CN113832332A - 直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，包括步骤获取直升机导向器的立体数据，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹，根据激光行进轨迹获得需要激光冲击的轨迹。本发明实简化了激光冲击的轨迹设计，提高了工作效率，获得了比较好激光冲击的一致性。

Description

直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法与系统

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，具体涉及直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法与系统。

背景技术

激光冲击强化技术是一种新型的激光应用表面加工技术，能给材料带来更深的残余应力层，是一种高效的表面改性技术。激光冲击强化技术使材料表层晶粒细化甚至纳米晶，引起晶格畸变、位错、位错交织、位错墙、晶粒细化等微观织构变化，产生了平行于材料表面的拉应力，材料表面将形成一定深度的残余压应力层，从而大幅提高金属材料的性能比如疲劳寿命和耐腐蚀、抗磨损性能。激光冲击强化技术已经应用于航空航天与国防军工领域。随着该技术的不断成熟，激光冲击强化技术在船舶制造业、核工业、石油化工行业、生物医疗、轨道交通、电网电力等领域展示出了无可比拟的技术优势，拥有着巨大的应用前景和商业价值。

激光冲击强化的基本原理是使用峰值功率为GW(＞10⁹W/cm²)的纳秒脉冲激光透过透明约束层(一般采用材料有：流水、有机玻璃等)作用在需要处理的金属工件表面，金属材料表面有表面吸收层，吸收层(一般采用材料有铝箔、黑胶带、黑漆等)。吸收层吸收激光能量后迅速气化电离成等离子团，等离子团吸收能量后继续快速膨胀产生产生温度大于10⁷°C压强大于1 GPa的等离子体，表面吸收层上面的透明约束层限制了等离子体膨胀，使得等离子体膨胀后的冲击波向着工件方向传播。等离子体产生的冲击波压力远大于工件的屈服强度，在工件内部形成残余应力场，出现位错、孪晶等晶体结构，改善工件近表面的微观组织并在工件表面形成残余压应力，使得工件的性能得到提升。激光冲击强化能获得比传统机械喷丸强化更好性能，操控性和适应性比低塑性滚光和滚压等表面强化技术更好，能处理狭小的零件部位，对金属材料表面基本无影响。

激光冲击强化利用了激光冲击波力学效应的表面改性技术，在加工过程对工件几乎没有热效应。

发明内容

本发明的目的在于基于激光冲击强化提出直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为实现上述技术目的，本发明技术方案如下：

直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取直升机导向器的立体数据；

步骤2，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片；

步骤3，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹。

进一步地，步骤1中，获取直升机导向器的立体数据的子步骤为：

利用深度传感器采集得到直升机导向器的立体数据。

优选地，导入直升机导向器的CAD文件获得立体数据。

进一步地，步骤2中，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片的子步骤为：

步骤2.1，根据立体数据转化直升机导向器为参数曲面，对参数曲面进行曲面离散获得曲面块，所述曲面块集合为A={S1，S2，S3，……，Su}；

步骤2.2，获得顶点分割线；

进一步地，获得顶点分割线的子步骤为：

步骤2.2.1，获取曲面网格的顶点集合为V={V1，V2，V3，…，Vn}，n为顶点集合V的顶点数量，此处选用xx方法获得曲面的顶点；

步骤2.2.2，设定z的初始值为1；

步骤2.2.3，选取顶点Vz，如果Vz位于曲面的边界上则令z的值增加1，如果z<n则重新执行步骤2.2.3，如果z=n，跳转步骤2.3并输出集合BL，否则跳转步骤2.2.4；

步骤2.2.4，获取与顶点Vz相邻的所有顶点集合Vz’={VZ1，VZ2，VZ3，…，VZm}，m为顶点集合Vz’的大小，设定初始化变量i为1;

步骤2.2.5，获得顶点Vz与顶点集合Vz’里第i个元素的连线作为分割线，把此分割线的射线作为边界，计算连接此边界的2个面的单位法向量的平均单位向量Mzi；

步骤2.2.6，计算Mz和Mzi的点乘Mz·Mzi，其中Mz为顶点Vz的单位法向量，放入集合DPz，i的值增加1，如果i小于m则跳转步骤2.2.5，否则跳转步骤2.2.7；

步骤2.2.7，选出集合DPz里最大的元素，最大元素对应集合Vz’里的顶点指向顶点Vz的方向作为顶点Vz的分割线方向，顶点Vz指向最大元素对应集合Vz’里的顶点处分割线方向的射线作为顶点Vz处的分割线，把分割线加入集合BL，集合集合BL里的元素表示为BLz，BLz与顶点Vz对应，集合BL的大小为小于或等于n，令z的值增加1，跳转步骤2.2.3；

