CN113172355B

CN113172355B - 一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置

Info

Publication number: CN113172355B
Application number: CN202110310794.1A
Authority: CN
Inventors: 陈建松; 王占栋; 孙桂芳; 倪中华; 顾曹涵
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: CN113172355A

Abstract

本发明涉及一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，包括密封舱、用于对密封舱进行加压的加压设备、以及设置在密封舱内的激光加工设备和工作信息采集设备；密封舱包括舱体、与舱体开拆卸式连接的舱盖，舱体上连接有相对于其打开或关闭的连接盖，连接盖相对于舱体打开或关闭以取放工件；密封舱上还连接有用于控制激光加工设备的控制设备。本发明密封舱整体能够在内部高水压的情况下保持密封，为水下激光加工提供了压力环境，从而模拟激光加工装置在深水环境受到水压力，压力可调，适用于较大压力范围水下环境的模拟。相比其他试验的测试方式，升降压控制系统更稳定，环境更安全。

Description

一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置

技术领域

本发明涉及水下激光加工技术领域，尤其是一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置。

背景技术

提高对海洋资源的认知水平，从而指导开发海洋资源，对人类社会的发展和科学研究具有重要的意义，而海洋工程装备是开发利用海洋资源的重要装备，关系着国家的能源战略安全。在海洋工程装备的工作过程中，由于受到海洋复杂环境的影响，经常面临着摩擦损伤、海水腐蚀、表面裂纹产生等问题，这些问题极大的限制了海洋工程装备的工作可靠性和使用寿命。水下激光加工技术由于其出色的工作特性，经常被应用于海洋工程装备的制造与维护维修。然而，由于水下激光加工过程不容易获取数据，因此，通过水下激光加工压力舱试验装置的开发来实现模拟特定压力下水下激光加工过程极为重要。

然而目前对于模拟特定水压下的水下设备激光加工试验还没有成熟的设备，直接在水下进行试验，不仅操作不便成本高且对激光加工设备和试验人员都有很大的危险性，时常发生安全事故，因此如何安全高效的对激光加工设备进行室内模拟水下压力试验成为本领域的技术难题。

发明内容

本发明提供了一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，模拟水下激光加工环境，解决了直接进行水下试验操作不便、安全性不高的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，包括密封舱、用于对所述密封舱进行加压的加压设备、以及设置在所述密封舱内的激光加工设备和工作信息采集设备；所述密封舱包括舱体、与舱体开拆卸式连接的舱盖，所述舱体上连接有相对于其打开或关闭的连接盖，所述连接盖相对于所述舱体打开或关闭以取放工件；所述密封舱上还连接有用于控制所述激光加工设备的控制设备。

其进一步技术方案为：

所述舱体底部设有分别用于加、放水以及进、出气的接口；所述加压设备包括空气压缩机，其出口管路通过连接阀与所述舱体连接。

所述激光加工设备包括激光加工头、用于驱动所述激光加工头多角度移动的机台、以及对接在所述激光加工头下方用于承载工件的移动工作台；所述控制设备包括设置在舱体外部的激光器以及控制所述机台的控制器；所述激光加工头通过光纤与所述激光器连接，通过光纤密封件对舱体贯穿光纤的位置进行密封。

舱体内壁上设有活动定位件，用于使所述光纤环绕于舱体内壁上；所述活动定位件在所述激光加工头向下移动时发生弹性变形，以防止移动速度过快或摩擦力过大导致光纤损坏。

所述活动定位件的结构包括液压推杆、水平转动杆和竖直转动杆，水平转动杆一端与所述舱体内壁铰接，另一端与所述竖直转动杆的一端弹性铰接，所述水平转动杆与所述竖直转动杆构成防止所述光纤掉落的限位部；所述液压推杆与所述水平转动杆中部连接，驱动水平转动杆绕其与所述舱体内壁的铰点转动。

所述工作信息采集设备包括多个摄像头，多个摄像头通过安装件固定在所述移动工作台上方，且分布于加工中心的四周，用于对工件进行定位并采集加工过程中工件的温度、形态信息。

所述机台通过支撑件与舱体连接；所述移动工作台与驱动设备动力连接，并与固定安装在舱体底部的滑轨滑动连接；所述滑轨一侧设有对所述移动工作台限位的限位件。

所述舱体底部一侧设有与外部连通的连通口，所述连接盖通过活动螺栓与舱体可拆卸式连接，将所述连通口打开或关闭。

所述舱盖顶部连接有预置的承压电缆，所述承压电缆用于与外部控制器连接；所述舱盖顶部还安装有压力表、自动泄压阀、液位计、以及舱体内有压力时用于将密封舱自锁的加压自锁装置；所述舱体上安装有压力表。

