CN208019649U - 一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统，其包括分光件和穿透监测机构，穿透监测机构包括中继组件、成像器件和调焦组件；分光件位于激光的加工光路中，用于透射加工激光以及反射加工激光的反射光形成监测光路，加工光路垂直于监测光路；中继组件位于监测光路中，用于调制监测光路的监测光，得到需要的放大率和线视场；成像器件接收经中继组件调制的监测光；调焦组件用于根据不同加工距离调节成像器件与中继组件之间的相对间距，以使成像器件在最佳像面位置获取监测光图像。

Description

一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，特别涉及一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统。

背景技术

随着燃气轮机性能的改善，涡轮入口温度不断提高，必须采用有效的冷却方式才能保证涡轮叶片的正常工作。气膜冷却是一种行之有效的方法，具体为在高温部位开槽缝或微孔，将冷却介质射入高温燃气。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好以及高能量密度等特点，激光加工技术已在空心叶片气膜孔加工领域得到广泛应用。

激光加工是激光束经光学系统聚焦于工件，基于其较高的能量密度实现工件加工。在空心叶片气膜孔激光加工的过程中，总是出现气膜孔未穿或对壁损伤等加工问题。由于激光加工是光与物质的复杂作用，穿透信号很容易淹没在噪声中，故现有激光加工技术中尚未提供一种能够对穿透状态判读的监测装置。

有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述技术问题的，用于对穿透状态判读的监测系统。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统，以通过获取监测光图像判断气膜孔的监测状态。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统，其包括分光件和穿透监测机构，穿透监测机构包括中继组件、成像器件和调焦组件；分光件位于激光的加工光路中，用于透射加工激光以及反射加工激光的反射光形成监测光路，加工光路垂直于监测光路；中继组件位于监测光路中，用于调制监测光路的监测光，得到需要的放大率和线视场；成像器件接收经中继组件调制的监测光；调焦组件用于根据不同加工距离调节成像器件与中继组件之间的相对间距，以使成像器件在最佳像面位置获取监测光图像。

其中，穿透监测系统进一步包括控制单元，控制单元与激光器、成像器件、调焦组件电连接，用于控制调焦组件驱动成像器件沿监测光路的方向移动、实时计算成像器件在每一移动位置的图像清晰度值，以及将各个移动位置的图像清晰度值进行比较找出最大值，图像清晰度的最大值所在的移动位置即成像器件的最佳像面位置；控制单元还配置成在成像器件处于最佳像面位置时对获取的监测光图像进行穿透判断，智能判断气膜孔的穿透状态。

其中，控制单元还用于对气膜孔的孔型和孔径进行在线测量，当测量值超出设定阈值时，实时结束加工过程。

其中，中继组件包括镜筒和设置于镜筒中的透镜组件；调焦组件包括电机、丝杠螺母机构和转接座，电机的输出端连接丝杠螺母机构的滚珠丝杠，转接座连接丝杠螺母机构的丝杠螺母和成像器件，电机带动丝杠螺母机构的滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的旋转运动通过丝杠螺母和转接座转换为成像器件的直线运动。

其中，穿透监测机构进一步包括滤光片，滤光片固定安装在成像器件接收监测光路的前端。

其中，穿透监测机构进一步包括遮光筒，遮光筒的一端与转接座连接，另一端滑动接合于镜筒的外部。

其中，调焦组件还包括直线导轨，成像器件滑动设置于直线导轨上。

其中，穿透监测机构进一步包括第一光电开关和第二光电开关，第一光电开关和第二光电开关分别设置于成像器件的运动行程两端。

其中，穿透监测机构进一步包括限位块，限位块用于限制成像器件的运动行程。

其中，电机为步进电机。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统利用分光件形成监测光路，通过中继组件对监测光进行调制，得到需要的放大率和线视场，调焦组件调节成像器件与中继组件之间的相对间距，以使成像器件在最佳像面位置获取监测光图像；本实用新型穿透监测系统用于对空心叶片气膜孔激光加工进行实时监测，用于防止气膜孔未穿、孔质量差和对壁损伤等加工问题，进一步地，具有调焦功能能够满足不同加工面的穿透监测。

