CN105567946B - 激光喷丸强化曲面的路径规划装置及其路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其包括高能脉冲激光器、对称设于两侧的定位激光器和CCD显示器、具有校准平面的校正块、贴装于校准平面的校正反射膜、夹持并可自由调节校正块或工件的机械手，可见激光束反射到CCD显示器。本发明还公开了一种激光喷丸强化曲面的路径规划方法，用平行可见激光束、反射膜和CCD显示器作定位工具，包括定距和定位校准、轨迹点定位并记录坐标、将坐标拟合成轨迹路径等步骤。采用本发明可便捷的实现激光喷丸强化中曲面的运行路径规划，可用于飞机发动机叶片和汽轮机叶片的激光喷丸强化，精确地对曲面的工作位置定位，极大地提高了激光的利用率，保证强化过程中功率密度的一致性。

Description

激光喷丸强化曲面的路径规划装置及其路径规划方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置。本发明还涉及一种激光喷丸强化曲面的路径规划方法。
背景技术
激光喷丸强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深。激光喷丸的原理是利用脉冲激光（能量1~100J，脉宽10~30ns）在约束状态下（水膜或玻璃）跟吸收层（铝箔或其他材料）产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧。21世纪初，美国将激光喷丸技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。
飞机发动机叶片的疲劳断裂是影响发动机正常工作的主要因素之一，激光喷丸强化飞机发动机叶片具有无可比拟的优势。发动机叶片的疲劳断裂主要发生在叶片边缘，激光喷丸处理主要对叶片边缘区域进行强化。为了充分利用激光的能量和保证整个强化过程中功率密度的均匀一致性，必须使激光束垂直入射到待处理表面，由于飞机发动机叶片是不规则小曲率曲面，通常采用六轴联动机械手装夹工件进行加工，对机械手进行路径规划时，编程方式可采用离线编程软件或手动对焦。采用离线编程软件进行路径规划时，对模型的精度、工件的制造精度以及工件的定位精度极高，这些因素的累积误差使得离线编程软件编制的轨迹与实际要求的轨迹误差很大，而且没有有效的手段来检测与消除这些误差；因此手动对焦的方式是最常用的路径规划方式，然而常规的手动对焦主要靠眼睛观察，对焦的误差也较大，而且很难保证激光束垂直入射到曲面的入射点，需要发明一种合适的方法来进行路径规划。
发明内容
针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种在激光喷丸强化工艺中可以方便快捷地对加工曲面进行加工过程的路径规划的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，并提供一种方便快捷地对加工曲面进行加工路径规划的激光喷丸强化曲面的路径规划方法。
为了克服现有技术不足，本发明采用的设备技术方案是：一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其包括高能脉冲激光器、以高能脉冲激光器发出的高能激光束中心线为工作轴对称设于两侧的定位激光器和CCD显示器、位于高能脉冲激光器前侧的高能激光束位置的凸透镜、具有垂直于工作轴的校准平面的校正块、贴装于校准平面的校正反射膜、通过夹具夹持校正块或工件并可自由调节其位置和方向的机械手、通过数据线分别与高清摄像头、CCD显示器和机械手电性连接的工控机、用于贴装于工件的待加工曲面所布置的轨迹点的多个定位反射膜；工作轴与定位激光器发出的可见激光束的中心轴相交于校正反射膜的中部并使可见激光束反射到CCD显示器的接收部。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述校正反射膜中心的法线与工作轴重合；所述定位激光器的侧方设有高清摄像头，高清摄像头正对工作轴与可见激光束轴线的交点。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述高能高功率密度脉冲激光器的功率密度为109W/cm2~1010W/cm2，脉冲能量为1~100J，脉冲宽度为5~30ns，激光重复频率为5~20Hz。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述定位激光器为氦氖激光器，发出的激光束为可见激光束，可见激光束为平行激光束，功率为5毫瓦，激光束直径为1mm。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述校正反射膜和定位反射膜均为一面沾有胶水的铜膜，铜模的形状为圆形、其直径为1.2mm的，铜膜的厚度为50微米。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述工件的曲面为小曲率曲面，曲率半径大于200mm。