步骤2.3，搜索曲面区域；

进一步地，搜索曲面区域子步骤为：

步骤2.3.1，遍历曲面块集合A，初始化变量w为1，大小为q；

步骤2.3.2，如果w≤q，选取曲面块Sw里的3个顶点，计算3个顶点中每2个顶点的分割线的方向的内积绝对值，如果获得的3个内积绝对值中有2个大于设定的第一阈值ω1，则把其中一个分割线的方向作为此曲面块的分割线方向，令w增加1并重新执行步骤2.3.2，否则曲面块Sw的分割线待定，跳转步骤2.3.3；如果w大于q，跳转步骤2.3.4；

步骤2.3.3，获取曲面块Sw的邻近曲面块集Sw’，如果邻近曲面块集Sw’里存在曲面块的3个顶点中2个顶点的分割线的方向的内积绝对值中有2个大于设定的第二阈值ω2，则把此曲面的分割线作为曲面块Sw的分割线，令w增加1并跳转步骤2.3.2，如果不存在符合上述条件的邻近曲面块，则曲面块Sw的分割线待定；

第一阈值ω1和第二阈值ω2用于控制获得同一分块曲面里的平整度。

步骤2.3.4，结束曲面区域遍历，如果曲面块集合A里存在分割线待定的曲面块，则选择与其边缘连接长度最大的邻近曲面块的分割线作为此待定曲面块的分割线；

步骤2.4，根据上述步骤2.2和步骤2.3获得的分割线对直升机导向器进行分割，对于每个分割后的子区域进行曲面展开，生成展开后的2D分割图像作为激光冲击分片。

目前通用编程软件包括Robotmaster、Robotworks、RobotCAD、DELMIA等，这些软件可以进行加工轨迹的生成，但无法生成用于复杂曲面类零件激光冲击强化加工的加工轨迹，应用本发明可以用于复杂曲面类零件激光冲击强化加工的加工轨迹。

传统激光冲击强化加工的轨迹规划算法存在缺陷，生成加工轨迹之后需要进行繁琐的手工加工轨迹编辑工作（删除大量多余冲击点），无法获得最佳的冲击点分布，会对激光冲击强化加工效果产生一定的负面影响，比如光斑搭接率一致性不好。

进一步地，步骤3中，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹的子步骤为：

步骤3.1，根据工件的材料特性，确定激光冲击的光斑形状和尺寸，搭接率，基准功率；

光斑形状可以为圆形和方形；

步骤3.2，依次选择激光冲击分片中每个分片的几何中心点作为基准点；

步骤3.3，针对每个基准点进行计算，获得激光冲击角度，以此角度作为这个分片的激光冲击角度；

步骤3.4，根据Bounding Box法或者A*算法生成分片内激光冲击路径，激光冲击路径为螺旋形路径，开始点为分片内的几何中心点；

步骤3.5，在完成一个分片的激光冲击强化后，机械手臂控制激光头移动至下一个分片的几何中心点，调整角度和功率，开始激光冲击；

步骤3.6，重复步骤3.2到步骤3.5获得激光行进轨迹。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

应用了可控曲面分片技术，简化了激光冲击的轨迹设计，提高了工作效率，获得了比较好激光冲击的一致性。

附图说明

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1为本发明提供的直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详尽说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围内的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

以下示例性地说明本发明提供的直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法。

如图1所示为直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本发明的实施方式的直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取直升机导向器的立体数据；

步骤2，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片；

步骤3，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹。

进一步地，步骤1中，获取直升机导向器的立体数据的子步骤为：

利用深度传感器采集得到直升机导向器的立体数据。

优选地，导入直升机导向器的CAD文件获得立体数据。

进一步地，步骤2中，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片的子步骤为：

步骤2.1，根据立体数据转化直升机导向器为参数曲面，对参数曲面进行曲面离散获得曲面块，所述曲面块集合为A={S1，S2，S3，……，Su}；

步骤2.2，获得顶点分割线；

进一步地，获得顶点分割线的子步骤为：

步骤2.2.1，获取曲面网格的顶点集合为V={V1，V2，V3，…，Vn}，n为顶点集合V的顶点数量，此处选用xx方法获得曲面的顶点；

步骤2.2.2，设定z的初始值为1；

步骤2.2.3，选取顶点Vz，如果Vz位于曲面的边界上则令z的值增加1，如果z<n则重新执行步骤2.2.3，如果z=n，跳转步骤2.3并输出集合BL，否则跳转步骤2.2.4；

步骤2.2.4，获取与顶点Vz相邻的所有顶点集合Vz’={VZ1，VZ2，VZ3，…，VZm}，m为顶点集合Vz’的大小，设定初始化变量i为1;

