CN114774913A - 一种飞机发动机叶片的维修装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的飞机发动机叶片的维修装置，连接于工业机器人的机械手上，包括：变频超声聚焦单元、电控检测单元以及激光熔覆单元，所述变频超声聚焦单元包括：连接于机械手的换能器、变幅杆以及可调超声聚焦锥，所述可调超声聚焦锥通过变幅杆与换能器连接；激光熔覆单元包括：激光发射器和与粉末箱联通的粉末输送管，所述激光发射器与粉末输送管均连接于机械手上；电控检测单元，控制变频超声聚焦单元的工作电压激光熔覆单元的送粉量以及机械手的运动。有益效果：避免现有固定频率超声振动辅助激光熔覆技术在飞机发动机叶片维修中因叶片的曲面、斜面形状不断变化，导致叶片修复区熔覆层的粉末滑移，叶片修复区的曲面、斜面部分熔覆层变薄、分层的问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声加工技术领域，尤其涉及一种飞机发动机叶片的维修装置。
背景技术
飞机发动机叶片长期工作在高温、高压和高速的环境下，叶片极易出现损伤。叶片修复在其加工过程中属于难加工薄壁零件，因其刚度高，硬度大，容易产生振动，一般维修方法很难达到高精度和高表面质量；同时，维修后的叶片容易发生翘曲弯扭等形式的整体变形，表面完整性不好，严重影响其气动性能，作为航空制造业的头号难题，严重的影响了该工业的快速发展。
激光熔覆是利用高能密度的激光束使基材表面的熔覆材料与薄层一起熔凝，形成冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆的主要生产方式分为预置熔覆法和同步送粉法，预置熔覆法就是通过粘接、喷涂或者其他方法，将粉料放在需要进行激光熔覆的部位，然后再对该部位进行激光处理。而同步送粉则是送粉与激光同步进行。超声振动辅助激光熔覆技术就是把结构紧凑的超声振动装置与激光熔覆设备配合，通过超声变幅杆放大并传递超声，并实现超声振动与激光熔覆的耦合以实现激光复合制造的过程。超声的施加形式有：固定接触式，就是将待熔覆的基体直接或通过夹具固定在超声变幅杆末端；非固定接触式，就是超声变幅杆末端以一定的预压力接触基体，且超声变幅杆与基体保持一定距离。
上述方法在飞机发动机叶片激光熔覆方法维修中都存在如下问题：
其一，由于飞机发动机叶片为表面为非圆曲面，且有平面、曲面、斜面，特别对于同步送粉法超声振动激光熔覆过程中，由于叶片维修型面的形状不断变化，而激光功率不变、超声振动频率不变、振幅不变、同步送粉量不变，使得在曲面和斜面的叶片修复区，熔覆层的粉末由于超声振动的驱动，使得粉末沿着曲面和斜面向下滑移，导致曲面和斜面熔覆层变薄，叶片水平修复区的熔覆层则堆积成分层的、梯度化的、可能形成气孔、开裂等缺陷的熔覆层，从而导致飞机发动机叶片修复层的金属组织结构与叶片本体相差太多而失效；
其二，在非接触式超声振动的施加过程中，普通形状的变幅杆末端与熔覆层的熔池间有一定的距离，导致超声波在空气中衰减较大，直接影响超声与熔覆层熔池的耦合，造成叶片修复区熔覆层叶片组织与理论值相差太大。
其三，在非接触式超声振动连续送粉熔覆制造过程中，超声振动装置与激光熔覆设备需兼顾两者的工作稳定性，同时避免两者之间的干涉，变幅杆末端与熔覆层的熔池间距离较近，这导致熔覆过程激光造成局部大量热量将传递至超声变幅杆末端，通过变幅杆末端传到整个超声振动模块，温度过高时从而导致超声振动模块报警而停止工作。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种飞机发动机叶片的维修装置，具体由以下技术方案实现：