为了克服现有技术不足，本发明对应采用的方法技术方案是：一种激光喷丸强化曲面中路径规划的方法，其使用上述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，并包括以下步骤：
A、校准：通过机械手调节校正块使其校准平面垂直于工作轴，并使定位激光器发射的可见激光束整体落入校正反射膜范围内且使可见激光束的中心线与工作轴的交点落于校正反射膜，记录反射激光束的中心在CCD显示器的位置P，将校正块拆除；
B、布置轨迹点：在工件规划好的激光喷丸强化路径上布置n个轨迹点，按顺序记为S1、S2、S3、……、Sn，并在每个轨迹点上覆盖定位反射膜，定位反射膜的中心与各轨迹点的中心重合；通过夹具将工件装夹在机械手上；
C、工件轨迹点的定位：调节机械手的X、Y、Z轴坐标，使可见激光束中心与轨迹点S1上的定位反射膜的中心重合，调节机械手的绕Y和Z轴的转动坐标，使反射激光束的中心与P点重合，实现工件轨迹点S1的定距和定向；
D、获取坐标：在工控机中记录机械手X、Y、Z轴轴向坐标，并记录绕Y轴和Z轴的转动坐标，将S1点机械手的五轴坐标记为P1；
E、重复步骤三至步骤四，获取路径上剩下的所有轨迹点对应机械手的五轴坐标，并记为P2、P3、P4、……、Pn，通过P1~Pn这n个点的五轴坐标，利用曲线拟合软件获得机械手的五轴运动轨迹。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划方法的技术方案的一种改进，步骤A具体为：首先通过机械手装夹并调节校正块，使校正块的校准平面法向与工作轴平行，实现校正块的校准平面的定向；通过高清摄像头观察可见激光束辐照在校正反射膜上的位置，继续调节机械手的X、Y、Z轴的轴向坐标，使定位激光器发射的可见激光束整体落入校正反射膜范围内并使可见激光束的中心线与工作轴的交点落于校正反射膜，实现校正块的校准平面的定距；此时的可见激光束经校正反射膜反射后被CCD显示器接收，记录反射激光束的中心在CCD显示器中的位置P，将校正块从机械手上拆除。
作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划方法的技术方案的一种改进，步骤C具体为：定位激光器发射的可见激光束辐照在定位反射膜上，调节机械手的X、Y、Z轴坐标，使可见激光束中心与粘贴在轨迹点S1上的定位反射膜的中心重合，实现工件前侧曲面的轨迹点S1的定距；可见激光束经定位反射膜反射后的反射激光束被CCD显示器接收，调节机械手的绕Y和Z轴的转动坐标，使反射激光束的中心与步骤A中CCD显示器中记录的P点重合，从而使定位反射膜中心的法向与工作轴重合，实现工件前侧曲面的轨迹点S1的定向。
本发明的有益效果是：本发明中激光喷丸强化曲面的路径规划装置，使可见平行激光束与工作轴成一定角度，可以实现曲面的定距；通过设置反射膜，将可见平行激光束反射到CCD显示器，可以实现曲面的定位；获取曲面定位后机械手各轨迹点的坐标，并通过软件拟合，可以实现曲面的路径规划。
本发明的激光喷丸强化曲面的路径规划方法包括定距和定位校准、轨迹点定位并记录坐标、将坐标拟合成轨迹路径几个步骤，利用方向性好的平行可见激光束和反射膜以及CCD显示器作为定位工具，使平行激光束与工作轴成一定角度，并利用平行激光束的反射光，在激光喷丸强化发动机叶片曲面时可以精确地对曲面的工作位置进行定位，使轨迹点中心的法线始终与工作轴重合，方便快捷的实现激光喷丸强化中曲面的路径规划，极大地提高了激光的利用率，保证了整个强化过程中功率密度的均匀一致性，本发明特别适用于激光喷丸强化飞机发动机叶片和汽轮机叶片的小曲率曲面。
附图说明
图1为本发明一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置实施例的校准构造示意图。
图2为本发明一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置实施例的轨迹点定位构造示意图。
