光器固定装置包括底座、回转机构、伸展机构、调整机构和发射机构，发射机构、调整机构、伸展机构和回转机构由前至后依次设置，回转机构设置在底座上，
回转机构包括回转座、回转台和第一回转电机，回转座固接在底座上，回转台设置在回转座的上端面上，回转台与回转座之间转动连接，第一回转电机竖直设置在回转台上，第一回转电机的壳体与回转台固接，第一回转电机的转轴与回转座连接，
伸展机构包括第二回转电机和第一液压缸，第一液压缸与回转台通过第二回转电机之间转动连接，第二回转电机水平设置，第二回转电机的壳体与回转台固接，第二回转电机的转轴与第一液压缸缸体的竖直侧壁垂直固接，
调整机构包括第三回转电机、第四回转电机和连接壳体，连接壳体包括内壳体和外壳体，内壳体与外壳体之间通过第四回转电机转动连接，第四回转电机设置在连接壳体的后端面上，第四回转电机的壳体与外壳体固接，第四回转电机的转轴与内壳体固接，连接壳体与第一液压缸通过第三回转电机之间转动连接，第三回转电机水平设置，第三回转电机的壳体与第一液压缸杆体的竖直侧壁垂直固接，第三回转电机的转轴与连接壳体的外壳体的侧壁固接，
发射机构包括连接端面、第五回转电机、第二液压缸、激光发射器、多个转动轴和多个红外线感应器，连接端面的后端面与内壳体的前端面固接，连接端面的前端面的中部通过第五回转电机垂直连接有第二液压缸，第五回转电机水平设置，第五回转电机的壳体与连接端面固接，第五回转电机的转轴与第二液压缸的缸体固接，第二液压缸的杆体的前端固接有激光发射器，连接端面的前端面上沿圆周方向均布铰接有多个转动轴，每个转动轴的前端分别铰接有一个红外线感应器。
一种利用激光器固定装置实现温度自适应的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：建立温度数据库：首先建立切削热模型，采用有限元方法建立激光加热辅助铣削热模型，将激光加热辅助铣削热模型的数据通过有限元分析进行来数据的网格划分，确定仿真数据库的温度数据信息，将计算得到的信息存入公共机的数据库中，建立温度数据库；
步骤二：温度监测：利用激光器固定装置中的激光发射器进行激光加热辅助铣削，在铣削的同时，通过多个红外线感应器对被切削部位的周边的温度进行实时监测；
步骤三：信息反馈：将多个红外线感应器监测到的温度信息反馈到公共机中，与温度数据库中的温度进行比较，得出温度差；
步骤四：调整电流：将温度差通过转换器转换为电信号，通过电信号调整可变电阻阻值的大小，改变激光发射器的电流大小，从而调整激光发射器的输出功率，改变被切线部位及其周边的温度值，完成温度的自适应。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1、本发明的激光器固定装置中设有多个红外线感应器，可对被加工工件的表面进行实时监测；
2、本发明的激光器固定装置中通过设置回转机构、伸展机构、调整机构和发射机构来实现激光发射器在三维空间上的移动和调整，使其运动更加灵活便捷，易于掌控；
3、本发明的激光器固定装置中红外线感应器具有两个自由度，可以根据需要随时调整红外线感应器的位置和角度，能够准确的进行温度检测；
4、本发明的温度自适应方法通过改变激光功率来自动改变激光加热辅助切削过程中温度的变化，自适应过程更加灵敏便捷；
5、本发明的温度自适应方法中激光功率根据加工温度差自适应地改变，可以得到工件不同加工位置的激光功率，根据不同需要随时进行温度的调整；
6、本发明的温度自适应方法利用有限元模型确定模拟仿真数据库，建立准确的工件加工过程温度数据模型，使温度的比对更加精确，温度的控制更加精准。
附图说明
图1是本发明中激光器固定装置的整体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明中发射机构的整体机构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种激光器固定装置包括底座1、回转机构、伸展机构、调整机构和发射机构，发射机构、调整机构、伸展机构和回转机构由前至后依次设置，回转机构设置在底座1上，
回转机构包括回转座2、回转台3和第一回转电机4，回转座2固接在底座1上，回转台3设置在回转座2的上端面上，回转台3与回转座2之间转动连接，第一回转电机4竖直设置在回转台3上，第一回转电机4的壳体与回转台3固接，第一回转电机4的转轴与回转座2连接，