所述飞机发动机叶片的维修装置，连接于工业机器人的机械手上，包括：变频超声聚焦单元、电控检测单元以及激光熔覆单元，所述变频超声聚焦单元包括：连接于机械手的换能器、变幅杆以及可调超声聚焦锥，所述可调超声聚焦锥通过变幅杆与换能器连接；激光熔覆单元包括：激光发射器和与粉末箱联通的粉末输送管，所述激光发射器与粉末输送管均连接于机械手上；电控检测单元，控制变频超声聚焦单元的工作电压激光熔覆单元的送粉量以及机械手的运动。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述换能器、粉末箱以及激光发射器均通过一法兰盘安装于工业机器人的机械手上，所述工业机器人使用飞机发动机叶片待修复区采集得到的CAD/CAM数据编写工业机器人工作运行程序，以控制机械手在飞机发动机叶片待修复区精确移动。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述变频超声聚焦单元还包括超声振动电源，所述超声振动电源与电控检测单元通信连接。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述电控检测单元包括：中央处理器单元，用于接收、分析工业机器人输出的，依据叶片待修复区的CAD/CAM数据而编写的工业机器人工作运行程序数据，分别输出控制工业机器人设备和控制超声波驱动电源、自动送粉装置的数据；
通讯接口，一端连接于工业机器人输出数据通讯接口，一端连接中央处理器单元输入端口，用于接收处理工业机器人提供的工业机器人工作运行程序数据；
PLC控制单元分别为：第一PLC控制器，将数据传输给工业机器人，控制工业机器人的移动速度和方向；第二PLC控制器将数据传输给超声波驱动电源装置，控制超声振动电源电压以降低频率和振幅，控制熔覆层粉末沿着叶片曲面和斜面向下滑移速度；第三PLC控制器将数据传输给粉末输送管，调节粉末输送管的送粉量，补偿因超声振动滑移流失的熔覆层粉末。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述可调超声聚焦锥为一系列高度不同的空心圆锥体，所述圆锥体的大端带有内螺纹，圆锥体的周向均布有设定斜度的用于散热的圆柱通孔，且内锥孔锥度和外锥锥度相同。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，设定所述可调超声聚焦锥的锥角为α，所述圆柱通孔的轴线与空心圆锥体的轴线夹角为β，β=（90－½α）度，且45°<β<900。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述变幅杆对应于可调超声聚焦锥的连接端设有与所述内螺纹相适配的外螺纹。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述激光熔覆单元还包括一控制比例阀，所述控制比例阀包括：阀芯、螺杆以及伺服电机，所述螺杆可转动地连接于伺服电机的输出轴，所述阀芯为设有内螺纹的空心滑块并旋接于螺杆，激光熔覆单元通过伺服电机驱动螺杆转动实现的送粉量的控制。
所述的飞机发动机叶片的维修装置的进一步设计在于，所述可调超声聚焦锥与所述激光发射器的激光发射方向成30度夹角，与叶片修复区之间存在2mm～6mm的间隙。
本发明的优点如下：
本发明的飞机发动机叶片的维修装置有效避免现有固定频率超声振动辅助激光熔覆技术在飞机发动机叶片维修中因叶片的曲面、斜面形状不断变化，导致叶片修复区熔覆层的粉末滑移，叶片修复区的曲面、斜面部分熔覆层变薄、分层的问题。
本发明的飞机发动机叶片的维修装置飞机发动机在叶片修复过程通过对超声振动频率和振幅的调节、同步送粉装置送粉量调节、工业机器人运行速度和方向调节三种方式，多途径解决超声振动辅助激光熔覆技术在维修飞机发动机叶片过程中存在的叶片曲面、斜面的熔覆层形成梯度化、开裂、超声空化效应的问题，同时提高超声振动辅助激光熔覆技术维修飞机发动机叶片的效率。
附图说明
图1为飞机发动机叶片的维修装置的结构示意图。
图2为飞机发动机叶片的维修装置的模块示意图。
图3为图1所示飞机发动机叶片的维修装置的结构示意图的B处放大示意图。
图4为图3所示B处放大示意图的AA剖视图。
