CN106119467A - 一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法和装置，对变截面薄壁复杂叶片表面进行激光喷丸处理，通过控制光束平顶分布变化度监控叶片表面粗糙度，最终达到叶片表面粗糙度的设计要求；本发明还公开了一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的装置，包括计算机控制系统，激光器电源，激光喷丸设备，透射镜，叶片零件机器人，叶片零件机器人控制系统，涂水机器人控制系统，涂水机器人，表面粗糙度测量仪，信息采集系统。本发明所述方法及装置能对各种薄壁复杂曲面的表面粗糙度进行处理，提高表面精度。

Description

一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法和装置
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法和装置。
背景技术
航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，被誉为“工业之花”。叶片是航空发动机“肚子”里的主要“心脏”，也是涉及航空发动机安全性能的关键动部件，航空发动机叶片属于典型的高精度、变截面薄壁类零件，其数量多，加工难度大，精度要求高。叶片表面质量经过近成形及精确成形加工后，其表面质量尚无法满足其技术要求，其中叶片表面粗糙度的增加会削弱叶片的机械性能，并且粗糙度越大其性能损失越严重，从而导致航空发动机的安全性、可靠性和疲劳强度大大降低，因此，必须控制叶片表面粗糙度，对叶片表面进行激光喷丸处理，来降低其表面粗糙度，提高其表面形状精度，从而叶片疲劳强度及使用寿命。
激光喷丸是一种新型的材料表面处理技术，利用强激光束辐照工件表面，工件表面的保护层材料在吸收激光能量后气化、离化产生爆炸冲击波，在水约束层的约束作用下，冲击波向工件内部传播，使工件表面产生微塑性变形，并且激光喷丸处理后工件表面形成残余压应力层，可以提高工件表面形状精度和延长疲劳寿命。
平顶光束指的是激光能量分布具有一均匀的平顶区域，在激光加工领域具有广泛的应用。由于激光能量近似均匀分布，因而与高斯光束相比，使用平顶光束进行激光喷丸更具优势。
发明内容
本发明的目的在于提出一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法和装置，尤其适用于变截面薄壁复杂结构件的表面处理。
本发明所采用的技术方案：一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，包括如下步骤：
步骤1：借助表面粗糙度测量仪通过透射镜对激光喷丸处理前的变截面薄壁复杂叶片表面粗糙度进行测量得到处理前的测定值，并将所述处理前的测定值通过信息采集系统传递到计算机控制系统；
步骤2：计算机控制系统根据所述变截面薄壁复杂叶片所需的表面粗糙度精度要求，在计算机控制系统内置的激光喷丸光束平顶变化度与粗糙度之间的对应关系的数据库中，以线性插值的方式，确定需进行表面处理的激光喷丸参数；
步骤3：计算机控制系统根据所述激光喷丸参数控制叶片零件机器人控制系统进而控制叶片零件机器人的运动，并同时控制涂水机器人控制系统进而控制涂水机器人的运动，按所述计算机控制系统确定的所述激光喷丸参数通过计算机控制系统控制激光器电源开启激光喷丸设备对所述变截面薄壁复杂叶片表面需处理部位进行激光喷丸处理；
步骤4：利用表面粗糙度测量仪对经激光喷丸处理后的所述变截面薄壁复杂叶片表面的粗糙度进行测量得到处理后的测得值，将所述处理后的测得值通过信息采集系统传递到计算机控制系统，如果所述处理后的测得值未达到设计要求，则依次重复步骤2、步骤3，直至所述处理后的测得值达到设计要求。
优选的，所述激光喷丸参数包括激光喷丸光束平顶分布变化度和路径。
优选的，所述激光喷丸设备为高功率脉冲激光器。
优选的，所述激光喷丸光束为平顶光束，激光光斑大小为3mm-8mm,激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复率1Hz-20Hz。
