CN110408925B - 激光熔覆机床激光头高度动态调节方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种激光熔覆机床激光头高度动态调节方法、装置及系统，利用与激光熔覆头平行安装并且在进给方向上存在前向偏置的位移传感器，在熔覆机床在加工过程中，动态判读当前工作区域，待熔覆激光头运动到相应的部位后，取出对应区域插值函数的参数，生成当前位置处工件的挠曲补偿误差，动态调整熔覆激光头高度，以达到消除工件挠曲变形误差；实时补偿工件挠曲变形，提高加工质量，具有高精度、高实时性、高动态性、结构简单、维护方便等优点。

Description

激光熔覆机床激光头高度动态调节方法、装置及系统

技术领域

本公开属于涉及激光熔覆机床激光头技术领域，具体涉及一种激光熔覆机床激光头高度动态调节方法、装置及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

激光熔覆是一种利用高能量激光束，迅速熔化熔覆材料和基体表面，进而产生一种完全不同成分和性能的涂层表面的改性技术。由于激光熔覆可以获得高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温涂层和热障涂层，被广泛应用于国防军工、航空航天、矿山机械、石油化工、汽车船舶、模具冶金等行业，实现表面改性、零件修复、涂层加工、堆积成形等。

激光熔覆过程需要严格控制激光头喷嘴到待熔覆工件上表面的距离，目的是精准控制熔覆层厚度，使其满足加工要求。但针对重型、长轴类工件，由于工件质量和尺寸较大，因此在两端夹持情况下，其重力引起的挠曲变形成为影响加工精度的主要因素之一，尤其是长轴类零件，影响更为显著。传统激光熔覆机床增加了随行托架完成接触式辅助支撑，以克服重型、长轴类工件由重力引起的挠曲变形。但接触式辅助支撑会由于工件轮廓形状、尺寸误差导致工件及托架振动，尤其在熔覆机床主轴装夹重型工件的情况下，工件、托架振动极其显著，更有可能引发共振，严重影响加工精度和威胁生产安全。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种激光熔覆机床激光头高度动态调节方法、装置及系统，本公开针对重型、长轴类工件的特殊性，在激光熔覆加工过程中有效实现激光头高度动态调整，实时补偿工件挠曲变形，提高加工质量，具有高精度、高实时性、高动态性、结构简单、维护方便等优点。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

本公开的第一目的是提供一种激光熔覆机床激光头高度动态调节装置，包括熔覆激光头，所述熔覆激光头的侧壁上安装有激光位移传感器，能够跟随熔覆激光头运动且在进给方向上存在前向偏置，测量熔覆激光头与待加工位置的距离，获得工件局部的离散挠曲变形参数，并通过输入输出模块传输给控制器，所述控制器被配置为利用四次插值的方法将离散挠曲变形参数形成连续的局部挠曲变形函数，将工件局部挠曲变形函数存储在工件变形补偿缓冲区内，待熔覆激光头运动到相应位置，利用已经计算好的补偿函数，动态调整激光头的高度，消除工件挠曲变形的影响。

上述技术方案考虑到重型、长轴类工件低速回转中存在的挠度变化微乎其微，且重型、长轴类工件在两端加持的情况下可以近似简化为简支梁，经推算可知，简支梁在均匀分布的重力载荷下的挠曲变形量为横向长度的四次函数，因此，使用四次插值在理论上可以实现挠曲变形补偿。故这种在线测量、实时补偿的方式能有效工件消除挠曲变形带来的影响。

作为进一步的限定，所述激光位移传感器按设定频率获取激光熔覆头与待加工位置的距离。

作为进一步的限定，所述激光位移传感器通过法兰装置水平安装于熔覆激光头侧壁上，并且其测距激光与熔覆激光头相互平行。

作为进一步的限定，所述激光位移传感器与激光熔覆头在进给方向上存在前向偏置，激光位移传感器总是先于激光熔覆头到达各个待加工位置。

作为进一步的限定，所述控制器分配测量数据缓冲区，采集到的数据先暂存于缓冲区内，控制器按批顺序取出缓冲区的数据，处理完成的从缓冲区内移除，实现采集数据的刷新。

作为进一步的限定，所述控制器将进行四次插值后的局部连续挠曲变形函数顺序存储于工件误差补偿缓区内。

本公开的第二目的是提供一种激光熔覆机床激光头高度动态调节方法，利用与激光熔覆头平行安装并且在进给方向上存在前向偏置的位移传感器，在熔覆机床在加工过程中，动态判读当前工作区域，待熔覆激光头运动到相应的部位后，取出对应区域插值函数的参数，生成当前位置处工件的挠曲补偿误差，动态调整熔覆激光头高度，以达到消除工件挠曲变形误差。

