CN110616426B - 用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统 - Google Patents

用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统，熔覆头包括悬浮支撑件、内孔熔覆头连接座、熔覆头连接杆、光纤、光纤接口和熔覆喷嘴；内孔熔覆头连接座与熔覆头连接杆一端相连，熔覆头连接杆的另一端与熔覆喷嘴相连，熔覆头连接杆底壁开通多个小孔通道，分别用于嵌入悬浮支撑件；悬浮支撑件用于调整熔覆喷嘴与工件内壁的高度距离；光纤尾部通过光纤接口固定在内孔熔覆头连接座上，用于沿熔覆头连接杆轴向方向投射激光束。本发明采用液压悬浮式的结构，零件本身提供支撑熔覆头的均布力，优化内孔熔覆头的受力状态，用于大深径比的内孔零件的激光修复，并提供了一种调节内孔熔覆头高度的方法，用于内孔壁有不规则起伏的工件。

Description

用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，尤其涉及一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统。
背景技术
在机械零部件的加工制造中，对于深孔的加工，一直是加工制造业中一项困难性高、操作复杂的任务。尤其深孔加工对加工的工艺和技术要求都很高，一般的加工技术很难满足其加工精度和质量的要求。对于深孔加工，通常是指孔的长度和直径的比值至少要在5以上，在实际工作中，很多深孔的长度和直径的比都要达到10以上，涉及的加工工艺和技术要求更高。
目前，采用激光熔覆大深径比的内孔零件时，内孔熔覆头通常依靠连接件刚性固定在机器人法兰上，通过机器人控制内孔熔覆头的位置。由于激光内孔加工头需要伸入到零件内部进行修复，内孔熔覆头的结构可简化为一悬臂粱，为保证激光在激光头内部传输时不被影响，内孔头端部的挠度必须控制在较小的范围内，但受到材料强度及结构方面的限制，在内孔熔覆头横截面保持不变时，悬臂长度无法大幅度提升，即当前结构的内孔熔覆头无法用于大深径比内孔零件的修复，典型的极限深径比约在30左右。
发明内容
发明目的：针对现有技术中对内孔零件修复的深径比不满足现有市场需求的缺陷，本发明公开了一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统，使得深径比大大提升，超过80。
技术方案：本发明公开了一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统，熔覆头包括悬浮支撑件、内孔熔覆头连接座、熔覆头连接杆、光纤、光纤接口和熔覆喷嘴；所述内孔熔覆头连接座与熔覆头连接杆一端相连，所述熔覆喷嘴用于投射汇聚的激光束，并将粉末从熔覆头连接杆内部输送到汇聚光斑处；熔覆头连接杆的另一端与熔覆喷嘴相连，熔覆头连接杆底壁开通多个小孔通道，分别用于嵌入悬浮支撑件；所述悬浮支撑件用于调整熔覆喷嘴的高度距离；所述光纤尾部通过光纤接口固定在内孔熔覆头连接座上，用于沿熔覆头连接杆轴向方向投射激光束。
优选地，所述内孔熔覆头内部光路主要包括准直、聚焦和反射镜片；其中所述准直镜片安装于内孔熔覆头连接座内，用于将从光纤接口发出的发散激光束汇聚为平行光束；所述聚焦和反射镜片安装于熔覆头连接杆内靠近熔覆喷嘴位置，用于汇聚平行激光束并发射。
优选地，所述聚焦和反射镜片可用积分镜置换，所述积分镜用于聚焦和反射激光束。
优选地，所述悬浮支撑件包括限位块、缸体、活塞杆、滚轮和配合面；所述缸体嵌入熔覆头连接杆下侧开通的小孔通道，所述活塞杆置于缸体内部，限位块固定在活塞杆顶端，用于防止活塞杆从缸体中滑出，滚轮固定在活塞杆底端，活塞杆在上下滑动过程中始终接触配合面；所述熔覆连接杆通过悬浮支撑件安装在待加工的工件的内孔壁上
