CN208019619U - 一种面向lsp应用的高能量光束xy轴导光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种便于移动，可以精确定位，实现高能量光束简便操作精准控制，满足多样化工作需求，面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置,包括,X轴伺服电机，Y轴伺服电机，第一激光隔离器，激光发射器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、控制模块、竖直导轨和水平导轨、第一竖直立柱、第二竖直立柱、水平连接柱。本实用新型的有益效果是飞行光路结构简洁，传输损耗低，能承受高脉冲能量，结构高度稳定且抗干扰性强，适合移动LSP的应用。二维平面内任意冲击点智能可控，满足多样化冲击。引入闭环控制思路，保证轰击位置的精确性。

Description

一种面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置

技术领域

本实用新型涉及属于光电工程领域，具体涉及高强度激光能量的传输和激光冲击强化的定位技术。

背景技术

激光技术的飞速发展，给人类生活带来显著的变革。激光加工技术作为一种先进制造技术已广泛运用于工业制造领域中，对传统产业改造升级具有重要意义段。激光焊接、激光切割、激光打孔等技术目前都具有极好的应用前景。对于金属材料，材料表面的结构和性能直接影响着器件的综合性能。金属材料的疲劳失效和腐蚀失效均始于材料表面。而应用激光表面处理技术来解决零件的表面磨损和疲劳等问题就具有重要意义。

激光冲击强化技术(简称LSP)作为金属表面处理的一个重要研发方向。LSP凭借其非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点得到了近年来学界研究的关注。激光冲击强化技术是利用高能量激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一项高新技术。由于其出色的表面强化效果，所以在航天航空、船舶、汽车、石油化工、装备制造、核工业和高端模具等众多机械制造领域得到了广泛应用。美国首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变铝合金的显微结构组织。上世纪80年代后很多国家纷纷开展了激光冲击强化的技术研究。进入本世纪之后，激光冲击强化技术逐步走向成熟，在高周疲劳、腐蚀防护、生物医疗、精密成形等方面的应用正在迅猛发展。我国对激光冲击强化的工程应用始于2008年，经过不断的发展至今已经具有一定的规模，已经对十多种航空发动机部件进行激光冲击强化，还在地面燃气轮机叶片、核反应堆焊缝、自行车赛车架等部件上应用，并研制了多种不同型号激光冲击强化成套设备。

激光冲击强化技术是解决金属部件可靠性增长问题新的有效途径，该技术的应用对于提高我国中高端装备制造能力和水平，具有重要的意义和巨大的经济效益。由于激光器体积庞大不便于移动，而目前的传能光纤又不能承受如此高能量的激光束。这就导致目前的冲击强化的方式基本是激光器固定，通过移动工件的方式来实现光斑搭接处理金属表面，只能在固定地点处理一些重量不大的零部件。如何解决高能激光的柔性传导，并精确定位，就能实现将激光冲击强化设备移动到装配现场，将显著增加其便捷性能，将能广泛的应用在大型装备现场强化，大型输油管道的原位强化，以及大型工程装备的现场应急抢修等等更多层面领域。

发明内容

本实用新型提供一种便于移动，可以精确定位，实现高能量光束简便操作精准控制，满足多样化工作需求，面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置，包括,X轴伺服电机， Y轴伺服电机，第一激光隔离器，激光发射器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、控制模块、竖直导轨和水平导轨、第一竖直立柱、第二竖直立柱、水平连接柱；水平连接柱与竖直导轨连接，竖直导轨驱动水平连接柱运动；

第一竖直立柱和第二竖直立柱顶部设置平台；

平台上设置激光发射器，第一激光隔离器，第一反射镜；

第二反射镜以固定角度设置于第一竖直立柱顶端；

第三反射镜以固定角度设置于水平连接柱与第一竖直立柱接触的端部；

第四反射镜设置于水平连接柱上；

激光发射头设置于水平连接柱上；

水平连接柱上设置微型摄像头和激光距离传感器；

进一步的，所述竖直导轨和水平导轨为圆形导轨。

进一步的，高能量光束XY轴导光装置固定于带有滑轮的支撑架上。

进一步的，所述平台为精密隔振光学平台。

进一步的，控制模块为单片机或PLC。

本实用新型的有益效果是：

1.采用以太网和串口通信等多种方式传输数据的控制模块通过两个伺服电机实现对激光头在竖直和水平方向的精准操控，根据不同需求可通过计算机发送运动指令，由控制单元调控激光头来完成在X或Y轴方向上相应的移动，并且能够通过反馈装置实时获取和校对设备的工作运行状态，形成激光输出工作状态的闭环控制，达到精确的控制高能激光的入射角度位置、位移量并控制光出口与被加工物体表面距离，提高强化质量。

