CN111571019A - 一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法 - Google Patents

一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法，该装置包括：激光发射系统、计算机控制系统、信号光发射接收系统、光束调节系统、数控机械手臂；信号光发射接收系统包括光电传感器和双色镜，光电传感器能发射和接收信号光，双色镜能透过信号光以及反射激光；激光发射系统发射的激光依次经双色镜和光束调节系统反射至工件上；激光发射系统、光电传感器、光束调节系统和数控机械手臂均与计算机控制系统连接，计算机控制系统根据光电传感器传递的信号控制调整光束调节系统和数控机械手臂，使得激光发射系统发射的激光垂直入射至工件的表面。本发明能实现激光垂直入射于工件表面，提高曲面零件激光冲击的加工效果。

Description

一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法。
背景技术
激光冲击波加工技术是利用强激光束产生的等离子冲击波与金属表面作用，从而提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀能力或者使金属发生塑性变形的新型激光加工技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强等突出优点。在激光冲击加工的过程中，如果激光不是垂直入射，即激光斜冲击时，激光的斜入射加大了激光的反射作用，造成激光能量的损失；另外激光的斜入射还会造成作用于零件表面的面积增大，使激光作用于金属表面的功率密度减小；最重要的是如果倾斜角度过大还会在金属表面导致有害的拉应力，造成加工零件的报废。所以激光垂直作用于加工区域才能使能量的利用率达到最大，使加工效果达到最好。但是在曲面板材的激光冲击加工如飞机蒙皮的校形、曲面涡轮叶片的强化过程中，目前的加工方法多数无法保证激光垂直入射，激光束与工件之间会产生倾斜角，导致工件表面不可控地产生有害残余拉应力。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法，实现激光垂直入射于工件表面，提高曲面零件激光冲击的加工效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置，包括：激光发射系统、计算机控制系统、信号光发射接收系统、光束调节系统、数控机械手臂；
所述数控机械手臂用于安装工件，所述信号光发射接收系统包括光电传感器和双色镜，所述光电传感器能发射和接收信号光，所述双色镜能透过所述光电传感器发射的信号光以及反射所述激光发射系统发射的激光；
所述激光发射系统发射的激光依次经所述双色镜和所述光束调节系统反射至工件上；
所述激光发射系统、所述光电传感器、光束调节系统和所述数控机械手臂均与所述计算机控制系统连接，所述计算机控制系统根据所述光电传感器传递的信号控制调整所述光束调节系统和所述数控机械手臂，使得所述激光发射系统发射的激光垂直入射至工件的表面。
进一步的，所述双色镜与所述激光发射系统的出光口之间的夹角为45°。
进一步的，所述光束调节系统包括可旋转的聚焦反射镜。
进一步的，还包括导光管，所述导光管设置于所述信号光发射接收系统和所述光束调节系统之间。
一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置的方法，利用上述的针对曲面零件的激光冲击加工的装置，所述方法包括：
步骤一：将工件涂敷能量吸收层后安装于所述数控机械手臂上；
步骤二：所述计算机控制系统根据工件的表面形状确定激光冲击的大致加工路径以及加工参数；
步骤三：所述光电传感器发射信号光，调节所述光束调节系统直至所述光电传感器接收到信号光的反射信号时停止调节所述光束调节系统，所述计算机控制系统控制所述激光发射系统发射脉冲激光；
步骤四：所述计算机控制系统根据步骤二中确定的加工路径控制所述数控机械手臂移动工件；
步骤五：重复步骤三和步骤四，直至加工完成。
进一步的，所述激光发射系统发射的波长为1064mm、脉冲宽度为10ns～20ns、重复频率为5Hz～10Hz。