优选地，所述熔覆头连接杆包括液压油腔道、液压油注入口和液压油；其中液压油腔道包含液压油注入口，位于熔覆头连接杆下侧内部，熔覆头连接杆下侧开通的小孔通道与液压油腔道导通，悬浮支撑件中的限位块位于液压油腔道与小孔通道的交接处；液压油从液压油注入口灌进液压油腔道中，液体施力于限位块上，并控制悬浮支撑件中活塞杆的上下滑动，调整内孔熔覆头与工件内孔壁之间的距离。
进一步地，所述一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统还包括铰链、和机械臂；所述内孔熔覆头连接座通过铰链固定于机械臂上，所述机械臂还用于实现内孔熔覆头沿工件轴向移动。
进一步地，所述一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统，还包括变位机和托轨；所述变位机侧壁设有可调的固定组件，用于固定工件，使工件孔口对准内孔熔覆头连接座、熔覆头连接杆伸入；所述托轨用于固定工件下方。
优选地，所述一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统，还包括CCD图像传感器和数字处理系统；熔覆头连接杆上壁外接CCD图像传感器，CCD图像传感器采集熔覆加工时工件内表面的CCD图像通过数据线传输到数字处理系统，数字处理系统对CCD图像处理分析，得出熔覆喷嘴与工件内孔壁之间距离。
进一步地，所述调整熔覆喷嘴与工件内孔壁之间距离包括以下步骤：
步骤A、检测待调整的熔覆喷嘴与工件内孔壁之间距离：对于内孔壁表面有不规则起伏的工件，根据熔覆头连接杆外接的CCD图；
步骤B、求虚拟旋转中心的位置：机器人法兰通过铰链控制激光熔覆头外侧部分的高度，通过杠杆原理控制内侧熔覆喷嘴高度，虚拟的杠杆旋转中心位置只和悬浮支撑件组件位置和活塞杆截面积相关并遵循公式：
Figure GDA0004158070930000031
其中DRx是虚拟旋转中心的位置，D1、D2…Dn是第n个悬浮支撑件的位置，S1、S2…Sn是第n个悬浮组件活塞杆的截面积；
步骤C、像传感器采集的CCD图像，使用三角测距法求出熔覆喷嘴与工件内孔壁之间距离差值；对熔覆头连接杆受力平衡分析：由于液压油几乎不可以压缩，内孔熔覆头的重量通过各个支撑组件分散到工件内壁上时，满足公式：
Figure GDA0004158070930000032
其中G为熔覆头重力，F1、F2...Fn分别是第n个悬浮支撑件提供的向上的支撑力，D1、D2…Dn是第n个悬浮支撑件的位置，Fj为铰链提供的支撑力，Di和Dn分别为铰链提供的支撑力和悬浮支撑件提供的支撑力到熔覆头连接杆重心的距离，Fx和Fx+1分别为重心左边和右边最近的悬浮支撑件所提供的支撑力，Dx和Dx+1分别为重心左边和右边最近的悬浮支撑件的位置。
步骤D、根据力矩平衡通过机器人法兰高度调整改变熔覆喷嘴高度：待调整的熔覆喷嘴与工件内孔壁之间的高度ZN与铰链控制激光熔覆头外侧部分的高度Zj之间公式关系为：
Figure GDA0004158070930000033
其中，Dr2j为从铰链到虚拟旋转中心的距离，Dr2n为从虚拟旋转中心到喷嘴中心的距离。
有益效果：本发明公开了一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统，对熔覆头采用一种液压悬浮式的结构，此结构依靠零件本身提供支撑内孔熔覆头的均布力，可大幅度的优化内孔熔覆头的受力状态，可用于大于80的大深径比的内孔零件的激光修复，并提供了一种调节内孔熔覆头高度的方法，配合合适的熔覆加工系统，可以适用于内孔壁表面有不规则起伏的工件。
附图说明
图1为本发明的总体方案图；