2.把光路关节活动点精简至极致，光路中的镜片和隔离器均可靠固定以降低传输损耗 (除光路末端4号反射镜未完全固定，便于用来对激光入射方向的调节)，竖直方向采用圆柱体支撑，竖直与水平方向均配有圆形导轨，在方向可控的前提下又能够极好的保护了光路的稳定性，并且整个装置坐落的水平底面为光学平台，平台又水平固定于带有导轨的固定性支撑架上，实现装置在水平面内的任意移动，最终实现高能量激光在二维平面内灵活可控的智能化导光装置。

3.活动关节数目精简到极致。

4.飞行光路结构简洁，传输损耗低，能承受高脉冲能量，

5.结构高度稳定且抗干扰性强，适合移动LSP的应用。

6.二维平面内任意冲击点智能可控，满足多样化冲击。

7.引入闭环控制思路，保证轰击位置的精确性。

附图说明

图1为本实用新型一实施例基于LSP导光系统设备的俯视图。

图2为本实用新型一实施例基于LSP导光系统设备的主视图。

图3为本实用新型一实施例激光头装备的防抖动可变焦镜头。

图4为本实用新型一实施例主控计算机控制系统流程图。

图3标号说明，1为压紧圈，2为透镜筒，3为调向螺丝，4调焦定位螺丝钉，5为调焦环，6为电机罩，7为接口，8为定位槽口。

图1中10为2号光隔离器，11为3号光隔离器，12为激光路线，13为4号和5号光隔离器，14为6号光隔离器，15为激光镜头，16为激光器，17为导轨。

图2中21为激光器，22为1号光隔离器，23为2号光隔离器，24为3号和4号光隔离器，25为激光路线，26为5号光隔离器，27为6号光隔离器，28为激光镜头。

具体实施方式

本实用新型技术方案解决背景技术中问题的核心思路之一是：

才用高能激光器发送的高能量激光通过本实用新型设计的飞行光路，最终由光路末端的激光头发射出到指定位置，完成轰击强化。高能量激光发送后首先经过一个光隔离器保证光的单一方向传播，阻止光的反射，提高光的传播效率，然后通过反射镜使激光按照设定路线传播之激光发射头。本实用新型把反射节点数目精简至极少，所以激光在传导过程中的能量损耗减少至很低，并在竖直及水平方向的导轨选取圆形导轨，由于圆形导轨具有精确度高几近零摩擦而且设计灵活和载荷能力以及使用寿命能力等优越性，能够极好地保证控制调节的精确程度。所以装置在竖直与水平方向上的间接支撑也都使用圆柱体，并把反射镜固定在圆柱体上，在移动过程中保证镜面不会产生偏移，进一步增强光路的稳定性；整个装置是使用精密隔振光学平台作为底面，平台又连接固定于带有滚轮的固定型支架上，实现本实用新型水平移动的便利性。在竖直方向与水平方向导轨上均装配伺服电机作为动力源，通过硬件编程及串口控制等方法利用电压信号转化为控制驱动，控制电机的转动带动圆形导轨的移动，伺服电机的控制速度与位置精度都能相当准确调节，并且伺服电机具有体积小，负载能力强，容易控制等优点，能够很好地减小本实用新型的体积并保证动力。对伺服电机的控制是通过串口通信和机器汇编等方式实现，控制模块根据不同命令的需要，利用电平高低的变化控制伺服电机的移动，在操作电脑上根据工作需要能够通过简洁操作控制指令的改变。最后在轰击出口处配备微型摄像头及激光距离传感器，利用微型摄像头来反馈轰击出口实时对应的位置，激光距离传感器来判断被加工物件与轰击出口的准确距离，通过相应数据线呈现给操作电脑端，操作电脑根据输入的命令能够自行判断激光通过光路后是否正确地指向目标点，之后自行或通过操作人员对可调反射镜及可调镜头再一次进行精确地调整，实现对冲击位置的精准轰击。

