CN105861810A - 一种多参数集成控制的激光冲击强化系统 - Google Patents

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鲁金忠
张圣洋
邵亦锴
罗开玉
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Abstract

本发明涉及强激光应用技术和机械装备，特指一种多参数集成控制的激光冲击强化系统。将激光发生器，外光路系统，机械手I控制柜、机械手II控制柜共同构成的激光冲击强化系统，其中激光发生器包括光学系统、电源、水冷机、控制系统等。机械手I和机械手II采用六轴联动，其中机械手I用来夹持工件，机械手II用来喷水作为激光冲击强化时的约束层，各轴运动通过伺服电机有针对性的调控而实现。本发明将激光束、工件、水膜等多个参数集成到一个系统，大幅提高了激光冲击强化系统的加工效率，实现大面积激光冲击加工的精确控制，完成工件表面的冲击强化。

Description

一种多参数集成控制的激光冲击强化系统
技术领域
本发明涉及强激光应用技术和机械装备，激光冲击强化系统包括激光发生器，外光路系统，机械手I控制柜、机械手II控制柜，实现激光冲击波参数与工件运动轨迹的精确控制，完成对工件的冲击强化。
技术背景
激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)技术，也称激光喷丸技术。是通过高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(>10K)、高压(>1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。
目前对激光冲击强化工业生产和应用范围不大，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。大多数冲击在只能水平运动的工作台上进行，冲击效率低，并且无法进行叶片等复杂零件的激光冲击强化，因此，现阶段需要一种提高激光冲击强化设备的效率，降低激光冲击强化成本，能够实现三维零件冲击的激光冲击系统。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于，将机械手I和机械手II引入到激光冲击强化系统中，激光发生器在固定端发出激光束，外部搭建光路进行激光冲击强化，将激光束、工件、水膜等多个参数集成到一个系统，大幅提高了激光冲击加工的效率，实现大面积激光冲击加工的精确控制，完成工件表面的冲击强化。
本发明的目的由以下方式实现：
本发明用I/O线将激光发生器，机械手I控制柜、机械手II控制柜与PLC控制平台相连接；PLC控制平台通过触摸屏显示；机械手I控制柜通过系统线与机械手I相连接，机械手I通过电缆I连接示教器I和PC离线系统；机械手II控制柜通过系统线连接机械手II，机械手II通过电缆II连接示教器II；在激光发生器外部分别连接外部光路与示波器，加工时激光发生器在固定端发出激光束，激光束通过外部光路聚焦在聚焦点，由机械手I将工件表面待冲击区域移动到激光聚焦点，然后进行激光冲击加工，机械手II负责向工件表面待冲击区域喷水，在工件表面待冲击区域形成均匀的水膜；示波器实时监测激光波形和能量。
机械手I、机械手II的联动实现了对工件的运输，喷水和各种姿态的调整，由机械手I控制工件运动来进行冲击，机械手II来负责向工件喷水。
系统工作分为一下六个步骤：
(1)在工件表面待加工区域粘贴铝箔作为吸收层，并使用夹具装夹工件在机械手I上。
(2)利用激光发生器指示灯代替激光束，使用示教器I将工件定位至激光聚焦点，并设该点为加工原点，在示教器I中输入原点坐标参数实现工件的定位。