作为进一步的限定，获取的离散的距离信息以及当前激光器的位置信息，经过相对位置的转化处理，得到机床坐标系统下全局坐标点，并将处理得到的全局坐标点存储并刷新，成批取出全局坐标点，使用四次插值的方式得到局部连续四次插值函数，利用对应的函数参数计算当前误差补偿值，修正当前目标位置，进行运动调整。

本公开的第三目的是提供一种激光熔覆机床激光头高度动态调节系统，包括数据采集系统、数据处理系统、误差补偿系统和运动控制系统，激光熔覆机床的熔覆激光头的侧壁上安装有激光位移传感器，能够跟随熔覆激光头运动且在进给方向上存在前向偏置，测量对应的熔覆激光头与待加工位置的距离，数据采集系统通过激光位移传感器按照一定频率实时采集传感器到工件距离信息，获得工件局部的离散挠曲变形参数，并各自通过一输入输出模块将采集到的信息实时传输到机床控制器中存储起来；

数据处理系统从控制器中读出数据采集系统反馈的工件局部的离散挠曲变形参数以及通过运动控制系统查询到的当前激光器的位置信息，经过相对位置的转化处理，得到机床坐标系统下全局坐标点，并将处理得到的全局坐标点反馈给控制器的测量数据缓冲区，刷新测量数据缓冲区；

误差补偿系统从测量数据缓冲区中成批取出全局坐标点，使用四次插值的方式得到局部连续四次插值函数，将函数参数存储在控制器的误差补偿缓冲区内；

运动控制系统在每个通信周期内动态判读当前工作区域，取出暂存在误差缓冲区内的对应的插值函数，计算当前误差补偿值，修正当前目标位置，并刷新误差缓冲区内的数据，下发运动指令，动态调整熔覆激光头高度。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开使用四次插值的方式在线实时对工件挠曲变形离散数据进行处理，得到局部工件挠曲变形连续函数。在熔覆机床控制器每个通信周期内，利用得到的局部工件挠曲变形函数精确计算出此时的工件挠曲变形，能实时精确补偿工作区域内任意一点的挠曲变形误差；

本公开使用双缓冲的数据交互方式。激光位移传感器测得的离散距离数据先存储在测量数据缓冲区内，控制器从测量数据缓冲区内取出一批处理后，得到的四次插值函数的数据存储在工件误差补偿缓区内，待机床运动到该区域后计算对应的补偿值，实现实时工件挠曲变形误差消除。双缓冲的数据交互方式保证了系统的鲁棒性和实时性。

本公开使用到的激光位移传感器通过标准IO模块接入到主控制回路中，与运动控制统一，使用一个控制器控制可以保证测量与控制的同步，具有高实时性的特点，结构简单，对机床的适应性强。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开装置的侧视图；

图2为本公开装置的轴侧视图；

图3为本公开的工作原理示意图；

图4为本公开的控制系统示意图；

图5为本公开的控制流程图；

图6为本公开的工件受力分析示意图图；

图7为本公开的插值算法示意图；

其中，1-激光位移传感器，2-传感器法兰盘，3-熔覆激光头，4-工件，5-控制器，6-伺服驱动器，7-电机，8-标准IO模块。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。

除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

针对现有熔覆机床技术存在的不足，实现实时补偿工件挠曲变形，动态调整激光头高度，消除重型、长轴类工件挠曲变形引起的加工误差，本发明提供了一种带有激光位移传感器的熔覆机床激光头，以及动态调整激光头高度的控制算法，实现工件挠曲变形实时在线测量，工件挠曲变形实时精确补偿，消除重型、长轴类工件挠曲变形引起的加工误差，保证熔覆机床的加工质量。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种基于激光位移传感器的激光熔覆机床激光头高度动态调节装置，包括激光位移传感器1、传感器法兰盘2、熔覆激光头3、标准IO模块8、主控制器5以及熔覆机床各轴伺服驱动器6、电机7。激光位移传感器1通过传感器法兰盘2平行偏置安装于熔覆激光头3的侧壁上，跟随熔覆激光头运动。激光位移传感器按照一定频率实时采集传感器与工件4的距离信息，采集到的信息实时通过标准IO模块8反馈给主控制器5。激光位移传感器1测量得到工件表面相对于激光位移传感器1之间的距离，由于激光位移传感器1安装于熔覆激光头上并跟随熔覆激光头运动，因此需要在采集时将相对距离转化到机床系统坐标系内，实现坐标系统的统一。