所述舱体内壁涂镀高密度抗腐蚀漆；所述舱体与舱盖采用螺栓连接，并在连接处加装一圈密封紧固件。

本发明的有益效果如下：

本发明通过舱体、舱盖、螺栓连接件和密封胶圈连接成密封舱，为水下激光加工压力试验提供了压力环境，密封舱整体能够在内部高水压的情况下保持密封，避免安全事故的发生。进水口将外部水源引入舱体内，通过空气压缩机形成的高压气体压迫水域制造高水压环境从而模拟激光加工装置在深水环境受到水压力，压力可调，适用于较大压力范围水下环境的模拟。相比其他试验的测试方式，升降压控制系统更稳定，试验环境更安全。

本发明通过设置活动定位件保证激光加工头具有较大的加工范围，同时确保光纤不会发生损坏。

本发明在舱盖上设置预置承压电缆，采用水密插件密封，在不影响舱体密封性的前提下进行加工试验，能够满足标准要求的加工装置的试验，同时预置承压电缆能够将舱体内摄像、照明等电子设备与外部供电或计算机连接。光纤密封装置确保密封性的同时保护电缆。舱体上连接的连接盖方便打开关闭连通口，方便工件取放，提高操作安全性和便捷性，通过舱体内横梁能够将整个激光加工装置固定安装于舱体内，避免加工时机台在水中晃动，影响试验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的舱体内部结构示意图。

图3为本发明机台的安装结构示意图。

图4为本发明的活动定位件的安装结构示意图。

图中：1、舱体；2、空气压缩机；3、吸水口；4、排水口；5、排气口；6、吸气口；7、连接阀；8、舱体压力表；9、舱盖压力表；10、自动泄压阀；11、加压自锁装置；12、活动定位件；13、光纤；14、液压推杆；15、水平转动杆；16、竖直转动杆；18、光纤密封件；23、舱盖；24、支撑梁一；25、支撑梁二；26、支撑梁三；27、支撑梁四；28、机台；29、环形固定件；31、摄像头；32、滑轨；33、移动工作台；34、限位件；35、连通口；36、连接盖；39、激光加工头；40、激光器；41、电缆一；42、电缆二；43、电缆三；44、电缆四。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例的模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，包括密封舱、用于对密封舱进行加压的加压设备、以及设置在密封舱内的激光加工设备和工作信息采集设备；如图1所示，密封舱包括舱体1、与舱体1开拆卸式连接的舱盖23，舱体1上连接有相对于其打开或关闭的连接盖36，连接盖36相对于舱体1打开或关闭以取放工件；密封舱上还连接有用于控制激光加工设备的控制设备。

上述实施例中，舱体1底部设有分别用于加、放水以及进、出气的接口，如图1所，包括：吸水口3、排水口4、排气口5、吸气口6。试验时，吸气口6用于向舱体1内抽入干净无杂质的气体(优选空气)，吸水口3用于向舱体1内吸水，在利用加压设备对舱体1内的水施压，以模拟水下环境；排水口4、排气口5分别用于试验结束后排废水、废气。

加、放水以及进、出气的接口设置成法兰接口的形式。

上述实施例中，加压设备可选用空气压缩机2，其出口管路通过连接阀7与舱体1连接。通过吸水口3将外界水抽入舱体1内，通过空气压缩机2形成的高压气体压迫水域制造高水压环境从而模拟激光加工装置在深水环境受到水压力，使得激光加工的水下压力测试在室内完成，提高安全性能。

具体地，利用空气压缩机2可对进入舱体1的空气加压到0.5MPa，以模拟水下50米的水压环境。根据试验需要改变压力以模拟不同水深环境。

具体地，用于加、放水以及进、出气的接口通过法兰结构与密封舱密封连接。舱体1与舱盖23采用螺栓连接，并在连接处加装一圈密封紧固件，通过螺栓受力保证密封性。舱体1上缘与舱盖23下缘均设有密封胶圈，进一步保证密封舱整体的密封性，使得舱体1、舱盖23整体能够在内部高水压的情况下保持密封，为激光加工装置试验提供了密闭环境。

具体地，舱体1内壁涂镀高密度抗腐蚀漆。

上述实施例中，如图2所示，激光加工设备包括激光加工头39、用于驱动激光加工头39多角度移动的机台28、以及对接在激光加工头39下方用于承载工件的移动工作台33；

具体地，机台28可选择四轴机床，如图3所示，机台28布置在舱体1中部，舱体1中间内壁上焊接有支撑梁一24，支撑梁二25，支撑梁三26，支撑梁四27，各支撑梁沿周向均匀分布，每个支撑梁的结构类似，一侧为圆弧形与舱体1焊接固定，保证稳定性，另一侧通过螺栓连接四轴机床，确保整个激光加工装置在加工过程中四轴机床的稳定性。