本发明的有益效果：
本发明在激光冲击加工过程中通过信号光来判断激光入射方向与曲面工件是否垂直，计算机控制系统根据信号光的反射信号，通过控制可旋转的聚焦反射镜与数控机械手臂的联动来调节激光入射方向来实现激光垂直入射，从而达到节约能量、精确加工并避免由于激光斜入射引入有害拉应力的目的。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置的结构示意图；
图2为图1中的信号光发射接收系统的主要模块；
图3为本发明实施例中柱面曲面工件的激光冲击校形示意图；
图4为本发明实施例中涡轮叶片的激光冲击强化示意图。
附图标记：
1.激光发射系统；2.计算机控制系统；3.信号光发射接收系统；301.光电传感器；302.双色镜；4.导光管；5光束调节系统；6.工件；7.数控机械手臂。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置。
请参阅图1和图2，根据本发明实施例的一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置，包括激光发射系统1、计算机控制系统2、信号光发射接收系统3、导光管4、光束调节系统5和数控机械手臂7。
具体地，所述数控机械手臂7用于安装工件6，所述信号光发射接收系统3包括光电传感器301和双色镜302，所述光电传感器301能发射和接收信号光，所述双色镜302能透过所述光电传感器301发射的信号光以及反射所述激光发射系统1发射的激光，所述双色镜302与所述激光发射系统1的出光口之间的夹角为45°，以改变激光的传输路径。
所述激光发射系统1发射的激光依次经所述双色镜302和所述光束调节系统5反射至工件6上，光电传感器301发射的信号光通过双色镜302之后的传输方向应与激光发射系统1发射激光传输方向一致。所述光束调节系统5主要包括可旋转的聚焦反射镜，可以通过旋转聚焦反射镜来调节激光和信号光的传输方向，保证两者同轴传输，并通过调节工件6与聚焦反射镜的距离来调节激光光斑大小。
所述激光发射系统1、所述光电传感器301、光束调节系统5和所述数控机械手臂7均与所述计算机控制系统2连接，所述计算机控制系统2根据所述光电传感器301传递的信号控制调整所述光束调节系统5和所述数控机械手臂7，使得所述激光发射系统1发射的激光垂直入射至工件6的表面。本实施例中的机械手臂7使用的夹具可根据待加工工件灵活调整。
一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置的方法，利用上述针对曲面零件的激光冲击加工的装置，所述方法包括：
步骤一：将工件6涂敷能量吸收层后安装于所述数控机械手臂7上；
步骤二：所述计算机控制系统1根据工件6的表面形状确定激光冲击的大致加工路径以及加工参数；
步骤三：所述光电传感器301发射信号光，调节所述光束调节系统5直至所述光电传感器301接收到信号光的反射信号时停止调节所述光束调节系统5，所述计算机控制系统2控制所述激光发射系统1发射脉冲激光；
步骤四：所述计算机控制系统1根据步骤二中确定的加工路径控制所述数控机械手臂7移动工件6；
步骤五：重复步骤三和步骤四，直至加工完成。
实施例1：
使用本发明实施例的一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置对1mm厚的曲面工件进行校形。采用波长为1064mm、脉冲宽度为10ns、重复频率为10Hz的激光器作为激光发射系统1。将1mm厚的柱面曲面工件用0.1mm厚的黑胶带作为能量吸收层装好后夹持在数控机械手臂7上，并选取2mm厚的流动水帘合适的约束层。如图3所示，对柱面式曲面工件的激光冲击校形采用之字形扫描，所以只要标定每一行冲击路径的首个光斑位置，利用数控机械手臂7的单一路线平稳运动能完成此行冲击路径的激光冲击，在计算机控制系统2中设定好数控机械手臂7的移动路径。利用数控机械手臂7调节工件6的位置，使激光在工件6上的光斑直径为2mm。信号光发射模块301发射信号光穿过双色镜302经导光管4由光束调整系统5反射传输到工件上，同时工件6会反射信号光。调节光束调整系统5，在光电传感器301接收到信号光的反射信号时停止，并传输信号到计算机控制系统2控制激光发射系统1发射脉冲激光进行一次激光冲击。同时计算机控制系统2控制机械手臂7向Y轴平移2mm，开始下一次的激光冲击，继续控制机械手臂7移动直到完成此行激光冲击。向X轴移动2mm定位下一行的第一个位置的光斑，重复进行即可完成柱面式曲面工件2的激光冲击校形。