图2为本发明的悬浮支撑件结构图；
其中a为主视图；b为右视图；c为俯视图；
图3中d为本发明的连接杆与悬浮支撑连接图；
其中e为悬浮支撑的限位块到达上限位置示意图；f为悬浮支撑的限位块到达下限位置示意图；
图4为本发明的内孔熔覆头受力分析图；
图5为本发明的熔覆喷嘴与工件表面的距离调节图；
其中g为调整后状态图；h为初始状态图；54为虚拟旋转中心点；
图6为本发明的熔覆喷嘴距离调节总体实物图；
具体实施方式
本发明公开了一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统，通过以下方案实现：熔覆头如附图1所示，包括悬浮支撑件2、内孔熔覆头连接座4、熔覆头连接杆5、光纤11、光纤接口12和熔覆喷嘴10；内孔熔覆头连接座4与熔覆头连接杆5一端相连，熔覆头连接杆5的另一端与熔覆喷嘴10相连，熔覆喷嘴10用于投射汇聚的激光束，并将粉末从熔覆头连接杆5内部输送到汇聚光斑处；熔覆头连接杆5底壁开通多个小孔通道，分别用于嵌入悬浮支撑件2；悬浮支撑件2用于调整熔覆喷嘴10的高度距离；光纤11尾部通过光纤接口12固定在内孔熔覆头连接座4上，用于沿熔覆头连接杆5轴向方向投射激光束。其中内孔熔覆头内部光路主要包括准直、聚焦和反射镜片；准直镜片安装于内孔熔覆头连接座4内，用于将从光纤接口12发出的发散激光束汇聚为平行光束；聚焦和反射镜片安装于熔覆头连接杆5内靠近熔覆喷嘴10位置，用于汇聚平行激光束并发射。聚焦和反射镜片还可用积分镜置换，积分镜兼具聚焦和反射镜片功能，实现聚焦和反射激光束。
如附图2所示，悬浮支撑件2包括限位块21、缸体22、活塞杆23、滚轮24和配合面25；缸体22嵌入熔覆头连接杆5下侧开通的小孔通道，活塞杆23置于缸体22内部，限位块21固定在活塞杆23顶端，用于防止活塞杆23从缸体22中滑出，滚轮24固定在活塞杆23底端，活塞杆23在上下滑动过程中始终接触配合面25；熔覆连接杆通过悬浮支撑件2安装在待加工的工件9的内孔壁上。
如附图3所示，熔覆头连接杆5包括液压油腔道51、液压油注入口52和液压油53；其中液压油腔道51包含液压油注入口52，位于熔覆头连接杆5下侧内部，熔覆头连接杆5下侧开通的小孔通道与液压油腔道51导通，悬浮支撑件2中的限位块21位于液压油腔道51与小孔通道的交接处；液压油53从液压油注入口52灌进液压油腔道51中，液体施力于限位块21上，并控制悬浮支撑件2中活塞杆23的上下滑动，调整熔覆喷嘴10与工件9内孔壁之间的距离。
一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统还包括铰链6和机械臂8；机械臂8与机器人法兰7相连接，内孔熔覆头连接座4通过铰链6固定于机器人法兰7，即固定于机械臂8上，机械臂还用于实现内孔熔覆头沿工件轴向移动；本系统还包括变位机1和托轨3；变位机1用于固定工件9，使工件9孔口对准内孔熔覆头连接座4、熔覆头连接杆5伸入；托轨3于固定工件9下方。本系统还包括CCD图像传感器和数字处理系统；熔覆头连接杆5上壁外接CCD图像传感器，CCD图像传感器采集熔覆加工时工件内表面的CCD图像通过数据线传输到数字处理系统，数字处理系统对CCD图像处理分析，得出熔覆喷嘴10与工件9内孔壁之间距离。
在进行激光熔覆时，熔覆喷嘴10距离工件9表面的距离会影响到激光光斑的大小、粉末汇聚直径等关键工艺因素，进而影响到熔覆质量、粉末利用率等熔覆指标。为了保证内孔激光熔覆的质量，必须提供调整此距离的方法，
进一步地，熔覆喷嘴10与工件9内孔壁之间距离包括以下步骤：
步骤A、检测待调整的熔覆喷嘴10与工件9内孔壁之间距离：对于内孔壁表面有不规则起伏的工件，根据熔覆头连接杆5外接的CCD图像传感器采集的CCD图像，使用三角测距法求出熔覆喷嘴10与工件9内孔壁之间距离差值；