上述控制设备包括设置在舱体1外部的激光器40以及控制机台28的控制器；激光加工头39通过光纤13与激光器40连接，激光器40提供激光加工所需的能量；通过光纤密封件18对舱体1贯穿光纤13的位置进行密封。

具体地，光纤密封件18由主要通过法兰进行密封，并在法兰中注入适当的软胶保证光纤13不会损坏的弹性。光纤密封件18能够保证光纤13能够顺利进入密封舱且密封处的挤压不会损坏光纤。

上述实施例中，舱体1内设有摄像、照明等设备。

上述实施例中，舱盖23顶部连接有预置的承压电缆，承压电缆用于与外部控制器连接；具体地，承压电缆包括电缆一41、电缆二42、电缆三43、电缆四44。四轴机床通过其中的电缆穿过舱盖23顶部通孔由外界控制器设备控制。供各电缆穿过的通孔两端均采用水密插件密封，具体可以采用现有的电缆双母头穿舱连接技术，实现轻型有缆水下设备带电试验。能够满足标准要求的带电加工试验，同时预置承压电缆能够将舱体1内的机、摄像、照明等电子设备与外部供电或计算机连接。

上述实施例中，如图1所示，舱体1内壁上设有活动定位件12，用于使光纤13环绕于舱体1内壁上；活动定位件12在激光加工头39向下移动时发生弹性变形，以防止移动速度过快或摩擦力过大导致光纤13损坏。

具体地，光纤13挂靠在于活动定位件12上，确保光纤13在舱体内的长度足够进行各类加工作业。

如图4所示，活动定位件12的结构包括液压推杆14、水平转动杆15和竖直转动杆16，水平转动杆15一端与舱体1内壁铰接，另一端与竖直转动杆16的一端弹性铰接，水平转动杆15与竖直转动杆16构成防止光纤13掉落的限位部；液压推杆14与水平转动杆15中部连接，驱动水平转动杆15绕其与所述舱体1内壁的铰点转动。

激光加工时，光纤13会随着激光加工头39进行移动，在活动定位件12上挂靠光纤可以使得激光加工头39有充分的移动空间，同时使得光纤13在一定程度内向下偏移。避免压力作用下或者加工速度过快从而损坏光纤。

上述弹性铰接方式可采用带弹簧的铰支座等连接件，如图4所示为活动定位件12的初始状态，水平转动杆15与竖直转动杆16相互垂直(夹角90°)。当需要向下移动激光加工头39时，避免光纤13被硬扯而受到磨损，通过液压推杆14的推杆收缩，使得水平转动杆15绕左侧铰点向下转动，从而给激光加工头39更大的移动空间，同样地，当激光加工头39向远离内壁方向移动时，竖直转动杆16绕其与水平转动杆15弹性铰接的铰点向下转动，即两者之间夹角大于90°，从而给激光加工头39更大的移动空间。当激光加工头39移动至中部位置时，竖直转动杆16在弹性件预紧力的作用下恢复至与水平转动杆15垂直状态。

上述实施例中，移动工作台33与驱动设备动力连接，并与固定安装在舱体1底部的滑轨32滑动连接；滑轨32一侧设有对移动工作台33限位的限位件34。舱体1底部一侧设有与外部连通的连通口35，连接盖36通过活动螺栓与舱体1可拆卸式连接，将连通口35打开或关闭。

具体地，限位件34设置在移动工作台33的远离上述连通口35的一侧，用于限制其向远离连通口方向移动的行程。移动工作台33沿滑轨32移动至连通口35处，打开连接盖36，从连通口35处送入待加工的工件，然后关闭并锁紧连接盖36。

具体地，移动工作台33和四轴机床可同时由电机及外部控制设备控制，整体的加工速度、移动距离等同步控制靠外部计算机实现，以此实现所有信号的同步采集及控制。加工完成后，驱动电机使得工作台滑动至连通口35，打开连接盖36并取出激光加工物。

上述实施例中，工作信息采集设备包括多个摄像头31，多个摄像头31通过安装件固定在移动工作台33上方，且分布于加工中心的四周，用于对工件进行定位并采集加工过程中工件的温度、形态信息。

具体地，舱体1内下部内壁上焊接有环形固定件29，其上安装有多个摄像头31，用于对加工中心的前后左右进行拍摄。一方面，通过摄像头31对工件位置进行定位，另一方面，通过特定的摄像头可获得加工过程中工件的温度信息、结构信息，最终用于得出材料及力学性能。

上述实施例中，如图1所示，舱盖23顶部还安装有舱盖压力表9、自动泄压阀10、液位计、以及舱体1内有压力时用于将密封舱自锁的加压自锁装置11；舱体1上安装有舱体压力表8。还包括密封舱的控制系统，用于控制密封舱压力等参数。