实施例2:
使用本发明实施例的一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置对涡轮叶片进行激光冲击强化。采用波长为1064mm、脉冲宽度为20ns、重复频率为5Hz的激光器作为激光发射系统1。将涡轮叶片用0.1mm厚的黑胶带作为能量吸收层装好后夹持在机械手臂7上，并选取2mm厚的流动水帘合适的约束层。如图4所示，对涡轮叶片的激光冲击强化采用之字形扫描，在计算机控制系统2中设定好数控机械手臂7的移动路径。利用数控机械手臂7调节工件6的位置，使激光在工件6上的光斑直径为2mm。信号光发射模块301发射信号光穿过双色镜302经导光管4由光束调整系统5反射传输到工件上，同时工件6会反射信号光。调节光束调整系统5，在信号光接收模块301接收到信号光的反射信号时停止，并传输信号到计算机控制系统2控制激光器发射脉冲激光进行一次激光冲击。同时计算机控制系统2控制机械手臂7沿着设定好的路径移动2mm，利用光束调节系统5调节信号光的入射方向，在信号光接收模块301接收到叶片反射的信号停止光束调节系统5的旋转，同时开始下一次的激光冲击，继续控制机械手臂7移动直到完成激光冲击。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置，其特征在于，包括：激光发射系统(1)、计算机控制系统(2)、信号光发射接收系统(3)、光束调节系统(5)、数控机械手臂(7)；
所述数控机械手臂(7)用于安装工件(6)，所述信号光发射接收系统(3)包括光电传感器(301)和双色镜(302)，所述光电传感器(301)能发射和接收信号光，所述双色镜(302)能透过所述光电传感器(301)发射的信号光以及反射所述激光发射系统(1)发射的激光；
所述激光发射系统(1)发射的激光依次经所述双色镜(302)和所述光束调节系统(5)反射至工件(6)上；
所述激光发射系统(1)、所述光电传感器(301)、光束调节系统(5)和所述数控机械手臂(7)均与所述计算机控制系统(2)连接，所述计算机控制系统(2)根据所述光电传感器(301)传递的信号控制调整所述光束调节系统(5)和所述数控机械手臂(7)，使得所述激光发射系统(1)发射的激光垂直入射至工件(6)的表面。
2.根据权利要求1所述的针对曲面零件的激光冲击加工的装置，其特征在于，所述双色镜(302)与所述激光发射系统(1)的出光口之间的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的针对曲面零件的激光冲击加工的装置，其特征在于，所述光束调节系统(5)包括可旋转的聚焦反射镜。
4.根据权利要求1所述的针对曲面零件的激光冲击加工的装置，其特征在于，还包括导光管(4)，所述导光管(4)设置于所述信号光发射接收系统(3)和所述光束调节系统(5)之间。
5.一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的针对曲面零件的激光冲击加工的装置，所述方法包括：
步骤一：将工件(6)涂敷能量吸收层后安装于所述数控机械手臂(7)上；
步骤二：所述计算机控制系统(1)根据工件(6)的表面形状确定激光冲击的大致加工路径以及加工参数；
步骤三：所述光电传感器(301)发射信号光，调节所述光束调节系统(5)直至所述光电传感器(301)接收到信号光的反射信号时停止调节所述光束调节系统(5)，所述计算机控制系统(2)控制所述激光发射系统(1)发射脉冲激光；
步骤四：所述计算机控制系统(1)根据步骤二中确定的加工路径控制所述数控机械手臂(7)移动工件(6)；
步骤五：重复步骤三和步骤四，直至加工完成。
6.根据权利要求5所述的针对曲面零件的激光冲击加工的装置的方法，其特征在于，所述激光发射系统(1)发射的波长为1064mm、脉冲宽度为10ns～20ns、重复频率为5Hz～10Hz。
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