步骤B、求虚拟旋转中心的位置：机器人法兰通过铰链控制激光熔覆头外侧部分的高度，通过杠杆原理控制内侧熔覆喷嘴高度，虚拟的杠杆旋转中心位置只和悬浮支撑件组件位置和活塞杆截面积相关并遵循公式：
Figure GDA0004158070930000051
其中DRx是虚拟旋转中心的位置，D1、D2…Dn是第n个悬浮支撑件的位置，S1、S2…Sn是第n个悬浮组件活塞杆的截面积；
步骤C、对熔覆头连接杆5受力平衡分析：由于液压油几乎不可以压缩，熔覆喷嘴10的重量通过各个支撑组件分散到工件内壁上时，满足公式：
Figure GDA0004158070930000061
其中G为熔覆头重力，F1、F2...Fn分别是第n个悬浮支撑件2提供的向上的支撑力，D1、D2...Dn是第n个悬浮支撑件的位置，Fj为铰链6提供的支撑力，Dj和Dn分别为铰链6提供的支撑力和悬浮支撑件2提供的支撑力到熔覆头连接杆5重心的距离，Fx和Fx+1分别为重心左边和右边最近的悬浮支撑件所提供的支撑力，Dx和Dx+1分别为重心左边和右边最近的悬浮支撑件的位置，如附图4所示；
步骤D、如附图5所示，根据力矩平衡通过机器人法兰高度调整改变熔覆喷嘴10高度：待调整的熔覆喷嘴10与工件9内孔壁之间的高度ZN与铰链控制激光熔覆头外侧部分的高度Zj之间公式关系为：
Figure GDA0004158070930000062
其中，Dr2j为从铰链到虚拟旋转中心的距离，Dr2n为从虚拟旋转中心到喷嘴中心的距离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头，其特征在于：包括悬浮支撑件(2)、内孔熔覆头连接座(4)、熔覆头连接杆(5)、光纤(11)、光纤接口(12)和熔覆喷嘴(10)；所述内孔熔覆头连接座(4)与熔覆头连接杆(5)一端相连，熔覆头连接杆(5)的另一端与熔覆喷嘴(10)相连，所述熔覆喷嘴(10)用于投射汇聚的激光束，并将粉末从熔覆头连接杆(5)内部输送到汇聚光斑处；熔覆头连接杆(5)底壁开通多个小孔通道，分别用于嵌入悬浮支撑件(2)；所述悬浮支撑件(2)用于调整熔覆喷嘴(10)高度距离；所述光纤(11)尾部通过光纤接口(12)固定在内孔熔覆头连接座(4)上，用于沿熔覆头连接杆(5)轴向方向投射激光束；
所述悬浮支撑件(2)包括限位块(21)、缸体(22)、活塞杆(23)、滚轮(24)和配合面(25)；所述缸体(22)嵌入熔覆头连接杆(5)下侧开通的小孔通道，所述活塞杆(23)置于缸体(22)内部，限位块(21)固定在活塞杆(23)顶端，用于防止活塞杆(23)从缸体(22)中滑出，滚轮(24)固定在活塞杆(23)底端，活塞杆(23)在上下滑动过程中始终接触配合面(25)；所述熔覆连接杆通过悬浮支撑件(2)安装在待加工的工件(9)的内孔壁上；
所述熔覆头连接杆(5)还包括液压油腔道(51)、液压油注入口(52)和液压油(53)；其中液压油腔道(51)包含液压油注入口(52)，位于熔覆头连接杆(5)下侧内部，熔覆头连接杆(5)下侧开通的小孔通道与液压油腔道(51)导通，悬浮支撑件(2)中的限位块(21)位于液压油腔道(51)与小孔通道的交接处；液压油(53)从液压油注入口(52)灌进液压油腔道(51)中，液体施力于限位块(21)上，并控制悬浮支撑件(2)中活塞杆(23)的上下滑动，调整熔覆喷嘴(10)与工件(9)内孔壁之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头，其特征在于：所述内孔熔覆头内部光路包括准直镜片、聚焦镜片和反射镜片；其中所述准直镜片安装于内孔熔覆头连接座(4)内，用于将从光纤接口(12)发出的发散激光束汇聚为平行光束；所述聚焦镜片和反射镜片安装于熔覆头连接杆(5)内靠近熔覆喷嘴(10)位置，用于汇聚平行激光束并发射。