附图说明

图1是本实用新型用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统光学系统结构示意图；

图2是图1所示穿透监测系统的穿透监测机构的立体图；

图3是图2所示穿透监测机构的剖视图；

图4是在激光加工过程中应用图1所示穿透监测系统的流程图；

图5是应用图1所示穿透监测系统加工气膜孔时穿透前制孔状态图；

图6是应用图1所示穿透监测系统加工气膜孔时穿透后制孔状态图。

具体实施方式

本实用新型提供一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统。穿透监测系统包括分光件和穿透监测机构。穿透监测机构包括中继组件、成像器件和调焦组件。

分光件位于激光的加工光路中，用于透射加工激光以及反射加工激光的反射光形成监测光路，加工光路垂直于监测光路；中继组件位于监测光路中，用于调制监测光路的监测光，得到需要的放大率和线视场；成像器件接收经中继组件调制的监测光；调焦组件用于根据不同加工距离调节成像器件与中继组件之间的相对间距，以使成像器件在最佳像面位置获取监测光图像。

具体地，图1至图3所示为本实用新型用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统优选实施例，将对上述技术方案做进一步地详细说明。

为了防止出现气膜孔未穿或对壁损伤等加工问题，本实用新型在激光加工系统中设置了同轴监测光路。如图1所示，分光件2和聚焦镜组1位于激光的加工光路中，分光件2相对加工光路呈45°角倾斜设置。在激光对加工件进行制孔加工的过程中，加工激光经过分光件2透射后，聚焦镜组1对加工激光进行汇聚调制形成加工光束。

在激光加工的过程中，少量激光经原路径反射，反射激光经聚焦镜组1对其进行准直后达到分光件2，经由分光件2形成垂直于加工光路的监测光路。监测光路经中继组件3、滤光片4后进入成像器件5。换句话说，中继组件3、滤光片4和成像器件5依次设置于监测光路上。

由于诸如气膜孔的微孔的直径很小，通常只有0.05-2.0mm，若光学系统放大率和分辨率较低，会导致像素较低和灰度判别的区域选取误差大，最终导致穿透信息量不足。通过设计相应的中继组件，可以提高放大率和线视场以得到足够的信息量，因此，反射光束通过中继组件3使微孔表面被放大，在成像器件5上形成清晰放大的像。滤光片4用于过滤加工过程的强光。

成像器件5用于对穿过中继组件3的监测光进行成像，在本实施方式中采用CCD，但在其他实施方式中，可采用能够进行光学成像的其他成像元件如CMOS等。该监测系统的实现方式为：制孔过程中的变化情况经聚焦镜组1传递并通过分光件折转90°形成的监测光路通过中继组件3聚焦成像在成像器件5上，基于图像清晰度进行对焦，通过自动调节调焦组件6使其移动至最佳像面位置完成实时对焦，基于成像器件5上的图像的灰度变化来判断穿透信号的出现，实现对打孔过程的实时监测。该光学结构紧凑和可靠性高，分光件2的置入，避免了穿透监测系统对加工光路的影响。在一个实施方式中，分光件2的两面设计有不同的膜系以消除两面反射产生的鬼像，进而提高对目标信号的感知能力。

为了实现调焦组件6的自动对焦功能，穿透监测系统进一步包括控制单元(未图示)。在一个实施方式中，控制单元为装有控制卡的计算机，该计算机电连接至CCD、电机、以及加工光路中的激光器。控制单元用于控制调焦组件6驱动成像器件5沿监测光路的方向移动、实时计算成像器件5在每一移动位置的图像清晰度值，以及将各个移动位置的图像清晰度进行比较找出最大值，图像清晰度的最大值所在的移动位置即成像器件的最佳像面位置。

控制单元还配置成在成像器件5处于最佳像面位置时对获取的监测光图像进行穿透判断，智能判断气膜孔的穿透状态。进一步地，控制单元还配置成基于监测结果对气膜孔的孔型和孔径进行在线测量，当测量值超出设定阈值时，向激光器发出停止信号，实时结束加工过程。

为了便于系统集成和调试，本实用新型提供了一种结构小型化和自动化的穿透监测机构。穿透监测机构的结构配置可参照图2至图3所示优选实施方式。本实施方式中，穿透监测机构300包括结合为一体的中继组件3、滤光片4、成像器件5和调焦组件6，以上组件均设置于一外壳体(未标示)内。中继组件3、滤光片4和成像器件5依次设置在监测光路上构成穿透监测机构的光学部分。

