CN107138857A - 一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置及方法。本发明强化激光器能自由移动于工件两侧，使校形激光器和强化激光器分布于工件同侧或两侧，校形激光器进行校形工序，同时强化激光器同步进行强化工序，在线监测系统监测工件表面性能和形状尺寸，实时跟踪反馈系统将在线监测系统监测到的数据反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，进行自动补偿，消除了工件校形和同步强化的协同影响，提高工件表面精度的同时，也很大程度上提高了加工效率。另外，通过计算机和各模块配合，通过采集到的数据分析误差，选择最优的工作方案，使工件不断地被优化直至达到工件加工要求。

Description

一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造的技术领域，尤其涉及到一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置及方法。

背景技术

目前，单独进行校形存在一些问题：航空发动机整体叶盘、叶片的校形会在一定程度上破坏零件组织，改变金属材料表层组织，降低金属零件的表面性能，结构的疲劳性能和表面精度难以达到要求。

单独进行强化存在一些问题：单独进行强化只强化了部分区域，激光冲击强化后叶片的疲劳寿命得到大幅度的提高，但是会出现应力变化幅度大的问题，为了解决上述现象，可以对整个叶片表面进行激光冲击处理，但这将大大降低加工效率，而且，整体表面处理由于残余压应力的释放会引起叶片比较大的变形，影响叶片的使用性能。

现有技术中，零件加工过程的跟踪检测，零件表面的质量评估，零件整体结构的分析，加工过程的控制系统，反馈系统和调节设备基本采用“一步一停”的方式，即：先进行零件表面的在线跟踪检测，之后反馈系统进行数据信息的传递，然后由控制系统控制调节设备进行零件的加工，加工完成后，在线跟踪检测系统对零件表面进行质量评估，并对零件整体结构进行分析。

所以，航空发动机整体叶盘、叶片等工件分步进行校形和强化时，其单独作用效果会相互干扰，协同影响，降低零件加工的质量。同时，零件加工过程中的辅助系统采用“一步一停”的工作方式，会出现超前，滞后现象，导致工作效率低；各步和各环节之间的误差使零件的加工质量达不到要求。同时，激光冲击强化后叶片的疲劳寿命得到大幅度的提高，但是会出现应力变化幅度大的问题，但对整个叶片表面进行激光冲击处理，将大大降低加工效率，释放残余压应力，引起叶片比较大的变形，影响叶片的使用性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加工效率高、质量好、寿命长、保证达到生产要求的双激光束自动补偿同步校形与强化装置。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：装置包括校形激光器、强化激光器、分别控制校形激光器和强化激光器的校形激光器控制系统和强化激光器控制系统、分别调节校形激光器和强化激光器功率的校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置、监测工件表面性能和形状尺寸的在线监测系统、将在线监测系统监测到的数据反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置的实时跟踪反馈系统、控制工件旋转的工件旋转装置、计算机。

其中，工件固定在工件旋转装置上，校形激光器、强化激光器位于工件侧；校形激光器控制系统分别与校形激光器功率调节装置和校形激光器连接，而强化激光器控制系统分别与强化激光器功率调节装置和强化激光器连接；在线监测系统通过实时跟踪反馈系统分别与校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置连接；工件旋转装置、校形激光器功率调节装置、强化激光器功率调节装置、实时跟踪反馈系统均与计算机连接，由计算机控制。

上述的校形激光器、强化激光器根据校形和强化过程中的不同的要求，两激光器可以选择不同的参数规格。

强化激光器能自由移动于工件两侧，使校形激光器和强化激光器可以分布在叶片的同侧进行同步工作：在线监测系统位于校形激光器和强化激光器之间，相隔距离由校形和强化产生的相应温度场的交融分析得出，实现三者的同步作用。校形激光器和强化激光器也可以分布在叶片两侧相应部位同步工作：校形激光器和强化激光器呈中心线对称分布，在线监测系统与校形激光器同侧且相隔一定距离，实现三者的同步作用。通过误差分析选择最优的工作方案，利于加快加工效率。

利用在线监测系统进行工件表面的同步检测，通过实时跟踪反馈系统，将工件表面信息和参数调整传递给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，分别调节控制两激光器的参数，自动补偿后重复多次进行校形和强化。