(3)将工件的三维模型导入PC离线系统，利用三维造型软件编写工件运动轨迹程序，再将程序导入到示教器I中。
(4)利用示教器II手动控制机械手II，使机械手II的喷水喷头对准工件加工加工原点。
(5)试运行机械手I的工件运动轨迹，手动控制示教器II，根据工件的运动轨迹手动调试喷水的位置和角度，并控制机械手II与工件的距离使得水在工件表面待冲区域形成1-2毫米的均匀水膜，在示教器II中记录下这些位置点形成轨迹程序。在正式加工时即可不再手动调整机械手II喷水位置。其中试运行机械手I时，速度通常为正常加工速度的10-30％，当机械手II需要调整位置时，让机械手I停止运动。因为激光发生器出光点固定，一般对于平板件，加工点始终在平面上的同一位置点，机械手II通常只需调整一个位置即可，而对于曲面叶片，加工点在曲面上，机械手II则需调整多个角度位置。
所述正常加工速度为3-5mm/s。
(6)将机械手I和机械手II退回加工原点，开启PLC控制平台，给激光发生器触发信号，启动程序进行激光冲击加工。
机械手I及机械手II是一个六轴联动机器手，通过六个关节轴(A1，A2，A3，A4，A5，A6)使工件和喷头具有X，Y，Z三个方向的直线运动和旋转运动，在机械手I的开放端的法兰上安装所需加工零件的夹具，再在夹具上夹持工件。在机械手II的开放端的法兰上安装喷头，负责对工件喷水的控制。
因为激光发生器在固定端以固定频率出光，所以光斑之间的搭接率通过调整机械手I的运动速率来改变，机械手I运动速率可在示教器I中输入具体数值调整，运动速率越快则搭接率越大。机械手I和机械手II的运动策略是：当机械手I运动时机械手II固定喷水不动，机械手II调整喷水区域时，机械手I停止运动。
整个系统单元最后由PLC控制平台进行控制，PLC控制平台的触摸屏应包括激光、水阀、启动三个按钮，分别对应激光发生器的触发信号，机械手II上水阀的开启以及启动冲击。
在激光发生器出口处建立外部光路使激光聚焦，可以避免人眼直接接触激光并将激光聚焦。激光发生器同时连接示波器，可以实时监测激光波形和能量。
本发明的优点在于：第一，激光冲击强化系统的建立，能够更加简单方便的处理激光冲击强化，针对激光发生器在固定端出光，两个机械手的加入不仅能够冲击简单的平板样件还能够冲击复杂的叶片，操作方便安全；第二，外部光路建立可以有效的延长激光发生器的寿命和保护人的安全，避免人眼直接接触激光，而且提高了激光的利用，提升了工作效率。第三，示波器的接入能有效的监控激光波形和能量。
附图说明
图1一种多参数集成控制的激光冲击强化系统集成框图。
图2机械手示意图。
A1，A2，A3，A4，A5，A6为六个关节轴。
图3镁合金平板试样具体尺寸。
图4镁合金平板试样冲击区域。
图5镁合金平板试样程序编写示意图。
图6激光发生器外部光路示意图。
(1)激光器(2)45°全反镜(3)聚焦透镜(4)镁合金平板试样(5)夹具(6)库卡KR30-3机械手(7)库卡KR1400机械手。
具体实施方式
以冲击镁合金平板试样为例，具体尺寸如图3所示，冲击区域为图4中40mm×15mm的阴影区域。使用PLC控制平台将激光发生器，库卡KR30-3控制柜、库卡KR1400控制柜通过I/O线连接起来，PLC控制平台通过触摸屏显示。库卡KR30-3控制柜通过系统线与KR30-3机械手相连接，库卡KR30-3机械手通过其电缆连接KR30-3示教器和PC离线系统。库卡KR1400控制柜通过系统线连接KR1400机械手，库卡KR1400机械手通过其电缆连接库卡KR1400示教器。在激光发生器外部分别连接外部光路与示波器。加工时激光发生器在固定端发出激光束，激光束聚焦在聚焦点，由库卡KR30-3机械手将镁合金平板表面待冲击区域移动到激光聚焦点，然后进行激光冲击加工，库卡KR1400机械手负责向工件表面待冲击区域喷水，在工件表面待冲击区域形成均匀的水膜。