熔覆激光头调高的过程如图5所示，激光位移传感器实时检测工件与激光头之间的相对距离，通过标准的IO模块，将离散的距离信息反馈给熔覆机床控制器。由于激光传感器在进给方向上超前于熔覆激光头，因此，需要先将采集到的数据存储起来，已备后续使用。

控制器在接收到反馈的离散的距离信息后，查询当前激光器的位置信息，经过相对位置的转化与计算，统一将激光传感器返回的相对距离信息转换到机床坐标系统中，得到一系列全局坐标点，并将处理得到的全局坐标点暂时存储在测量数据缓冲区内，同时刷新测量信息缓冲区。之后从缓冲区内成批取出全局坐标点，使用四次插值的方式的到局部连续四次插值函数，将函数参数存储在误差补偿缓冲区内。

主运动控制程序在每个通信周期内读取伺服实际参数，进行运动规划、轨迹插补等操作时，动态判读当前工作区域，根据当前的工作区域取出暂存在误差缓冲区内的对应的插值函数，计算当前误差补偿值，修正当前目标位置，并刷新误差缓冲区内的数据，然后下发运动指令，动态调整熔覆激光头高度，实现工件挠曲变形的实时补偿，保证熔覆加工精度。

由于重型、长轴类工件在两端卡盘夹持低速运转的情况下，其受力模型可简化为简支梁模型，工件的重量大时需考虑重力对模型的影响，故综合考虑将工件模型简化为受均布载荷的简支梁模型，如图3所示。其中具体插值计算过程为：

根据材料力学相关公式可得：

弯矩

微分方程

边界条件y(0)＝0，y(l)＝0。

其中，q为均布载荷(重力)，E为材料弹性模量，I为材料截面对弯曲中性轴的惯性矩。经过计算可得，挠度

可见，挠度为横向距离的四次函数，因此，若对传感器采集到的数据进行四次插值，可在理论上实现精确插值。

所述的四次插值计算过程如下，假定插值节点为x_k-2，x_k-1，x_k，x_k+1，x_k+2，使用四次插值生成多项式L₄(x)应满足：

L₄(x_j)＝y_j，j＝k-2，k-1，k，k+1，k+2. (1)

使用基函数方法，此时基函数l_k-2(x)，l_k-1(x)，l_k(x)，l_k+1(x)，l_k+2(x)是四次函数，且在节点上分别满足条件：

l_k-2(x_k-2)＝1，l_k-2(x_j)＝0，j＝k-1，k，k+1，k+2；

l_k-1(x_k-1)＝1，l_k-1(x_j)＝0，j＝k-2，k，k+1，k+2；

l_k(x_k)＝1，l_k(x_j)＝0，J＝k-2，k-1，k+1，k+2；

l_k+1(x_k+1)＝1，l_k+1(x_j)＝0，j＝k-2，k-1，k，k+2；

l_k+2(x_k+2)＝1，l_k+2(x_j)＝0，j＝k-2，k-1，k，k+1。 (2)满足条件(2)的插值基函数求解简单，例如求l_k-1(x)，因为，其有四个零点x_k-2，x_k，x_k+1，x_k+2，故可表示为：

l_k-1(x)＝A(x-x_k-2)(x-x_k)(x-x_k+1)(x-x_k+2)，

其中，A为待定系数，可由条件l_k-1(x_k-1)＝1定出

于是，

同理可得，

利用四次插值基函数l_k-2(x)，l_k-1(x)，l_k(x)，l_k+1(x)，l_k+2(x)在区间[x_k-2，x_k+2]上可得四次插值多项式

L₄(x)＝y_k-2l_k-2(x)+y_k-1l_k-1(x)+y_kl_k(x)+y_k+1l_k+1(x)+y_k+2l_k+2(x) (3)

将上面求得的l_k-1(x)，l_k(x)，l_k+1(x)，带入(3)式，得：

通过上述方法，对离散的重型、长轴类工件的挠曲变形进行四次插值，得到局部分段连续工件挠曲变形函数，获得工件的任一点挠曲变形，以此实现工件挠曲变形的实时补偿，熔覆激光头高度动态调整，保证激光熔覆加工质量。

如图4所示，提供一种基于激光位移传感器的激光熔覆机床激光头高度动态调节系统，包括数据采集系统、数据处理系统、运动控制系统以及误差补偿系统。

数据采集系统通过激光位移传感器按照一定频率实时采集传感器到工件距离信息，采集到的信息实时通过标准IO模块传输到机床控制器中存储起来。

数据处理系统从控制器中读出数据采集系统反馈的离散的距离信息以及通过运动控制系统查询到的当前激光器的位置信息，经过相对位置的转化处理，得到一系列机床坐标系统下全局坐标点，并将处理得到的全局坐标点反馈给控制器的测量数据缓冲区，刷新测量数据缓冲区。