加工完一个工件表面，通过工件旋转装置可以旋转工件至任意角度，同时配合两激光器转动，实现任意角度的工件表面的校形和强化。

为实现上述目的，本发明另外提供一种用于双激光束自动补偿同步校形与强化装置的方法：步骤如下：

(1)原始数据采集：

进行同步校形与强化工件前，在线监测系统监测工件尺寸和形状参数，计算机保存数据为原始数据X0，同时实时跟踪反馈系统传递信息给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，计算机记录此时校形激光器和强化激光器参数，作为该两激光器参数调节的原始数据M0；

(2)误差分析：

当航空发动机整体叶盘、叶片达到理想情况时，计算机进行原始数据分析计算，得出工件尺寸和形状等参数X和激光器参数M，分别作为同步校形和激光器参数调节控制标准；分析原始数据X0与理想参数X的误差，记录此数据S0，作为同步校形和强化过程中误差最小化的原始数据；

(3)校形激光器和强化激光器同侧自动补偿同步校形与强化：

校形激光器和强化激光器均位于工件同一侧；校形激光器进行校形时，在线监测系统进行实时跟踪，并将校形后的工件尺寸参数，先后反馈给强化激光器和校形激光器；校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置分别调节校形激光器和强化激光器参数，控制强化激光器同步工作，实现校形—检测和反馈—强化的同步作用；

(4)同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后进行数据采集和误差分析：

在线监测系统收集工件表面性能和形状尺寸等参数X1和两激光器参数M1，计算机记录保存数据后，反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，并进行误差分析,记录保存数据S1；

(5)若同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后工件表面性能和形状尺寸参数达到相关要求，同时误差在允许的误差范围内，则加工完毕，否则进入步骤(6)；

(6)校形激光器和强化激光器两侧自动补偿同步校形与强化：

校形激光器和强化激光器分别位于工件两侧进行工作；校形激光器进行校形时，在线监测系统进行实时跟踪，并将校形后的工件尺寸参数，先后反馈给强化激光器和校形激光器；校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置分别调节校形激光器和强化激光器参数，强化激光器控制系统控制强化激光器同步工作，实现校形—检测和反馈—强化的同步作用；

(7)两侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后进行数据采集和误差分析：

在线监测系统收集工件表面性能和结构尺寸等参数X2和两激光器参数M2，计算机记录保存数据后，反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，并进行误差分析,记录保存数据S2；

(8)若两侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后工件表面性能和形状尺寸参数达到相关要求，同时误差在允许的误差范围内，则加工完毕，否则进入步骤(9)；

(9)对比分析校形激光器和强化激光器同侧自动补偿同步校形与强化的数据以及校形激光器和强化激光器两侧自动补偿同步校形与强化的数据，选择其中效果最佳的工作方案；

(10)按照最佳工作方案不断重复加工，直至工件表面性能和形状尺寸参数Xn达到相关要求且误差Sn在允许的误差范围内为止。

与现有技术相比，本方案的原理以及相应的有益效果如下：

本方案中，强化激光器能自由移动于工件两侧，使校形激光器和强化激光器分布于工件同侧或两侧，校形激光器进行校形工序，强化激光器进行强化工序，在线监测系统监测工件表面性能和形状尺寸，实时跟踪反馈系统将在线监测系统监测到的数据反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，进行自动补偿，消除了工件校形和同步强化的协同影响，提高工件表面精度的同时，也很大程度上提高了加工效率。另外，通过计算机和各模块配合，通过采集到的数据分析误差，选择最优的工作方案，使工件不断地被优化直至达到工件加工要求。

附图说明

图1为本发明实施例校形激光器和强化激光器位于工件同侧时的结构示意图；

图2为本发明实施例校形激光器和强化激光器位于工件两侧时的结构示意图；

图3为本发明实施例的工作原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1-2所示，本实施例所述的一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置，包括校形激光器1、强化激光器2、分别控制校形激光器1和强化激光器2的校形激光器控制系统3和强化激光器控制系统4、分别调节校形激光器1和强化激光器2功率的校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6、监测工件a表面性能和形状尺寸的在线监测系统7、将在线监测系统7监测到的数据反馈给校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6的实时跟踪反馈系统8、控制工件a旋转的工件旋转装置9、计算机10。