库卡KR30-3机械手一个六轴联动机器手，通过六个关节轴(A1，A2，A3，A4，A5，A6)使工件具有X，Y，Z三个方向的直线运动和旋转运动，机械手的运动误差≤0.05mm。在库卡KR30-3机械手的开放端的法兰上安装所需加工零件的夹具，再在夹具上夹持镁合金平板试样。在库卡KR1400机械手的开放端的法兰上安装喷头，负责对工件喷水的控制。激光发生器固定在一定点出光，即发射的激光束是固定的，激光束聚焦在固定位置，光斑搭接率通过调整库卡KR30-3机械手的运动速率来改变。其中激光冲击强化用的脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，脉宽为15ns，脉冲能量3J，横向纵向搭接率均为50％，激光发生器发射频率设为1HZ，则根据50％搭接率要求设置库卡KR30-3机械手的运动速率为1.5mm/s。
具体步骤如下：
(1)在叶片表面待加工区域粘贴铝箔作为吸收层，并使用夹具装夹叶片在库卡KR30-3机械手上。
(2)利用激光发生器指示灯代替激光束，使用库卡KR30-3示教器将工件定位至激光聚焦点，并设为加工原点，在库卡KR30-3示教器中输入原点坐标参数实现工件的定位。
(3)将镁合金平板试样的三维模型导入PC离线系统，利用CAE等三维造型软件编写工件运动轨迹程序，镁合金平板试样程序编写示意图如图5所示，从原点在长方形水平方向移动40mm,因为库卡KR30-3机械手的运动速率1.5mm/s，所以接着垂直向下移动1.5mm满足纵向50％搭接率要求，再反方向水平移动40mm到原点下方1.5mm处，接着垂直向下移动1.5mm，如此蛇形往复编写，直到编写完整个所需加工的阴影区域，再通过U盘将程序导入到库卡KR30-3示教器中。
(4)利用库卡KR1400示教器手动控制库卡KR1400机械手，使机械手的喷水喷头对准加工加工原点。
(5)试运行KR30-3机械手的工件运动轨迹，因为正式加工时KR30-3机械手的运动速率为1.5mm/s，已足够缓慢，不需要再降低其速度，手动控制KR1400示教器，找到工件加工的加工原点，手动调试喷水的位置和角度，其中手动调试喷水位置与角度时需控制KR1400机械手与镁合金平板试样的距离，使水在加工区域形成1-2毫米的均匀水膜。由于所需加工的试样为平板件，所以库卡KR1400机械手不在需要调整其他喷水角度和位置。在正式加工时，只需通过PLC控制面板打开库卡KR1400机械手的水阀开关即可。
(6)通过示教器将两机械手退回加工原点，开启PLC控制平台，给激光发生器触发信号，启动程序进行激光冲击加工。
连接示教器和机械手的控制电缆长数十米，人可以站在安全的距离里进行操作。完全根据工效学设计的示教器，配上六维滑鼠，使用方便、舒服、快速，大大提高编程和操作的效率。
整个系统单元最后由PLC控制平台进行控制，PLC控制平台的触摸屏应包括激光、水阀、启动三个按钮，分别对应激光发生器的触发信号，机械手II上水阀的开启以及启动冲击。
在激光发生器出口处建立外部光路使激光聚焦，可以避免人眼直接接触激光并将激光聚焦。外部光路如图6所示，外光路系统由激光器1出发，通过一个45°全反镜2到达聚焦透镜3，光束再通过聚焦透镜3聚焦到达镁合金平板试样4，试样4通过夹具5连接在库卡KR30-3机械手6上，库卡KR1400机械手7负责对试样4的喷水。激光发生器同时连接示波器，可以实时监测激光波形和能量。
本发明激光冲击强化系统可以实现以下控制功能：
1.通过0-5V的数控电压控制激光发生器的Q开关，实现激光发生器的输出，激光发生器的输出脉冲能量通过激光发生器控制系统输出给激光发生器调节；
2.通过对机械手的运动控制(运动误差≤0.05mm)，将工件固定在机械手上运动，激光发生器固定在一端，出光点固定，以此实现对激光冲击轨迹的精确控制与操作。