图5为可调超声聚焦锥的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1，本实施例的飞机发动机叶片的维修装置，连接于工业机器人的机械手9上，维修装置的初始运作方向如图中箭头所示。本实施例的飞机发动机叶片的维修装置主要由：变频超声聚焦单元、电控检测单元以及激光熔覆单元组成。变频超声聚焦单元主要由：连接于机械手的换能器6、变幅杆5以及可调超声聚焦锥4，可调超声聚焦锥4通过变幅杆与换能器连接。激光熔覆单元主要由激光发射器17和与粉末箱13联通的粉末输送管15组成。激光发射器17与粉末输送管15均连接于机械手9上。电控检测单元，控制变频超声聚焦单元的工作电压激光熔覆单元的送粉量以及机械手的运动。
换能器6、粉末箱13以及激光发射器17均通过一法兰盘8安装于工业机器人的机械手9上，使得激光发射器17、粉末输送管15以及变频超声聚焦单元在同一工作平面。工业机器人使用飞机发动机叶片待修复区采集得到的CAD/CAM数据编写工业机器人工作运行程序，以控制机械手9在飞机发动机叶片待修复区精确移动。
本实施例的变频超声聚焦单元还包括超声振动电源，超声振动电源与电控检测单元通信连接。
如图2，电控检测单元主要由中央处理器单元、工业机器人EtherNet/IP通讯接口以及PLC控制单元组成。中央处理器单元，用于接收、分析工业机器人输出的，依据叶片待修复区的CAD/CAM数据而编写的工业机器人工作运行程序数据，分别输出控制工业机器人设备、控制超声波驱动电源、自动送粉装置的数据。通讯接口，一端连接于工业机器人输出数据通讯接口，一端连接中央处理器单元输入端口，用于接收处理工业机器人提供的工业机器人工作运行程序数据。PLC控制单元分别为：第一PLC控制器，将数据传输给工业机器人，控制工业机器人的移动速度和方向；第二PLC控制器将数据传输给超声波驱动电源装置，控制超声振动电源电压以降低频率和振幅，控制熔覆层粉末沿着叶片曲面和斜面向下滑移速度；第三PLC控制器将数据传输给粉末输送管15，调节粉末输送管15的送粉量，补偿因超声振动滑移流失的熔覆层粉末。
本实施例的可调超声聚焦锥为一系列高度不同的空心圆锥体，圆锥体的大端带有内螺纹，圆锥体的周向开设有设定斜度的用于散热的圆柱通孔，且内锥孔锥度和外锥锥度相同。超声聚焦锥的能量汇聚点处形成的聚焦环与激光熔覆层熔池直径重合，达到超声振动能量汇集，超声空化效应和声流效应增强；同时超声聚焦锥中空结构和周向均布的圆柱通孔，更有利于变幅杆末端热量快速发散，减少超声振动模块温度过高引起报警失效。
本实施例中，设定可调超声聚焦锥的锥角为α，圆柱通孔的轴线与空心圆锥体的轴线夹角为β，β=（90－½α）度，且45°<β<900。本实施例的变幅杆对应于可调超声聚焦锥的连接端设有与内螺纹相适配的外螺纹。
本实施例的激光器发射器与粉末输送管的粉末输出口均竖直向下，在工作运动方向上，激光器发射器设置于粉末输送管的后侧。
本实施例的激光熔覆单元还包括一控制比例阀14，控制比例阀14的调节阀壳141通过螺栓固定在粉末输送管15的安装位置，阀壳粉末上入口144和粉末箱13连接；阀壳粉末上入口144宽度和阀芯142宽度相同；调节阀阀芯142外体形状为一长方形，与调节阀内壁紧密结合；调节阀阀芯内部设有一内螺纹，与调节螺杆145外螺纹做螺纹配合，可以把螺杆145的螺旋运动变为可移动阀芯的直线运动，从而控制调节阀阀内腔L的距离，达到控制粉末从上入口经阀芯间隙L，送到下出口到达叶片表面的粉末的流量。伺服电机143固定于调节阀外壳一端，调节螺杆145与电机转子固定连接，伺服电机143旋转一圈，调节螺杆转一圈，可移动阀芯沿着L方向增大或减小一个螺距的间隙，从而控制粉末流量。
可调超声聚焦锥与激光发射器的激光发射方向成30度夹角（该夹角取值为20度至40度），与叶片修复区之间存在2mm～6mm的间隙，本实施例的间隙设定为4mm（以超声聚焦锥的能量汇聚点处形成的聚焦环与激光熔覆层熔池直径重合为准则）。