伸展机构包括第二回转电机5和第一液压缸6，第一液压缸6与回转台3通过第二回转电机5之间转动连接，第二回转电机5水平设置，第二回转电机5的壳体与回转台3固接，第二回转电机5的转轴与第一液压缸6缸体的竖直侧壁垂直固接，
调整机构包括第三回转电机7、第四回转电机8和连接壳体9，连接壳体9包括内壳体9-1和外壳体9-2，内壳体9-1与外壳体9-2之间通过第四回转电机8转动连接，第四回转电机8设置在连接壳体9的后端面上，第四回转电机8的壳体与外壳体9-2固接，第四回转电机8的转轴与内壳体9-1固接，连接壳体9与第一液压缸6通过第三回转电机7之间转动连接，第三回转电机7水平设置，第三回转电机7的壳体与第一液压缸6杆体的竖直侧壁垂直固接，第三回转电机7的转轴与连接壳体9的外壳体9-2的侧壁固接，
发射机构包括连接端面10、第五回转电机11、第二液压缸12、激光发射器15、多个转动轴14和多个红外线感应器16，连接端面10的后端面与内壳体9-1的前端面固接，连接端面10的前端面的中部通过第五回转电机11垂直连接有第二液压缸12，第五回转电机11水平设置，第五回转电机11的壳体与连接端面10固接，第五回转电机11的转轴与第二液压缸12的缸体固接，第二液压缸12的杆体的前端固接有激光发射器15，连接端面10的前端面上沿圆周方向均布铰接有多个转动轴14，每个转动轴14的前端分别铰接有一个红外线感应器16。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述转动轴14与连接端面10之间通过第一双头螺柱13连接，红外线感应器16与转动轴14之间通过第二双头螺柱17连接，第一双头螺柱13与第二双头螺柱17垂直设置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述内壳体9-1与外壳体9-2之间通过轴承连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述回转台3与回转座2之间通过连轴转动连接，连轴设置在回转台3和回转座2的中部，第一回转电机4的转轴上固接有外齿轮，回转座2的内侧设有内齿轮，外齿轮与内齿轮相啮合。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式利用具体实施方式一所述一种激光器固定装置实现温度自适应的方法包括如下步骤：
步骤一：建立温度数据库：首先建立切削热模型，采用有限元方法建立激光加热辅助铣削热模型，将激光加热辅助铣削热模型的数据通过有限元分析进行来数据的网格划分，确定仿真数据库的温度数据信息，将计算得到的信息存入公共机的数据库中，建立温度数据库；
步骤二：温度监测：利用激光器固定装置中的激光发射器15进行激光加热辅助铣削，在铣削的同时，通过多个红外线感应器16对被切削部位的周边的温度进行实时监测；
步骤三：信息反馈：将多个红外线感应器16监测到的温度信息反馈到公共机中，与温度数据库中的温度进行比较，得出温度差；
步骤四：调整电流：将温度差通过转换器转换为电信号，通过电信号调整可变电阻阻值的大小，改变激光发射器15的电流大小，从而调整激光发射器15的输出功率，改变被切线部位及其周边的温度值，完成温度的自适应。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤一中激光加热辅助铣削热模型的热源包括激光加热产生的热源和切削过程产生的热源两部分，通过耦合的方法将激光加热产生的热源和切削过程产生的热源集成。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中多个红外线感应器16的数量为三个，三个红外线感应器16的感应端呈正三角形的形状设置，激光发射器15的发射端设置在三个红外线感应器16的中心。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
工作原理
激光发出的光束投射到工件表面，使工件表面的温度升高，并由红外测温仪检测温度的大小，利用切削区域的温度确定原理，结合建立的温度场模型，确定切削区域的温度，确定的切削区域温度值被转换成电信号，然后与数据库系统中的值相比较，从而产生一个温度差值，温差值转换为电信号来控制可变电阻的阻值改变，从而改变电流以保证激光器的输出功率改变，从而来改变温度值。

Claims (6)

1.一种激光器固定装置，其特征在于：所述一种激光器固定装置包括底座(1)、回转机构、伸展机构、调整机构和发射机构，发射机构、调整机构、伸展机构和回转机构由前至后依次设置，回转机构设置在底座(1)上，