⒊激光冲击处理的辅助功能开关：全腔双循环水冷机、水槽水流约束层水阀、示波器等。
⒋激光波形及能量显示：通过连接在激光发生器上的示波器，工件运动情况显示：通过机械手的示教器实时反应。

Claims (9)

1.一种多参数集成控制的激光冲击强化系统，其特征是：用I/O线将激光发生器，机械手I控制柜、机械手II控制柜与PLC控制平台相连接，PLC控制平台通过触摸屏显示；机械手I控制柜通过系统线与机械手I相连接，机械手I通过电缆I连接示教器I和PC离线系统；机械手II控制柜通过系统线连接机械手II，机械手II通过电缆II连接示教器II；在激光发生器外部分别连接外部光路与示波器，加工时激光发生器在固定端发出激光束，激光束通过外部光路聚焦在聚焦点，由机械手I将工件表面待冲击区域移动到激光聚焦点，然后进行激光冲击加工，机械手II负责向工件表面待冲击区域喷水，在工件表面待冲击区域形成均匀的水膜；示波器实时监测激光波形和能量。
2.如权利要求1所述的一种多参数集成控制的激光冲击强化系统，其特征是：机械手I及机械手II通过六个关节轴使工件和喷头具有X，Y，Z三个方向的直线运动和旋转运动，在机械手I的开放端的法兰上安装所需加工零件的夹具，再在夹具上夹持零件，在机械手II的开放端的法兰上安装喷头，用于对工件喷水的控制。
3.如权利要求1所述的一种多参数集成控制的激光冲击强化系统，其特征是：连接机械手与示教器的控制电缆长数十米，示教器配有六维滑鼠。
4.利用如权利要求1所述系统进行激光冲击强化的方法，其特征在于具体步骤为：
(1)在工件表面待加工区域粘贴铝箔作为吸收层，并使用夹具装夹工件在机械手I上；
(2)利用激光发生器指示灯代替激光束，使用示教器I将工件定位至激光聚焦点，并设该点为加工原点，在示教器I中输入原点坐标参数实现工件的定位；
(3)将工件的三维模型导入PC离线系统，利用三维造型软件编写工件运动轨迹程序，再将程序导入到示教器I中；
(4)利用示教器II手动控制机械手II，使机械手II的喷水喷头对准工件加工加工原点；
(5)试运行机械手I的工件运动轨迹，手动控制示教器II，根据工件的运动轨迹手动调试喷水的位置和角度，并控制机械手II与工件的距离使得水在工件表面待冲区域形成1-2毫米的均匀水膜，在示教器II中记录下这些位置点形成轨迹程序，在正式加工时即可不再手动调整机械手II喷水位置。
(6)将机械手I和机械手II退回加工原点，开启PLC控制平台，联动激光发生器开始激光冲击加工。
5.如权利要求4所述的激光冲击强化的方法，其特征在于：步骤(5)中，试运行机械手I时，速度通常为正常加工速度的10-30％，当机械手II需要调整位置时，让机械手I停止运动；因为激光发生器出光点固定，一般对于平板件，加工点始终在平面上的同一位置点，机械手II通常只需调整一个位置即可，而对于曲面叶片，加工点在曲面上，机械手II则需调整多个角度位置。
6.如权利要求5所述的激光冲击强化的方法，其特征在于：所述正常加工速度为3-5mm/s。
7.如权利要求4所述的激光冲击强化的方法，其特征在于：激光发生器发射的激光束是固定的，激光束聚焦在固定位置，即激光发生器以固定频率出光，光斑之间的距离通过调整机械手I的运动速率来改变，机械手I运动速率可在示教器I中输入具体数值调整，运动速率越快则搭接率越大。
8.如权利要求4所述的激光冲击强化的方法，其特征在于：机械手I和机械手II的运动策略是：当机械手I运动时机械手II固定喷水不动，机械手II调整喷水区域时，机械手I停止运动。
9.如权利要求4所述的激光冲击强化的方法，其特征在于：机械手I和机械手II根据工作环境在PC离线系统中设置安全运动范围，保护工作环境设施。
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