图3为本发明一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置实施例中的工件轨迹点布置结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式进行具体描述。
如图1、图2所示，本发明一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其包括高能脉冲激光器3、以高能脉冲激光器3发出的高能激光束中心线为工作轴2对称设于两侧的定位激光器5和CCD显示器1、位于高能脉冲激光器3前侧的高能激光束位置的凸透镜4、具有垂直于工作轴的校准平面的校正块15、贴装于校准平面的校正反射膜14、通过夹具夹持校正块或工件并可自由调节其位置和方向的机械手11、通过数据线分别与CCD显示器1和机械手11电性连接的工控机13、用于贴装于工件10的待加工曲面9所布置的轨迹点的多个定位反射膜8；工作轴2与定位激光器5发出的可见激光束6的中心轴相交于校正反射膜14的中部并使可见激光束6反射到CCD显示器1的接收部。定位激光器5和CCD显示器1以高能脉冲激光器3发出的高能激光束中心线为工作轴2对称设于两侧，便于发出和接收平行可见激光束6，实现对校正时反射激光束的中心点的捕捉，便于对定位反射膜8进行定向。通过数据线12的电性连接，使得工控机13可以获得高清摄像头7的视频，工控机13可以获得CCD显示器1的图像，工控机13可以手动调节机械手11的五轴坐标并通过程序控制机械手11的运动。通过工控机13和机械手11调节校正块15的位置，寻找工作轴2与定位激光器5发出的可见激光束6的中心线的交点，便于捕捉并记录反射激光束中心点在CCD显示器1的位置，作为定位参考点，便于后续定位反射膜的调节，使定位反射膜8调节到校正反射膜的位置，实现对各个轨迹点的法向定位调节，找到各个轨迹点最适合进行激光喷丸强化加工的方向和位置，即其对应机械手的五轴坐标，然后将其拟合成轨迹曲线，作为加工路径。
本发明的路径规划装置使可见平行激光束与工作轴成一定角度，可以实现曲面的定距；通过设置反射膜，将可见平行激光束反射到CCD显示器，可以实现曲面的定位；获取曲面定位后机械手各轨迹点的坐标，并通过软件拟合，从而实现曲面的路径规划。本发明通过利用与工作轴成一定角度的平行激光束，以及利用平行激光束的反射光，激光喷丸强化发动机叶片曲面时可以精确地对曲面的工作位置进行定位，使轨迹点中心的法线始终与工作轴重合，方便快捷的实现激光喷丸强化中曲面的路径规划，极大地提高了激光的利用率，保证了整个强化过程中功率密度的均匀一致性，本发明特别适用于激光喷丸强化飞机发动机叶片和汽轮机叶片的小曲率曲面。
更佳地，所述校正反射膜14中心的法线与工作轴2重合，使得可见激光束6更大范围地落入反射膜中，更易于寻找反射中心点在CCD显示器1的位置。所述定位激光器5的侧方设有高清摄像头7，高清摄像头7正对工作轴与可见激光束轴线的交点。高清摄像头7用于辅助观察，帮助工控机13和机械手11调节校正块15的位置，寻找工作轴2与定位激光器5发出的可见激光束6的中心线的交点，便于捕捉并记录反射激光束中心点在CCD显示器1的位置，作为定位参考点。
更佳地，高能脉冲激光器3具有高功率，发出用于喷丸的高功率密度激光的功率密度为109W/cm2~1010W/cm2，脉冲能量为1~100J，脉冲宽度为5~30ns，激光重复频率为5~20Hz。上述范围内的激光适用于对金属构件进行激光喷丸强化工艺过程。
更佳地，所述定位激光器5为氦氖激光器，发出的激光束为平行的可见激光束，功率为5毫瓦，激光束直径为1毫米，这样的平行可见激光束便于观察和接收，便于在定位过程中作为工具进行精确定位使用。
更佳地，所述校正反射膜15和定位反射膜8均为一面沾有胶水的铜膜，铜模的形状为圆形、其直径为1.2毫米的，铜膜的厚度为50微米，用于反射进行精确的定位。
更佳地，所述工件10的曲面为小曲率曲面，曲率半径大于200mm，适用于使用激光喷丸强化工艺进行加工。
参考图1、图2所示的路径规划装置的校正示意图和轨迹点定位示意图，以及图3所示的工件轨迹点布置示意图，本发明的一种激光喷丸强化曲面中路径规划的方法，是其使用上述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置在正式加工前进行加工路径规划的方法，其包括以下步骤：
A、校准：通过机械手11调节校正块15使其校准平面垂直于工作轴2，并使定位激光器5发射的可见激光束6整体落入校正反射膜14范围内且使可见激光束6的中心线与工作轴2的交点落于校正反射膜14，实现校正块15的校准平面的定向和定距校准，记录反射激光束的中心在CCD显示器1的位置P，将校正块15拆除，从而预先标定反射激光束的中心位置，以作为后续定位反射膜8调节轨迹点法向位置的参考，并且发生反射的位置是可见激光束与工作轴2的交点位置；