回转机构包括回转座(2)、回转台(3)和第一回转电机(4)，回转座(2)固接在底座(1)上，回转台(3)设置在回转座(2)的上端面上，回转台(3)与回转座(2)之间转动连接，第一回转电机(4)竖直设置在回转台(3)上，第一回转电机(4)的壳体与回转台(3)固接，第一回转电机(4)的转轴与回转座(2)连接，
伸展机构包括第二回转电机(5)和第一液压缸(6)，第一液压缸(6)与回转台(3)通过第二回转电机(5)之间转动连接，第二回转电机(5)水平设置，第二回转电机(5)的壳体与回转台(3)固接，第二回转电机(5)的转轴与第一液压缸(6)缸体的竖直侧壁垂直固接，
调整机构包括第三回转电机(7)、第四回转电机(8)和连接壳体(9)，连接壳体(9)包括内壳体(9-1)和外壳体(9-2)，内壳体(9-1)与外壳体(9-2)之间通过第四回转电机(8)转动连接，第四回转电机(8)设置在连接壳体(9)的后端面上，第四回转电机(8)的壳体与外壳体(9-2)固接，第四回转电机(8)的转轴与内壳体(9-1)固接，连接壳体(9)与第一液压缸(6)通过第三回转电机(7)之间转动连接，第三回转电机(7)水平设置，第三回转电机(7)的壳体与第一液压缸(6)杆体的竖直侧壁垂直固接，第三回转电机(7)的转轴与连接壳体(9)的外壳体(9-2)的侧壁固接，
发射机构包括连接端面(10)、第五回转电机(11)、第二液压缸(12)、激光发射器(15)、多个转动轴(14)和多个红外线感应器(16)，连接端面(10)的后端面与内壳体(9-1)的前端面固接，连接端面(10)的前端面的中部通过第五回转电机(11)垂直连接有第二液压缸(12)，第五回转电机(11)水平设置，第五回转电机(11)的壳体与连接端面(10)固接，第五回转电机(11)的转轴与第二液压缸(12)的缸体固接，第二液压缸(12)的杆体的前端固接有激光发射器(15)，连接端面(10)的前端面上沿圆周方向均布铰接有多个转动轴(14)，每个转动轴(14)的前端分别铰接有一个红外线感应器(16)，
所述转动轴(14)与连接端面(10)之间通过第一双头螺柱(13)连接，红外线感应器(16)与转动轴(14)之间通过第二双头螺柱(17)连接，第一双头螺柱(13)与第二双头螺柱(17)垂直设置。
2.根据权利要求1所述一种激光器固定装置，其特征在于：所述内壳体(9-1)与外壳体(9-2)之间通过轴承连接。
3.根据权利要求2所述一种激光器固定装置，其特征在于：所述回转台(3)与回转座(2)之间通过连轴转动连接，连轴设置在回转台(3)和回转座(2)的中部，第一回转电机(4)的转轴上固接有外齿轮，回转座(2)的内侧设有内齿轮，外齿轮与内齿轮相啮合。
4.利用权利要求1所述一种激光器固定装置实现温度自适应的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一：建立温度数据库：首先建立切削热模型，采用有限元方法建立激光加热辅助铣削热模型，将激光加热辅助铣削热模型的数据通过有限元分析来进行数据的网格划分，确定仿真数据库的温度数据信息，将计算得到的信息存入公共机的数据库中，建立温度数据库；
步骤二：温度监测：利用激光器固定装置中的激光发射器(15)进行激光加热辅助铣削，在铣削的同时，通过多个红外线感应器(16)对被切削部位的周边的温度进行实时监测；
步骤三：信息反馈：将多个红外线感应器(16)监测到的温度信息反馈到公共机中，与温度数据库中的温度进行比较，得出温度差；
步骤四：调整电流：将温度差通过转换器转换为电信号，通过电信号调整可变电阻阻值的大小，改变激光发射器(15)的电流大小，从而调整激光发射器(15)的输出功率，改变被切线部位及其周边的温度值，完成温度的自适应。
5.根据权利要求4所述利用激光器固定装置实现温度自适应的方法，其特征在于：所述步骤一中激光加热辅助铣削热模型的热源包括激光加热产生的热源和切削过程产生的热源两部分，通过耦合的方法将激光加热产生的热源和切削过程产生的热源集成。
6.根据权利要求4所述利用激光器固定装置实现温度自适应的方法，其特征在于：所述步骤二中多个红外线感应器(16)的数量为三个，三个红外线感应器(16)的感应端呈正三角形的形状设置，激光发射器(15)的发射端设置在三个红外线感应器(16)的中心。
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