其中，工件a固定在工件旋转装置9上，校形激光器1、强化激光器2位于工件a侧；校形激光器控制系统3分别与校形激光器功率调节装置5和校形激光器1连接，而强化激光器控制系统4分别与强化激光器功率调节装置6和强化激光器2连接；在线监测系统7通过实时跟踪反馈系统8分别与校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6连接；工件旋转装置9、校形激光器功率调节装置5、强化激光器功率调节装置6、实时跟踪反馈系统8均与计算机10连接，由计算机10控制。

上述的校形激光器1、强化激光器2根据校形和强化过程中的不同的要求，两激光器可以选择不同的参数规格。

强化激光器2能自由移动于工件a两侧，使校形激光器1和强化激光器2可以分布在工件a的同侧进行同步工作，也可以分布在工件a两侧相应部位同步工作，通过误差分析选择最优的工作方案，利于加快加工效率。

利用在线监测系统7进行工件a表面的同步检测，通过实时跟踪反馈系统8，将工件a表面信息和参数调整传递给校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6，分别调节控制两激光器的参数，自动补偿后重复多次进行校形和强化。

加工完一个工件a表面，通过工件旋转装置9可以旋转工件a至任意角度，同时配合两激光器转动，实现任意角度的工件a表面的校形和强化。

如图3所示，具体的工作步骤如下：

(1)原始数据采集：

进行同步校形与强化工件a前，在线监测系统7监测工件a尺寸和形状参数，计算机10保存数据为原始数据X0，同时实时跟踪反馈系统8传递信息给校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6，计算机10记录此时校形激光器1和强化激光器2参数，作为该两激光器参数调节的原始数据M0；

(2)误差分析：

当航空发动机整体叶盘、叶片达到理想情况时，计算机10进行原始数据分析计算，得出工件a尺寸和形状等参数X和激光器参数M，分别作为同步校形和激光器参数调节控制标准；分析原始数据X0与理想参数X的误差，记录此数据S0，作为同步校形和强化过程中误差最小化的原始数据；

(3)校形激光器1和强化激光器2同侧自动补偿同步校形与强化：

校形激光器1和强化激光器2均位于工件a同一侧进行工作；校形激光器1进行校形时，在线监测系统7进行实时跟踪，并将校形后的工件a尺寸参数，先后反馈给强化激光器2和校形激光器1；校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6分别调节校形激光器1和强化激光器2参数，强化激光器控制系统4控制强化激光器2同步工作，实现校形—检测和反馈—强化的同步作用；

(4)同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后进行数据采集和误差分析：

在线监测系统7收集工件a表面性能和形状尺寸等参数X1和两激光器参数M1，计算机10记录保存数据后，反馈给校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6，并进行误差分析,记录保存数据S1；

(5)若同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后工件表面性能和形状尺寸参数达到相关要求，同时误差在允许的误差范围内，则加工完毕，否则进入步骤(6)；

(6)校形激光器1和强化激光器2两侧自动补偿同步校形与强化：

校形激光器和强化激光器分别位于工件两侧进行工作；校形激光器进行校形时，在线监测系统进行实时跟踪，并将校形后的工件尺寸参数，先后反馈给强化激光器和校形激光器；校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置分别调节校形激光器和强化激光器参数，强化激光器控制系统控制强化激光器同步工作，实现校形—检测和反馈—强化的同步作用；

(7)两侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后进行数据采集和误差分析：

在线监测系统7收集工件a表面性能和结构尺寸等参数X2和两激光器参数M2，计算机10记录保存数据后，反馈给校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6，并进行误差分析,记录保存数据S2；

(8)若两侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后工件表面性能和形状尺寸参数达到相关要求，同时误差在允许的误差范围内，则加工完毕，否则进入步骤(9)；

(9)对比分析校形激光器1和强化激光器2同侧自动补偿同步校形与强化的数据以及校形激光器1和强化激光器2两侧自动补偿同步校形与强化的数据，选择其中效果最佳的工作方案；