B、布置轨迹点：如图3所示，在工件10规划好的激光喷丸强化路径上布置n个轨迹点，按顺序记为S1、S2、S3、……、Sn，并在每个轨迹点上覆盖定位反射膜8，定位反射膜8的中心与各轨迹点的中心重合，从而预先布局规划好若干个点，作为加工过程经过的中心点，并作为加工路径所经过的轨迹点，设置定位反射膜8便于寻找各个轨迹点的法向坐标，使其法向与工作轴重合，改善激光喷丸强化工艺加工的效果；通过夹具将工件装夹在机械手上；
C、工件轨迹点的定位：调节机械手11的X、Y、Z轴坐标，使可见激光束6中心与轨迹点S1上的定位反射膜的中心重合，调节机械手的绕Y和Z轴的转动坐标，使反射激光束的中心与P点重合，实现工件轨迹点S1的定距和定向，从而确定工件的轨迹点的法向与工作轴重合，并且锁定工件位于加工的最佳位置，锁定工件在该点的方向和距离（与激光喷丸强化工具高能脉冲激光器的距离）；
D、获取坐标：在工控机13中记录机械手11的X、Y、Z轴轴向坐标，并记录绕Y轴和Z轴的转动坐标，将S1点机械手11的五轴坐标记为P1，从而获取单点的加工位置坐标，为激光喷丸强化工艺提供了加工位置并记录下来，便于后续调节到比较精确的法向位置进行喷丸加工；
E、重复步骤三至步骤四，获取路径上剩下的所有轨迹点对应机械手11的五轴坐标，并记为P2、P3、P4、……、Pn，通过P1~Pn这n个点的五轴坐标，利用曲线拟合软件获得机械手11的五轴运动轨迹，找到连续进行激光喷丸强化工艺的轨迹曲线作为加工路径，实现的其路径的规划。
本发明的路径规划方法利用方向性好的平行可见激光束6和反射膜8/14以及CCD显示器1作为定位工具，分为定距和定位校准、轨迹点定位并记录坐标、将坐标拟合成轨迹路径几个步骤，具体包括：一、校准，利用定位激光束对校准平面进行定距和定位，并记录反射光的位置；二、利用对中后反射激光束的位置对待强化曲面上每一个设置好的轨迹点进行定位，并记录下坐标；三、利用软件对所有坐标进行拟合，从而获得按预定轨迹进行强化时运动路径的规划。
规划过程中，首先使平行可见激光束6与工作轴2成一定角度，可以实现曲面的定距；通过设置反射膜，将平行可见激光束6反射到CCD显示器1，可以实现曲面的定位；获取曲面定位后机械手11各轨迹点的坐标，并通过软件拟合，从而实现曲面的路径规划。本发明通过利用与工作轴2成一定角度的平行激光束，以及利用平行激光束的反射光，激光喷丸强化发动机叶片曲面时可以精确地对曲面的工作位置进行定位，使轨迹点中心的法线始终与工作轴重合，方便快捷的实现激光喷丸强化中曲面的路径规划，极大地提高了激光的利用率，保证了整个强化过程中功率密度的均匀一致性，本发明特别适用于激光喷丸强化飞机发动机叶片和汽轮机叶片的小曲率曲面。
更佳地，步骤A具体为：首先通过机械手11装夹并调节校正块15，使校正块15的校准平面法向与工作轴2平行，实现校正块15的校准平面的定向，便于反射激光束能够射入CCD显示器1；通过高清摄像头7观察可见激光束6辐照在校正反射膜14上的位置，辅助观察调节校正块15和校正反射膜14，继续调节机械手11的X、Y、Z轴的轴向坐标，使定位激光器5发射的可见激光束6整体落入校正反射膜14范围内，使得反射激光束整体落入CCD显示器1中，从而可以准确并方便获取激光束的中心点，并且，可见激光束6的中心线与工作轴2的交点落于校正反射膜14，便于可见激光束6能够反射到CCD显示器1，使定位激光器5发射的可见激光束6的中心与校正反射膜14的中心重合则为最佳，实现校正块15的校准平面的定距；此时的可见激光束6经校正反射膜14反射后被CCD显示器1接收，记录反射激光束的中心在CCD显示器1中的位置P，将校正块15从机械手上拆除。
更佳地，步骤C具体为：定位激光器5发射的可见激光束6辐照在定位反射膜8上，调节机械手11的X、Y、Z轴坐标，使可见激光束6中心与粘贴在轨迹点S1上的定位反射膜8的中心重合，找正轨迹点的位置，实现工件10前侧曲面9的轨迹点S1的定距；可见激光束6经定位反射膜8反射后的反射激光束被CCD显示器1接收，调节机械手11的绕Y和Z轴的转动坐标，使反射激光束6的中心与步骤A中CCD显示器1中记录的P点重合，从而使定位反射膜8中心的法向与工作轴2重合，实现工件10前侧曲面的轨迹点S1的定向，从而确定轨迹点的方向和位置，确定轨迹点的加工位置的机械手五轴坐标位置。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其特征在于：包括高能脉冲激光器、以高能脉冲激光器发出的高能激光束中心线为工作轴对称设于两侧的定位激光器和CCD显示器、位于高能脉冲激光器前侧的高能激光束位置的凸透镜、具有垂直于工作轴的校准平面的校正块、贴装于校准平面的校正反射膜、通过夹具夹持校正块或工件并可自由调节其位置和方向的机械手、通过数据线分别与高清摄像头、CCD显示器和机械手电性连接的工控机、用于贴装于工件的待加工曲面所布置的轨迹点的多个定位反射膜；工作轴与定位激光器发出的可见激光束的中心轴相交于校正反射膜的中部并使可见激光束反射到CCD显示器的接收部。