本发明的工作流程：向密封舱内放入待加工工件，向密封舱内充气、充水，然后加压到设定值，开始激光加工，并采集信息，加工完成后，向密封舱外排出废水、废气，取出加工好的工件，结合采集到的信息进行进一步的材料及力学性能分析。

密封舱的压力根据需要进行调整，以满足常压水下至50m水深压力下的水下激光加工试验工作环境条件的模拟，对不同水深压力、加工参数下的激光加工物成型质量进行对比分析，从而确定最佳的加工工艺参数。

试验过程中，压力表用于显示舱体1内部的压强信息，当加压到达设定的允许最大压力时，自动泄压阀10将会自动泄压，从而保护设备的安全，加压自锁装置11是为防止密封舱在加压过程中，自动泄压阀10失效造成其内部阀门突然打开的紧急情况而设置的，在密封舱设计之前就已经为加压自锁装置11设定一个压力值，当压力舱控制系统检测到舱内有压时，该自锁装置自动弹出锁芯，与舱盖23对接形成自锁。

需要说明的是，本实施例中的四轴机床、激光器、激光机加工头、空气压缩机、加压自锁装置、压力表、液位计等均可通过采购获得。其工作原理和安装结构不再赘述。

Claims

1.一种模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，其特征在于，包括密封舱、用于对所述密封舱进行加压的加压设备、以及设置在所述密封舱内的激光加工设备和工作信息采集设备；所述密封舱包括舱体（1）、与舱体（1）可拆卸式连接的舱盖（23），所述舱体（1）上连接有相对于其打开或关闭的连接盖（36），所述连接盖（36）相对于所述舱体（1）打开或关闭以取放工件；所述密封舱上还连接有用于控制所述激光加工设备的控制设备；

所述激光加工设备包括激光加工头（39）、用于驱动所述激光加工头（39）多角度移动的机台（28）、以及对接在所述激光加工头（39）下方用于承载工件的移动工作台（33）；所述控制设备包括设置在舱体（1）外部的激光器（40）以及控制所述机台（28）的控制器；所述激光加工头（39）通过光纤（13）与所述激光器（40）连接，通过光纤密封件（18）对舱体（1）贯穿光纤（13）的位置进行密封；

舱体（1）内壁上安装有活动定位件（12），用于使所述光纤（13）环绕于舱体（1）内壁上；所述活动定位件（12）在所述激光加工头（39）向下移动时发生弹性变形，以防止移动速度过快或摩擦力过大导致光纤（13）损坏；

所述工作信息采集设备包括多个摄像头（31），多个摄像头（31）通过安装件固定在所述移动工作台（33）上方，且分布于加工中心的四周，用于对工件进行定位并采集加工过程中工件的温度、形态信息；

所述机台（28）通过支撑件与舱体（1）连接；所述移动工作台（33）与驱动设备动力连接，并与固定安装在舱体（1）底部的滑轨（32）滑动连接；所述滑轨（32）一侧设有对所述移动工作台（33）限位的限位件（34）；

所述舱体（1）底部设有分别用于加、放水以及进、出气的接口；所述加压设备包括空气压缩机（2），其出口管路通过连接阀（7）与所述舱体（1）连接；

所述活动定位件（12）的结构包括液压推杆（14）、水平转动杆（15）和竖直转动杆（16），水平转动杆（15）一端与所述舱体（1）内壁铰接，另一端与所述竖直转动杆（16）的一端弹性铰接，所述水平转动杆（15）与所述竖直转动杆（16）构成防止所述光纤（13）掉落的限位部；所述液压推杆（14）与所述水平转动杆（15）中部连接，驱动水平转动杆（15）绕其与所述舱体（1）内壁的铰点转动。

2.根据权利要求1所述的模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，其特征在于，所述舱体（1）底部一侧设有与外部连通的连通口（35），所述连接盖（36）通过活动螺栓与舱体（1）可拆卸式连接，将所述连通口（35）打开或关闭。

3.根据权利要求1所述的模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，其特征在于，所述舱盖（23）顶部连接有预置的承压电缆，所述承压电缆用于与外部控制器连接；所述舱盖（23）顶部还安装有压力表、自动泄压阀（10）、液位计、以及舱体（1）内有压力时用于将密封舱自锁的加压自锁装置（11）；所述舱体（1）上安装有压力表。

4.根据权利要求1所述的模拟水下环境激光加工的压力舱试验装置，其特征在于，所述舱体（1）内壁涂镀高密度抗腐蚀漆；所述舱体（1）与舱盖（23）采用螺栓连接，并在连接处加装一圈密封紧固件。