下面通过一个具体的实施例来对本实用新型进行说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例中选用STM32系列中STM32F103ZE单片机芯片作为控制模块，以程序编程方法对I/O口的输出电平进行调节来控制XY轴上的伺服电机的工作状态实现设备在水平方向与竖直方向上的移动，并把STM32芯片的RS232接口与电脑相接，能够在电脑上通过软件程序实现对I/O口电平的调节控制。激光器的选择采用满足高功率密度和短脉冲等激光强化技术要求，本实施例中采用能量为10焦耳，纳秒脉冲的Nd-YAG激光器，从激光器发射出的高能激光通过一个口径为30毫米光隔离器，光隔离器对光传播方向进行限制，只能满足单一方向传播，阻止光的反射，提高光波的传输效率。之后光波通过口径为50毫米的反射镜片对光传播方向进行改变，一号反射镜与光隔离器都被固定于光学平台上，二号反射镜以确定的角度固定于竖直方向上圆柱形支撑柱的顶端，三号反射镜以确定角度固定于水平方向上的连接柱体的左端处与二号反射镜相对而立上，这样可以保证在上下移动时两镜片之间的角度不会改变，从而激光传播的方向便不会发生偏差，四号反射镜在水平连接柱体的中心用来把光传导至激光发射头，四号反射镜并没有完全固定，配置角度转动电机接受控制模块的控制改变反射角度，或者由操作人员手动改变反射角度，在激光头的发射口装有AFT-VDM高速工业数字相机系列中的AFT-VDM200SM/SC型号的相机，通过USB连线直接与远程电脑显示端相连，本实施例中相机可通过外部信号触发连续采集，提供优越的图像品质，还具有较高的帧传速速率保证显示端同步获取激光头所处的位置，同时还装有 CYD-L2000激光距离传感器，其带有标准RS-232串口可直接与电脑相连而且具备量程大精度高等优点，能够在电脑段实时获取激光头指向位置以及与被加工物件之间的距离，通过反馈回来的实时信息来判断当前位置是否为目标地点并在电脑上可进行调整，现实闭环控制本实施例中使用的激光镜头是AFT vision电动变焦工业镜头系列的VS-10200DM来实现光束的调制，能够通过反馈信息改变输出电平实现自动变焦对不同发射距离进行调整，变焦过程平稳效果良好并且无需更换镜头简化操作节约成本，焦距的调整是控制模块依据操作电脑发射的指令进行控制，轰击强化目标点的选定操作可在操作电脑上完成，多样化的复杂轰击图案可通过电脑编程加载到本实用新型的控制程序中完成。本实施例中的导轨均使用高精密级，保证光路的稳定，提高本实施例中的高精准度的轰击要求，装置使用光学平台作为底板搭建在固定性带有滑轮的支撑架上，具有灵活便捷的可移动性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置,其特征在于，包括,X轴伺服电机，Y轴伺服电机，第一激光隔离器，激光发射器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、控制模块、竖直导轨和水平导轨、第一竖直立柱、第二竖直立柱、水平连接柱；

第一竖直立柱和第二竖直立柱顶部设置平台；

平台上设置激光发射器，第一激光隔离器，第一反射镜；

第二反射镜以固定角度设置于第一竖直立柱顶端；

第三反射镜以固定角度设置于水平连接柱与第一竖直立柱接触的端部；

第四反射镜设置于水平连接柱上；

激光发射头设置于水平连接柱上；

水平连接柱上设置微型摄像头和激光距离传感器。

2.如权利要求1所述的一种面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置，其特征在于,所述竖直导轨和水平导轨为圆形导轨。

3.如权利要求1所述的一种面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置，其特征在于,高能量光束XY轴导光装置固定于带有滑轮的支撑架上。

4.如权利要求1所述的一种面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置，其特征在于,所述平台为精密隔振光学平台。

5.如权利要求1所述的一种面向LSP应用的高能量光束XY轴导光装置，其特征在于,控制模块为单片机或PLC。