(10)按照最佳工作方案不断重复加工，直至工件a表面性能和形状尺寸参数Xn达到相关要求且误差Sn在允许的误差范围内为止。

本实施例中，强化激光器2能自由移动于工件a两侧，使校形激光器1和强化激光器2分布于工件a同侧或两侧，校形激光器1进行校形工序，强化激光器2进行强化工序，在线监测系统7监测工件a表面性能和形状尺寸，实时跟踪反馈系统8将在线监测系统7监测到的数据反馈给校形激光器功率调节装置5和强化激光器功率调节装置6，进行自动补偿，消除了工件a校形和同步强化的协同影响，提高工件a表面精度的同时，也很大程度上提高了加工效率。另外，通过计算机10和各模块配合，通过采集到的数据分析误差，选择最优的工作方案，使工件a不断地被优化直至达到工件加工要求。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置，其特征在于：包括校形激光器(1)、强化激光器(2)、分别控制校形激光器(1)和强化激光器(2)的校形激光器控制系统(3)和强化激光器控制系统(4)、分别调节校形激光器(1)和强化激光器(2)功率的校形激光器功率调节装置(5)和强化激光器功率调节装置(6)、监测工件表面性能和形状尺寸的在线监测系统(7)、将在线监测系统(7)监测到的数据反馈给校形激光器功率调节装置(5)和强化激光器功率调节装置(6)的实时跟踪反馈系统(8)、控制工件旋转的工件旋转装置(9)、计算机(10)；其中，工件固定在工件旋转装置(9)上，校形激光器(1)、强化激光器(2)位于工件侧；校形激光器控制系统(3)分别与校形激光器功率调节装置(5)和校形激光器(1)连接，而强化激光器控制系统(4)分别与强化激光器功率调节装置(6)和强化激光器(2)连接；在线监测系统(7)通过实时跟踪反馈系统(8)分别与校形激光器功率调节装置(5)和强化激光器功率调节装置(6)连接；工件旋转装置(9)、校形激光器功率调节装置(5)、强化激光器功率调节装置(6)、实时跟踪反馈系统(8)均与计算机(10)连接，由计算机(10)控制。

2.根据权利要求1所述的一种双激光束自动补偿同步校形与强化装置，其特征在于：所述强化激光器(2)自由移动于工件两侧。

3.一种用于权利要求1所述双激光束自动补偿同步校形与强化装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)原始数据采集：

进行同步校形与强化工件前，在线监测系统监测工件尺寸和形状参数，计算机保存数据为原始数据X0，同时实时跟踪反馈系统传递信息给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，计算机记录此时校形激光器和强化激光器参数，作为该两激光器参数调节的原始数据M0；

(2)误差分析：

当航空发动机整体叶盘、叶片达到理想情况时，计算机进行原始数据分析计算，得出工件尺寸和形状等参数X和激光器参数M，分别作为同步校形和激光器参数调节控制标准；分析原始数据X0与理想参数X的误差，记录此数据S0，作为同步校形和强化过程中误差最小化的原始数据；

(3)校形激光器和强化激光器同侧自动补偿同步校形与强化：

校形激光器和强化激光器均位于工件同一侧进行工作；校形激光器进行校形时，在线监测系统进行实时跟踪，并将校形后的工件尺寸参数，先后反馈给强化激光器和校形激光器；校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置分别调节校形激光器和强化激光器参数，强化激光器控制系统控制强化激光器同步工作，实现校形—检测和反馈—强化的同步作用；

(4)同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后进行数据采集和误差分析：

在线监测系统收集工件表面性能和形状尺寸等参数X1和两激光器参数M1，计算机记录保存数据后，反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，并进行误差分析,记录保存数据S1；

(5)若同侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后工件表面性能和形状尺寸参数达到相关要求，同时误差在允许的误差范围内，则加工完毕，否则进入步骤(6)；

(6)校形激光器和强化激光器两侧自动补偿同步校形与强化；

(7)两侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后进行数据采集和误差分析：

在线监测系统收集工件表面性能和结构尺寸等参数X2和两激光器参数M2，计算机记录保存数据后，反馈给校形激光器功率调节装置和强化激光器功率调节装置，并进行误差分析,记录保存数据S2；

(8)若两侧实现校形—检测和反馈—强化同步作用后工件表面性能和形状尺寸参数达到相关要求，同时误差在允许的误差范围内，则加工完毕，否则进入步骤(9)；

(9)对比分析校形激光器和强化激光器同侧自动补偿同步校形与强化的数据以及校形激光器和强化激光器两侧自动补偿同步校形与强化的数据，选择其中效果最佳的工作方案；

(10)按照最佳工作方案不断重复加工，直至工件表面性能和形状尺寸参数Xn达到相关要求且误差Sn在允许的误差范围内为止。