中继组件3包括镜筒31和设置于镜筒31中的透镜组件(未标示)。本实施方式中，透镜组件采用摄远结构，由四片透镜成，即图2中所示的第一透镜32、第二透镜33、第三透镜34和第四透镜35，这四片透镜无复杂面型，易于加工无特殊材料，环境适应性强，通过以上四个透镜的组合可以实现监测光束的调制，得到需要的放大率和线视场。在穿透监测机构执行监测工作的温度范围内，为保证由于温度的变化所产生的结构应力和变形不会对成像质量带来严重影响，镜筒等结构材料可以采用硬铝合金2A12。

调焦组件6的设置以便提高穿透监测系统的智能性和自动化程度，实现对不同加工平面的自动调焦。调焦组件6包括电机61、丝杠螺母机构(未图示)和转接座67。电机61的输出轴连接丝杠螺母机构的滚珠丝杠62，转接座67连接丝杠螺母机构的丝杠螺母63和成像器件5。电机61带动丝杠螺母机构的滚珠丝杠62转动，滚珠丝杠62的旋转运动通过丝杠螺母63和转接座67转换为成像器件5的直线运动。

更具体地，电机61采用步进电机，配置有旋转编码器，用于提供自动对焦控制时的驱动力。电机61的输出端和滚珠丝杠62通过联轴节64连接，以将动力传递至滚珠丝杠。为了实现动力的稳定传输，滚珠丝杠62外还套设轴承65，轴承65支撑于外壳体上。丝杠螺母63安装于滚珠丝杠62上与联轴节64相反的一端，用于将电机61的旋转运动转换为直线运动。丝杠螺母63与转接座67连接，转接座67固定安装在成像器件5上。

为了确保成像器件5沿监测光束方向传动的精度，调焦组件6进一步包括设置于外壳体上的直线导轨66，成像器件5滑动设置于直线导轨66上。电机1旋转带动滚珠丝杠62旋转，滚珠丝杠62的旋转运动通过丝杠螺母63和转接座67转换为成像器件5在直线导轨66上的直线运动。调焦组件6通过电机+丝杠螺母机构的驱动方式控制成像器件5的轴向移动，实现对不同加工面的调焦，采用直线导轨进行导向，保证其同轴度。

穿透监测机构还包括第一光电开关(未标示)和第二光电开关68，第一光电开关和第二光电开关分别设置于成像器件5的运动行程的两端，使得控制单元能够准确判断成像器件5的运动位置。

进一步地，穿透监测机构还包括设置于外壳体上的限位块69，限位块69用于限制成像器件5的运动行程，避免电气元件失效导致运动机构的损坏。

滤光片4固定安装在成像器件5接收监测光路的前端。

穿透监测机构300进一步包括遮光筒36。遮光筒36的一端与转接座67连接，二者之间设置有密封圈，用于密封遮光；遮光筒36的另一端滑动接合于镜筒31的外部。遮光筒36设置于镜筒31和成像器件5之间以防外部环境影响成像器件5成像。

如图4所示，为使用本实用新型穿透监测系统进行穿透监测工作的流程图。具体为：打开激光器的激光快门开始制孔；穿透监测系统进行初始化；控制单元控制步进电机61驱动成像器件5移至最远端；控制单元使成像器件5以设定步长移动并计算每一移动位置的图像清晰度值，将各个移动位置的图像清晰度值进行比较找出最大值，图像清晰度的最大值所在的移动位置即成像器件的最佳像面位置，否则步进电机驱动成像器件5进行调焦，直至找到最佳像面位置；经过自动调焦，图像清晰度满足监测要求，使成像器件上形成最清晰的像以进行穿透判断；随后控制单元基于图像处理通过信号放大和特征区域选取技术，对孔的图像灰度变化进行判断，智能判断孔的穿透状态，在判断灰度发生明显变化时判断加工光束已经穿透工件，输出穿透信号，并关闭激光器，准备下一孔的加工。在制孔过程中，控制单元可对孔形和孔径进行在线测量，当出现孔质量不满足加工要求时，可以及时结束加工过程，对设备进行调整。当判断工件未发生穿透时则继续加工，直到出现穿透信号后及时关光，然后进行下一孔加工。此外，在激光加工制孔过程中，加工系统逐渐向下移动，物距发生变化，导致目标像离焦，成像质量下降，控制单元可以基于控制单元内记录的成像清晰度对CCD相机进行自动调焦以满足监测成像要求。具体地说，在自动对焦完成，CCD相机上形成关于微孔加工状态的清晰可处理的像时，控制单元将感光CCD相机上的特征图像转化为可被计算软件识别的在二维坐标系中的数字图像，并根据成像的状态判断加工的状态，如图5所示，激光微孔加工未穿透工件时，采集的图像成像均匀，而当激光穿透工件，微孔加工状态的图像发生明显灰度变化，如图6所示。此时控制单元向激光器发出关闭信号，结束加工过程。