2.根据权利要求1所述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其特征在于：所述校正反射膜中心的法线与工作轴重合；所述定位激光器的侧方设有高清摄像头，高清摄像头正对工作轴与可见激光束轴线的交点。
3.根据权利要求1所述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其特征在于：所述高能脉冲激光器的功率密度为109W/cm2~1010W/cm2，脉冲能量为1~100J，脉冲宽度为5~30ns，激光重复频率为5~20Hz。
4.根据权利要求1所述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其特征在于：所述定位激光器为氦氖激光器，发出的激光束为可见激光束，可见激光束为平行激光束，功率为5毫瓦，激光束直径为1mm。
5.根据权利要求1所述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其特征在于：所述校正反射膜和定位反射膜均为一面沾有胶水的铜膜，铜膜的形状为圆形、其直径为1.2mm，铜膜的厚度为50微米。
6.根据权利要求1所述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其特征在于：所述工件的曲面为小曲率曲面，曲率半径大于200mm。
7.一种激光喷丸强化曲面中路径规划的方法，其特征在于，使用权利要求1所述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，包括以下步骤：
A、校准：通过机械手调节校正块使其校准平面垂直于工作轴，并使定位激光器发射的可见激光束整体落入校正反射膜范围内且使可见激光束的中心线与工作轴的交点落于校正反射膜，记录反射激光束的中心在CCD显示器的位置P，将校正块拆除；
B、布置轨迹点：在工件规划好的激光喷丸强化路径上布置n个轨迹点，按顺序记为S1、S2、S3、……、Sn，并在每个轨迹点上覆盖定位反射膜，定位反射膜的中心与各轨迹点的中心重合；通过夹具将工件装夹在机械手上；
C、工件轨迹点的定位：调节机械手的X、Y、Z轴坐标，使可见激光束中心与轨迹点S1上的定位反射膜的中心重合，调节机械手的绕Y和Z轴的转动坐标，使反射激光束的中心与P点重合，实现工件轨迹点S1的定距和定向；
D、获取坐标：在工控机中记录机械手X、Y、Z轴轴向坐标，并记录绕Y轴和Z轴的转动坐标，将S1点机械手的五轴坐标记为P1；
E、重复步骤C至步骤D，获取路径上剩下的所有轨迹点对应机械手的五轴坐标，并记为P2、P3、P4、……、Pn，通过P1~Pn这n个点的五轴坐标，利用曲线拟合软件获得机械手的五轴运动轨迹。
8.根据权利要求7所述的激光喷丸强化曲面中路径规划的方法，其特征在于，步骤A具体为：首先通过机械手装夹并调节校正块，使校正块的校准平面法线与工作轴平行，实现校正块的校准平面的定向；通过高清摄像头观察可见激光束辐照在校正反射膜上的位置，继续调节机械手的X、Y、Z轴的轴向坐标，使定位激光器发射的可见激光束整体落入校正反射膜范围内并使可见激光束的中心线与工作轴的交点落于校正反射膜，实现校正块的校准平面的定距；此时的可见激光束经校正反射膜反射后被CCD显示器接收，记录反射激光束的中心在CCD显示器中的位置P，将校正块从机械手上拆除。
9.根据权利要求7所述的激光喷丸强化曲面中路径规划的方法，其特征在于，步骤C具体为：定位激光器发射的可见激光束辐照在定位反射膜上，调节机械手的X、Y、Z轴坐标，使可见激光束中心与轨迹点S1上的定位反射膜的中心重合，实现工件轨迹点S1的定距；可见激光束经定位反射膜反射后被CCD显示器接收，调节机械手的绕Y和Z轴的转动坐标，使反射激光束的中心与P点重合，从而使定位反射膜中心的法线与工作轴重合，实现工件轨迹点S1的定向。
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