误差补偿系统从控制器的测量数据缓冲区中成批取出全局坐标点，使用四次插值的方式得到局部连续四次插值函数，将函数参数存储在控制器的误差补偿缓冲区内。

运动控制系统在每个通信周期内进行运动规划、轨迹插补等操作时，动态判读当前工作区域，取出暂存在误差缓冲区内的对应的插值函数，计算当前误差补偿值，修正当前目标位置，并刷新误差缓冲区内的数据，下发运动指令，动态调整熔覆激光头高度。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种激光熔覆机床激光头高度动态调节装置，其特征是：包括熔覆激光头，所述熔覆激光头的侧壁上安装有激光位移传感器，能够跟随熔覆激光头运动且在进给方向上存在前向偏置，测量熔覆激光头与待加工位置的距离，获得工件局部的离散挠曲变形参数，并通过输入输出模块传输给控制器，所述控制器被配置为利用四次插值的方法将离散挠曲变形参数形成连续的局部挠曲变形函数，将工件局部挠曲变形函数存储在工件变形补偿缓冲区内，待熔覆激光头运动到相应位置，利用已经计算好的补偿函数，动态调整激光头的高度，消除工件挠曲变形的影响；

所述控制器分配测量数据缓冲区，采集到的数据经过处理后先暂存于缓冲区内，控制器按批顺序取出缓冲区的数据，插值完成数据的从缓冲区内移除，实现采集数据的刷新；

所述控制器将进行四次插值后的局部连续挠曲变形函数顺序存储于工件误差补偿缓区内。

2.如权利要求1所述的一种激光熔覆机床激光头高度动态调节装置，其特征是：所述激光位移传感器按设定频率获取激光熔覆头与待加工位置的距离。

3.如权利要求1所述的一种激光熔覆机床激光头高度动态调节装置，其特征是：所述激光位移传感器通过法兰装置水平安装于熔覆激光头侧壁上，且其测距激光与熔覆激光头相互平行。

4.如权利要求1所述的一种激光熔覆机床激光头高度动态调节装置，其特征是：所述激光位移传感器与激光熔覆头在进给方向上存在前向偏置，激光位移传感器总是先于激光熔覆头到达各个待加工位置。

5.一种激光熔覆机床激光头高度动态调节方法，其特征是：利用与激光熔覆头平行安装并且在进给方向上存在前向偏置的位移传感器，在熔覆机床在加工过程中，动态判读当前工作区域，待熔覆激光头运动到相应的部位后，取出对应区域插值函数的参数，生成当前位置处工件的挠曲补偿误差，动态调整熔覆激光头高度，以达到消除工件挠曲变形误差；

获取的离散的距离信息以及当前激光器的位置信息，经过相对位置的转化处理，得到机床坐标系统下全局坐标点，并将处理得到的全局坐标点存储并刷新，成批取出全局坐标点，使用四次插值的方式得到局部连续四次插值函数，利用对应的函数参数计算当前误差补偿值，修正当前目标位置，进行运动调整。

6.如权利要求5所述的一种激光熔覆机床激光头高度动态调节方法，其特征是：离散的距离信息按设定频率获取。

7.一种激光熔覆机床激光头高度动态调节系统，其特征是：包括数据采集系统、数据处理系统、误差补偿系统和运动控制系统，激光熔覆机床的熔覆激光头的侧壁上安装有激光位移传感器，能够跟随熔覆激光头运动且在进给方向上存在前向偏置，测量对应的熔覆激光头与待加工位置的距离，数据采集系统通过激光位移传感器按照一定频率实时采集传感器到工件距离信息，获得工件局部的离散挠曲变形参数，并各自通过一输入输出模块将采集到的信息实时传输到机床控制器中存储起来；

数据处理系统从控制器中读出数据采集系统反馈的工件局部的离散挠曲变形参数以及通过运动控制系统查询到的当前激光器的位置信息，经过相对位置的转化处理，得到机床坐标系统下全局坐标点，并将处理得到的全局坐标点反馈给控制器的测量数据缓冲区，刷新测量数据缓冲区；

误差补偿系统从测量数据缓冲区中成批取出全局坐标点，使用四次插值的方式得到局部连续四次插值函数，将函数参数存储在控制器的误差补偿缓冲区内；

运动控制系统在每个通信周期内动态判读当前工作区域，取出暂存在误差缓冲区内的对应的插值函数，计算当前误差补偿值，修正当前目标位置，并刷新误差缓冲区内的数据，下发运动指令，动态调整熔覆激光头高度。

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