一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的装置，包括计算机控制系统，激光器电源，激光喷丸设备，透射镜，叶片零件机器人，叶片零件机器人控制系统，涂水机器人控制系统，涂水机器人，表面粗糙度测量仪，信息采集系统，所述计算机控制系统与所述激光器电源连接，所述激光器电源与所述激光喷丸设备连接，所述激光喷丸设备前方设置有透射镜；所述计算机控制系统与信息采集系统连接，所述信息采集系统与所述表面粗糙度测量仪连接；所述计算机控制系统与所述涂水机器人控制系统连接，所述所述涂水机器人控制系统与涂水机器人连接，所述计算机控制系统还与所述叶片零件机器人控制系统连接，所述叶片零件机器人控制系统与叶片零件机器人连接。
优选的，所述激光喷丸设备为高功率脉冲激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过涂水机器人与叶片零件机器人的联动定位、随叶片曲面变化自动调整水流法向角、水流恒定、水压力恒定，从而确保水流中心位置与激光束冲击位置之间距离的不变，保证了水约束层厚度的冲击区域的一致性；(2)本发明通过叶片零件机器人的灵活运动和激光喷丸强度的调整，可实现变截面复杂结构件表面粗糙度的控制；(3)本发明通过大数据挖掘的方式，由计算机内置的激光喷丸光束平顶变化度与表面粗糙度之间的对应关系确定光束平顶变化度，可实现叶片表面粗糙度的精确预测与控制；(4)本发明对叶片表面进行激光喷丸后表面形成了具有一定深度的高幅值残余压应力，可显著提高其抗疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的装置的示意图。
图2为本发明平顶光束的能量分布示意图；
图3为本发明待激光喷丸处理变截面薄壁复杂叶片示意图；
图4为本发明待激光喷丸处理变截面薄壁复杂叶片的待冲击区域截面示意图；
图5为本发明待激光喷丸处理变截面薄壁复杂叶片的原始粗糙度示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图1-5所示，一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，包括如下步骤：
步骤1：借助表面粗糙度测量仪(10)通过透射镜(4)对激光喷丸处理前的变截面薄壁复杂叶片(5)表面粗糙度进行测量得到处理前的测定值，并将所述处理前的测定值通过信息采集系统(11)传递到计算机控制系统(1)；
步骤2：计算机控制系统(1)根据所述变截面薄壁复杂叶片(5)所需的表面粗糙度精度要求，在计算机控制系统(1)内置的激光喷丸光束平顶变化度与粗糙度之间的对应关系的数据库中，以线性插值的方式，确定需进行表面处理的激光喷丸参数；
步骤3：计算机控制系统(1)根据所述激光喷丸参数控制叶片零件机器人控制系统(7)进而控制叶片零件机器人(6)的运动，并同时控制涂水机器人控制系统(8)进而控制涂水机器人(9)的运动，按所述计算机控制系统(1)确定的所述激光喷丸参数通过计算机控制系统(1)控制激光器电源(2)开启激光喷丸设备(3)对所述变截面薄壁复杂叶片(5)表面需处理部位进行激光喷丸处理；
步骤4：利用表面粗糙度测量仪(10)对经激光喷丸处理后的所述变截面薄壁复杂叶片(5)表面的粗糙度进行测量得到处理后的测得值，将所述处理后的测得值通过信息采集系统(11)传递到计算机控制系统(1)，如果所述处理后的测得值未达到设计要求，则依次重复步骤2、步骤3，直至所述处理后的测得值达到设计要求。
在本发明的具体技术方案中，步骤1中，表面粗糙度测量仪(10)测量变截面薄壁复杂叶片(5)表面粗糙度，通过信息采集系统(11)传递给计算机控制系统(1)，由计算机控制系统(1)内置的数据库系统，通过线性插值的方式，确定光束平顶分布变化度，进而改变激光喷丸能量分布；
步骤3中，计算机控制系统(1)通过叶片零件机器人控制系统(7)，涂水机器人控制系统(8)，分别控制与其相连的叶片零件机器人(6)，涂水机器人(9)，进而保证水约束层及黑漆保护层在喷丸区域厚度的一致性；
步骤4中，具体为通过改变激光束平顶分布变化度，逐步逼近，直至粗糙度达到设计要求。
所述激光喷丸参数包括激光喷丸光束平顶分布变化度和路径。
所述激光喷丸设备(3)为高功率脉冲激光器。
所述激光喷丸光束为平顶光束，激光光斑大小为3mm,激光脉冲宽度为8ns，脉冲重复率1Hz。
实施例二
如图1-5所示，一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，包括如下步骤：