本实施例的飞机发动机叶片的维修装置有效避免现有固定频率超声振动辅助激光熔覆技术在飞机发动机叶片维修中因叶片的曲面、斜面形状不断变化，导致叶片修复区熔覆层的粉末滑移，叶片修复区的曲面、斜面部分熔覆层变薄、分层的问题；在叶片修复过程通过对超声振动频率、振幅的调节、同步送粉装置送粉量调节、工业机器人运行速度、方向调节三种方式，多途径解决超声振动辅助激光熔覆技术在维修飞机发动机叶片过程中存在的叶片曲面、斜面的熔覆层形成梯度化、开裂、超声空化效应的问题，同时提高超声振动辅助激光熔覆技术维修飞机发动机叶片的效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种飞机发动机叶片的维修装置，连接于工业机器人的机械手上，其特征在于包括：变频超声聚焦单元、电控检测单元以及激光熔覆单元，所述变频超声聚焦单元包括：连接于机械手的换能器、变幅杆以及可调超声聚焦锥，所述可调超声聚焦锥通过变幅杆与换能器连接；激光熔覆单元包括：激光发射器和与粉末箱联通的粉末输送管，所述激光发射器与粉末输送管均连接于机械手上；电控检测单元，控制变频超声聚焦单元的工作电压、激光熔覆单元的送粉量以及机械手的运动。
2.根据权利要求1所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于所述换能器、粉末箱以及激光发射器均通过一法兰盘安装于工业机器人的机械手上，所述工业机器人使用飞机发动机叶片待修复区采集得到的CAD/CAM数据编写工业机器人工作运行程序，以控制机械手在飞机发动机叶片待修复区精确移动。
3.根据权利要求1所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于所述变频超声聚焦单元还包括超声振动电源，所述超声振动电源与电控检测单元通信连接。
4.根据权利要求1所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于所述电控检测单元包括：中央处理器单元，用于接收、分析工业机器人输出的，依据叶片待修复区的CAD/CAM数据而编写的工业机器人工作运行程序数据，分别输出控制工业机器人设备和控制超声波驱动电源、自动送粉装置的数据；
通讯接口，一端连接于工业机器人输出数据通讯接口，一端连接中央处理器单元输入端口，用于接收处理工业机器人提供的工业机器人工作运行程序数据；
PLC控制单元分别为：第一PLC控制器，将数据传输给工业机器人，控制工业机器人的移动速度和方向；第二PLC控制器将数据传输给超声波驱动电源装置，控制超声振动电源电压以降低频率和振幅，控制熔覆层粉末因振动而沿着叶片曲面和斜面向下滑移速度；第三PLC控制器将数据传输给粉末输送管，调节粉末输送管的送粉量，补偿因超声振动滑移流失的熔覆层粉末。
5.根据权利要求1所述的飞机发动机叶片的维修装置，所述可调超声聚焦锥为一系列高度不同的空心圆锥体，所述圆锥体的大端带有内螺纹，圆锥体的周向均布有设定斜度的用于散热的圆柱通孔，且内锥孔锥度和外锥锥度相同。
6.根据权利要求5所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于，设定所述可调超声聚焦锥的锥角为α，所述圆柱通孔的轴线与空心圆锥体的轴线夹角为β，β=（90－½α）度，且45°<β<900。
7.根据权利要求5所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于所述变幅杆对应于可调超声聚焦锥的连接端设有与所述内螺纹相适配的外螺纹。
8.根据权利要求1所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于所述激光熔覆单元还包括一控制比例阀，所述控制比例阀包括：阀芯、螺杆以及伺服电机，所述螺杆可转动地连接于伺服电机的输出轴，所述阀芯为设有内螺纹的空心滑块并旋接于螺杆，激光熔覆单元通过伺服电机驱动螺杆转动实现的送粉量的控制。
9.根据权利要求1所述的飞机发动机叶片的维修装置，其特征在于所述可调超声聚焦锥与所述激光发射器的激光发射方向成30度夹角，与叶片修复区之间存在2mm～6mm的间隙。
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