与现有技术相比，本实用新型用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统利用分光件2形成监测光路，通过中继组件3对监测光进行调制，得到需要的放大率和线视场，调焦组件6调节成像器件5与中继组件3之间的相对间距，以使成像器件5在最佳像面位置获取监测光图像；本实用新型穿透监测系统用于对空心叶片气膜孔激光加工进行实时监测，用于防止气膜孔未穿、孔质量差和对壁损伤等加工问题，进一步地，具有调焦功能能够满足不同加工面的穿透监测。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于空心叶片气膜孔激光加工的穿透监测系统，其特征在于，所述穿透监测系统包括分光件和穿透监测机构，所述穿透监测机构包括中继组件、成像器件和调焦组件；

所述分光件位于激光的加工光路中，用于透射加工激光以及反射加工激光的反射光形成监测光路，所述加工光路垂直于所述监测光路；

所述中继组件位于所述监测光路中，用于调制所述监测光路的监测光，得到需要的放大率和线视场；

所述成像器件接收经所述中继组件调制的监测光；

所述调焦组件用于根据不同加工距离调节所述成像器件与所述中继组件之间的相对间距，以使所述成像器件在最佳像面位置获取监测光图像。

2.根据权利要求1所述的穿透监测系统，其特征在于，所述穿透监测系统进一步包括控制单元，所述控制单元与激光器、成像器件、调焦组件电连接，用于控制所述调焦组件驱动所述成像器件沿监测光路的方向移动、实时计算所述成像器件在每一移动位置的图像清晰度值，以及将各个移动位置的图像清晰度值进行比较找出最大值，图像清晰度的最大值所在的移动位置即成像器件的最佳像面位置；所述控制单元还配置成在所述成像器件处于最佳像面位置时对获取的监测光图像进行穿透判断，智能判断气膜孔的穿透状态。

3.根据权利要求2所述的穿透监测系统，其特征在于，所述控制单元还用于对气膜孔的孔型和孔径进行在线测量，当测量值超出设定阈值时，实时结束加工过程。

4.根据权利要求1所述的穿透监测系统，其特征在于，所述中继组件包括镜筒和设置于镜筒中的透镜组件；所述调焦组件包括电机、丝杠螺母机构和转接座，所述电机的输出端连接所述丝杠螺母机构的滚珠丝杠，所述转接座连接所述丝杠螺母机构的丝杠螺母和所述成像器件，所述电机带动所述丝杠螺母机构的滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的旋转运动通过丝杠螺母和转接座转换为成像器件的直线运动。

5.根据权利要求4所述的穿透监测系统，其特征在于，所述穿透监测机构进一步包括滤光片，所述滤光片固定安装在所述成像器件接收所述监测光路的前端。

6.根据权利要求4所述的穿透监测系统，其特征在于，所述穿透监测机构进一步包括遮光筒，所述遮光筒的一端与所述转接座连接，另一端滑动接合于所述镜筒的外部。

7.根据权利要求4所述的穿透监测系统，其特征在于，所述调焦组件还包括直线导轨，所述成像器件滑动设置于所述直线导轨上。

8.根据权利要求4所述的穿透监测系统，其特征在于，所述穿透监测机构进一步包括第一光电开关和第二光电开关，所述第一光电开关和第二光电开关分别设置于所述成像器件的运动行程两端。

9.根据权利要求4所述的穿透监测系统，其特征在于，所述穿透监测机构进一步包括限位块，所述限位块用于限制所述成像器件的运动行程。

10.根据权利要求4所述的穿透监测系统，其特征在于，所述电机为步进电机。