步骤2.2.5，获得顶点Vz与顶点集合Vz’里第i个元素的连线作为分割线，把此分割线的射线作为边界，计算连接此边界的2个面的单位法向量的平均单位向量Mzi；

步骤2.2.6，计算Mz和Mzi的点乘Mz·Mzi，其中Mz为顶点Vz的单位法向量，放入集合DPz，i的值增加1，如果i小于m则跳转步骤2.2.5，否则跳转步骤2.2.7；

步骤2.2.7，选出集合DPz里最大的元素，最大元素对应集合Vz’里的顶点指向顶点Vz的方向作为顶点Vz的分割线方向，顶点Vz指向最大元素对应集合Vz’里的顶点处分割线方向的射线作为顶点Vz处的分割线，把分割线加入集合BL，集合集合BL里的元素表示为BLz，BLz与顶点Vz对应，集合BL的大小为小于或等于n，令z的值增加1，跳转步骤2.2.3；

步骤2.3，搜索曲面区域；

进一步地，搜索曲面区域子步骤为：

步骤2.3.1，遍历曲面块集合A，初始化变量w为1，大小为q；

步骤2.3.2，如果w≤q，选取曲面块Sw里的3个顶点，计算3个顶点中每2个顶点的分割线的方向的内积绝对值，如果获得的3个内积绝对值中有2个大于设定的第一阈值ω1，则把其中一个分割线的方向作为此曲面块的分割线方向，令w增加1并重新执行步骤2.3.2，否则曲面块Sw的分割线待定，跳转步骤2.3.3；如果w大于q，跳转步骤2.3.4；

步骤2.3.3，获取曲面块Sw的邻近曲面块集Sw’，如果邻近曲面块集Sw’里存在曲面块的3个顶点中2个顶点的分割线的方向的内积绝对值中有2个大于设定的第二阈值ω2，则把此曲面的分割线作为曲面块Sw的分割线，令w增加1并跳转步骤2.3.2，如果不存在符合上述条件的邻近曲面块，则曲面块Sw的分割线待定；

第一阈值ω1和第二阈值ω2用于控制获得同一分块曲面里的平整度。

步骤2.3.4，结束曲面区域遍历，如果曲面块集合A里存在分割线待定的曲面块，则选择与其边缘连接长度最大的邻近曲面块的分割线作为此待定曲面块的分割线；

步骤2.4，根据上述步骤2.2和步骤2.3获得的分割线对直升机导向器进行分割，对于每个分割后的子区域进行曲面展开，生成展开后的2D分割图像作为激光冲击分片。

目前通用编程软件包括Robotmaster、Robotworks、RobotCAD、DELMIA等，这些软件可以进行加工轨迹的生成，但无法生成用于复杂曲面类零件激光冲击强化加工的加工轨迹，应用本发明可以用于复杂曲面类零件激光冲击强化加工的加工轨迹。

传统激光冲击强化加工的轨迹规划算法存在缺陷，生成加工轨迹之后需要进行繁琐的手工加工轨迹编辑工作（删除大量多余冲击点），无法获得最佳的冲击点分布，会对激光冲击强化加工效果产生一定的负面影响，比如光斑搭接率一致性不好。

进一步地，步骤3中，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹的子步骤为：

步骤3.1，根据工件的材料特性，确定激光冲击的光斑形状和尺寸，搭接率，基准功率；

光斑形状可以为圆形和方形，在一个实施例中为方形；

在一个实施例中，脉宽为15ns，光斑尺寸为3mm×3mm，光斑搭接率为8%，吸收层为铝箔，约束层为水层，吸收层的厚度为120μm。

步骤3.2，依次选择激光冲击分片中每个分片的几何中心点作为基准点；

步骤3.3，针对每个基准点进行计算，获得激光冲击角度，以此角度作为这个分片的激光冲击角度；

步骤3.4，根据Bounding Box法或者A*算法生成分片内激光冲击路径，激光冲击路径为螺旋形路径，开始点为分片内的几何中心点，结束点为分片的边界上任意一个边界点；

步骤3.5，在完成一个分片的激光冲击强化后，机械手臂控制激光头移动至下一个分片的几何中心点，调整角度和功率，开始激光冲击；

步骤3.6，重复步骤3.2到步骤3.5获得激光行进轨迹。

直升机导向器激光冲击光束干涉控制系统，所述系统包括：

立体数据获取模块：通过深度传感器采集获取直升机导向器的三维数据；

激光冲击分片模块：用于计算获得激光冲击分片；

激光头控制模块：用于根据设定的行进轨迹控制激光头行进，控制光斑形状和激光功率；

其中涉及的机械臂、固定机构、激光头等硬件参见公开号为CN112899468A、CN110394554A的发明专利。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取直升机导向器的立体数据；

步骤2，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片；

步骤3，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹。

2.根据权利要求1所述的直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，其特征在于，步骤1中，获取直升机导向器的立体数据的子步骤为：