3.根据权利要求2所述的一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头，其特征在于：所述聚焦镜片和反射镜片可用积分镜置换，所述积分镜用于聚焦和反射激光束。
4.根据权利要求1所述的一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统，其特征在于：还包括铰链(6)和机械臂(8)；所述内孔熔覆头连接座(4)通过铰链(6)固定于机械臂(8)上，所述机械臂(8)还用于实现内孔熔覆头沿工件轴向移动。
5.根据权利要求1所述的一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统，其特征在于：还包括变位机(1)和托轨(3)；所述变位机(1)侧壁设有可调的固定组件，用于固定待加工的工件(9)，使工件(9)孔口对准内孔熔覆头连接座(4)、熔覆头连接杆(5)伸入；所述托轨(3)用于固定工件(9)下方。
6.根据权利要求1所述的一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统，其特征在于：还包括CCD图像传感器和数字处理系统；所述熔覆头连接杆(5)上壁外接CCD图像传感器，CCD图像传感器采集熔覆加工时工件内表面的CCD图像通过数据线传输到数字处理系统，数字处理系统对CCD图像处理分析，得出熔覆喷嘴(10)与工件(9)内孔壁之间距离。
7.根据权利要求1所述的一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头的熔覆加工系统，其特征在于：所述调整熔覆喷嘴(10)与工件(9)内孔壁之间距离包括以下步骤：
步骤A、检测待调整的熔覆喷嘴(10)与工件(9)内孔壁之间距离：对于内孔壁表面有不规则起伏的工件，根据熔覆头连接杆(5)外接的CCD图像传感器采集的CCD图像，使用三角测距法求出熔覆喷嘴(10)与工件(9)内孔壁之间距离差值；
步骤B、求虚拟旋转中心的位置：机器人法兰通过铰链控制激光熔覆头外侧部分的高度，通过杠杆原理控制内侧熔覆喷嘴高度，虚拟的杠杆旋转中心位置只和悬浮支撑件组件位置和活塞杆截面积相关并遵循公式：
Figure FDA0004158070920000021
其中DRX是虚拟旋转中心的位置，D1、D2...Dn是第n个悬浮支撑件的位置，S1、S2...Sn是第n个悬浮组件活塞杆的截面积；
步骤C、对熔覆头连接杆(5)受力平衡分析：由于液压油几乎不可以压缩，熔覆喷嘴(10)的重量通过各个支撑组件分散到工件内壁上时，满足公式：
Figure FDA0004158070920000022
其中G为熔覆头重力，F1、F2...Fn分别是第n个悬浮支撑件(2)提供的向上的支撑力，D1、D2...Dn是第n个悬浮支撑件的位置，Fj为铰链(6)提供的支撑力，Di和Dn分别为铰链(6)提供的支撑力和悬浮支撑件(2)提供的支撑力到熔覆头连接杆(5)重心的距离，Fx和Fx+1分别为重心左边和右边最近的悬浮支撑件所提供的支撑力，Dx和Dx+1分别为重心左边和右边最近的悬浮支撑件的位置；
步骤D、根据力矩平衡通过机器人法兰高度调整改变熔覆喷嘴(10)高度：待调整的熔覆喷嘴(10)与工件(9)内孔壁之间的高度ZN与铰链控制激光熔覆头外侧部分的高度Zj之间公式关系为：
Figure FDA0004158070920000031
其中，Dr2j为从铰链到虚拟旋转中心的距离，Dr2n为从虚拟旋转中心到喷嘴中心的距离。
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