步骤1：借助表面粗糙度测量仪(10)通过透射镜(4)对激光喷丸处理前的变截面薄壁复杂叶片(5)表面粗糙度进行测量得到处理前的测定值，并将所述处理前的测定值通过信息采集系统(11)传递到计算机控制系统(1)；
步骤2：计算机控制系统(1)根据所述变截面薄壁复杂叶片(5)所需的表面粗糙度精度要求，在计算机控制系统(1)内置的激光喷丸光束平顶变化度与粗糙度之间的对应关系的数据库中，以线性插值的方式，确定需进行表面处理的激光喷丸参数；
步骤3：计算机控制系统(1)根据所述激光喷丸参数控制叶片零件机器人控制系统(7)进而控制叶片零件机器人(6)的运动，并同时控制涂水机器人控制系统(8)进而控制涂水机器人(9)的运动，按所述计算机控制系统(1)确定的所述激光喷丸参数通过计算机控制系统(1)控制激光器电源(2)开启激光喷丸设备(3)对所述变截面薄壁复杂叶片(5)表面需处理部位进行激光喷丸处理；
步骤4：利用表面粗糙度测量仪(10)对经激光喷丸处理后的所述变截面薄壁复杂叶片(5)表面的粗糙度进行测量得到处理后的测得值，将所述处理后的测得值通过信息采集系统(11)传递到计算机控制系统(1)，如果所述处理后的测得值未达到设计要求，则依次重复步骤2、步骤3，直至所述处理后的测得值达到设计要求。
在本发明的具体技术方案中，步骤1中，表面粗糙度测量仪(10)测量变截面薄壁复杂叶片(5)表面粗糙度，通过信息采集系统(11)传递给计算机控制系统(1)，由计算机控制系统(1)内置的数据库系统，通过线性插值的方式，确定光束平顶分布变化度，进而改变激光喷丸能量分布；
步骤3中，计算机控制系统(1)通过叶片零件机器人控制系统(7)，涂水机器人控制系统(8)，分别控制与其相连的叶片零件机器人(6)，涂水机器人(9)，进而保证水约束层及黑漆保护层在喷丸区域厚度的一致性；
步骤4中，具体为通过改变激光束平顶分布变化度，逐步逼近，直至粗糙度达到设计要求。
所述激光喷丸参数包括激光喷丸光束平顶分布变化度和路径。
所述激光喷丸设备(3)为高功率脉冲激光器。
所述激光喷丸光束为平顶光束，激光光斑大小为8mm,激光脉冲宽度为16ns，脉冲重复率10Hz。
实施例三
如图1-5所示，一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，包括如下步骤：
步骤1：借助表面粗糙度测量仪(10)通过透射镜(4)对激光喷丸处理前的变截面薄壁复杂叶片(5)表面粗糙度进行测量得到处理前的测定值，并将所述处理前的测定值通过信息采集系统(11)传递到计算机控制系统(1)；
步骤2：计算机控制系统(1)根据所述变截面薄壁复杂叶片(5)所需的表面粗糙度精度要求，在计算机控制系统(1)内置的激光喷丸光束平顶变化度与粗糙度之间的对应关系的数据库中，以线性插值的方式，确定需进行表面处理的激光喷丸参数；
步骤3：计算机控制系统(1)根据所述激光喷丸参数控制叶片零件机器人控制系统(7)进而控制叶片零件机器人(6)的运动，并同时控制涂水机器人控制系统(8)进而控制涂水机器人(9)的运动，按所述计算机控制系统(1)确定的所述激光喷丸参数通过计算机控制系统(1)控制激光器电源(2)开启激光喷丸设备(3)对所述变截面薄壁复杂叶片(5)表面需处理部位进行激光喷丸处理；
步骤4：利用表面粗糙度测量仪(10)对经激光喷丸处理后的所述变截面薄壁复杂叶片(5)表面的粗糙度进行测量得到处理后的测得值，将所述处理后的测得值通过信息采集系统(11)传递到计算机控制系统(1)，如果所述处理后的测得值未达到设计要求，则依次重复步骤2、步骤3，直至所述处理后的测得值达到设计要求。
在本发明的具体技术方案中，步骤1中，表面粗糙度测量仪(10)测量变截面薄壁复杂叶片(5)表面粗糙度，通过信息采集系统(11)传递给计算机控制系统(1)，由计算机控制系统(1)内置的数据库系统，通过线性插值的方式，确定光束平顶分布变化度，进而改变激光喷丸能量分布；
步骤3中，计算机控制系统(1)通过叶片零件机器人控制系统(7)，涂水机器人控制系统(8)，分别控制与其相连的叶片零件机器人(6)，涂水机器人(9)，进而保证水约束层及黑漆保护层在喷丸区域厚度的一致性；
步骤4中，具体为通过改变激光束平顶分布变化度，逐步逼近，直至粗糙度达到设计要求。
所述激光喷丸参数包括激光喷丸光束平顶分布变化度和路径。
所述激光喷丸设备(3)为高功率脉冲激光器。
所述激光喷丸光束为平顶光束，激光光斑大小为5mm,激光脉冲宽度为12ns，脉冲重复率20Hz。