利用深度传感器采集得到直升机导向器的立体数据。

3.根据权利要求1所述的直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，其特征在于，步骤2中，对立体扫描图像进行处理得到激光冲击分片的子步骤为：

步骤2.1，根据立体数据转化直升机导向器为参数曲面，对参数曲面进行曲面离散获得曲面块，所述曲面块集合为A={S1，S2，S3，……，Su}；

步骤2.2，获得顶点分割线，子步骤为：

步骤2.2.1，获取曲面网格的顶点集合为V={V1，V2，V3，…，Vn}，n为顶点集合V的顶点数量，此处选用xx方法获得曲面的顶点；

步骤2.2.2，设定z的初始值为1；

步骤2.2.3，选取顶点Vz，如果Vz位于曲面的边界上则令z的值增加1，如果z<n则重新执行步骤2.2.3，如果z=n，跳转步骤2.3并输出集合BL，否则跳转步骤2.2.4；

步骤2.2.4，获取与顶点Vz相邻的所有顶点集合Vz’={VZ1，VZ2，VZ3，…，VZm}，m为顶点集合Vz’的大小，设定初始化变量i为1;

步骤2.2.5，获得顶点Vz与顶点集合Vz’里第i个元素的连线作为分割线，把此分割线的射线作为边界，计算连接此边界的2个面的单位法向量的平均单位向量Mzi；

步骤2.2.6，计算Mz和Mzi的点乘Mz·Mzi，其中Mz为顶点Vz的单位法向量，放入集合DPz，i的值增加1，如果i<m则跳转步骤2.2.5，否则跳转步骤2.2.7；

步骤2.2.7，选出集合DPz里最大的元素，最大元素对应集合Vz’里的顶点指向顶点Vz的方向作为顶点Vz的分割线方向，顶点Vz指向最大元素对应集合Vz’里的顶点处分割线方向的射线作为顶点Vz处的分割线，把分割线加入集合BL，集合集合BL里的元素表示为BLz，BLz与顶点Vz对应，集合BL的大小为小于或等于n，令z的值增加1，跳转步骤2.2.3；

步骤2.3，搜索曲面区域，子步骤为：

步骤2.3.1，遍历曲面块集合A，初始化变量w为1，大小为q；

步骤2.3.2，如果w=<q，选取曲面块Sw里的3个顶点，计算3个顶点中每2个顶点的分割线的方向的内积绝对值，如果获得的3个内积绝对值中有2个大于设定的第一阈值ω1，则把其中一个分割线的方向作为此曲面块的分割线方向，令w增加1并重新执行步骤2.3.2，否则曲面块Sw的分割线待定，跳转步骤2.3.3；如果w>q，跳转步骤2.3.4；

步骤2.3.3，获取曲面块Sw的邻近曲面块集Sw’，如果邻近曲面块集Sw’里存在曲面块的3个顶点中2个顶点的分割线的方向的内积绝对值中有2个大于设定的第二阈值ω2，则把此曲面的分割线作为曲面块Sw的分割线，令w增加1并跳转步骤2.3.2，如果不存在符合上述条件的邻近曲面块，则曲面块Sw的分割线待定；

步骤2.3.4，结束曲面区域遍历，如果曲面块集合A里存在分割线待定的曲面块，则选择与其边缘连接长度最大的邻近曲面块的分割线作为此待定曲面块的分割线；

步骤2.4，根据步骤2.2和步骤2.3获得的分割线对直升机导向器进行分割，对于每个分割后的子区域进行曲面展开，生成展开后的2D分割图像作为激光冲击分片。

4.根据权利要求1所述的直升机导向器激光冲击光束干涉控制方法，其特征在于，步骤3中，根据激光冲击分片设计激光行进轨迹的子步骤为：

步骤3.1，根据工件的材料特性，确定激光冲击的光斑形状和尺寸，搭接率，基准功率；

步骤3.2，依次选择激光冲击分片中每个分片的几何中心点作为基准点；

步骤3.3，针对每个基准点进行计算，获得激光冲击角度，以此角度作为这个分片的激光冲击角度；

步骤3.4，根据Bounding Box法或者A*算法生成分片内激光冲击路径，激光冲击路径为螺旋形路径，开始点为分片内的几何中心点；

步骤3.5，在完成一个分片的激光冲击强化后，机械手臂控制激光头移动至下一个分片的几何中心点，调整角度和功率，开始激光冲击；

步骤3.6，重复步骤3.2到步骤3.5获得激光行进轨迹。

5.直升机导向器激光冲击光束干涉控制系统，其特征在于，所述系统包括：

立体数据获取模块：通过深度传感器采集获取直升机导向器的三维数据；

激光冲击分片模块：用于计算获得激光冲击分片；

激光头控制模块：用于根据设定的行进轨迹控制激光头行进，控制光斑形状和激光功率。

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