实施例四
如图1所示，一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的装置，包括计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，激光喷丸设备(3)，透射镜(4)，叶片零件机器人(6)，叶片零件机器人(6)控制系统(7)，涂水机器人控制系统(8)，涂水机器人(9)，表面粗糙度测量仪(10)，信息采集系统(11)，所述计算机控制系统(1)与所述激光器电源(2)连接，所述激光器电源(2)与所述激光喷丸设备(3)连接，所述激光喷丸设备(3)前方设置有透射镜(4)；所述计算机控制系统(1)与信息采集系统(11)连接，所述信息采集系统(11)与所述表面粗糙度测量仪(10)连接；所述计算机控制系统(1)与所述涂水机器人控制系统(8)连接，所述所述涂水机器人控制系统(8)与涂水机器人连接，所述计算机控制系统(1)还与所述叶片零件机器人(6)控制系统(7)连接，所述叶片零件机器人(6)控制系统(7)与叶片零件机器人(6)连接。
优选的，所述激光喷丸设备(3)为高功率脉冲激光器。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：借助表面粗糙度测量仪通过透射镜对激光喷丸处理前的变截面薄壁复杂叶片表面粗糙度进行测量得到处理前的测定值，并将所述处理前的测定值通过信息采集系统传递到计算机控制系统；
步骤2：计算机控制系统根据所述变截面薄壁复杂叶片所需的表面粗糙度精度要求，在计算机控制系统内置的激光喷丸光束平顶变化度与粗糙度之间的对应关系的数据库中，以线性插值的方式，确定需进行表面处理的激光喷丸参数；
步骤3：计算机控制系统根据所述激光喷丸参数控制叶片零件机器人控制系统进而控制叶片零件机器人的运动，并同时控制涂水机器人控制系统进而控制涂水机器人的运动，按所述计算机控制系统确定的所述激光喷丸参数通过计算机控制系统控制激光器电源开启激光喷丸设备对所述变截面薄壁复杂叶片表面需处理部位进行激光喷丸处理；
步骤4：利用表面粗糙度测量仪对经激光喷丸处理后的所述变截面薄壁复杂叶片表面的粗糙度进行测量得到处理后的测得值，将所述处理后的测得值通过信息采集系统传递到计算机控制系统，如果所述处理后的测得值未达到设计要求，则依次重复步骤2、步骤3，直至所述处理后的测得值达到设计要求。
2.如权利要求1所述的一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，其特征在于，所述激光喷丸参数包括激光喷丸光束平顶分布变化度和路径。
3.如权利要求1所述的一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，其特征在于，所述激光喷丸设备为高功率脉冲激光器。
4.如权利要求2所述的一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的方法，其特征在于，所述激光喷丸光束为平顶光束，激光光斑大小为3mm-8mm,激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复率1Hz-20Hz。
5.如权利要求1-4任一所述的一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的装置，其特征在于，包括计算机控制系统，激光器电源，激光喷丸设备，透射镜，叶片零件机器人，叶片零件机器人控制系统，涂水机器人控制系统，涂水机器人，表面粗糙度测量仪，信息采集系统，所述计算机控制系统与所述激光器电源连接，所述激光器电源与所述激光喷丸设备连接，所述激光喷丸设备前方设置有透射镜；所述计算机控制系统与信息采集系统连接，所述信息采集系统与所述表面粗糙度测量仪连接；所述计算机控制系统与所述涂水机器人控制系统连接，所述所述涂水机器人控制系统与涂水机器人连接，所述计算机控制系统还与所述叶片零件机器人控制系统连接，所述叶片零件机器人控制系统与叶片零件机器人连接。
6.如根据权利要求1-4任一所述的一种控制激光喷丸参数监控叶片表面粗糙度的装置，其特征在于，所述激光喷丸设备为高功率脉冲激光器。
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