CN211645388U - 用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置 - Google Patents
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Abstract
用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，包括：激光发射单元，包括激光器和激光头位置调节机构，激光器活动安装于激光头位置调节机构的调节部；冷喷单元，包括送粉装置和冷喷喷枪，冷喷喷枪的进粉口与送粉装置的出粉口管路连通，冷喷喷枪悬装于运动单元的安装部，冷喷喷枪的喷嘴对准基材表面的沉积区；运动单元，包括六轴机械臂和安装部，安装部安装于六轴机械臂的活动端；和检测控制单元，设置于包括中央控制器、光斑定位设备和粉斑定位设备，光斑定位设备的检测头对准粉斑定位设备；粉斑定位设备设在喷嘴正下方。本实用新型有益效果是：光斑和粉斑的重合，保证沉积效果；激光器和六轴机械臂的运动是相互独立，减少运动的复杂性。
Description
技术领域
本实用新型属于材料表面改性及增材制造领域，具体涉及一种用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置。
背景技术
超音速激光沉积是将冷喷涂技术与激光技术相结合的一种新型材料沉积方法，可广泛应用于零部件的表面改性以及增材制造与再制造。该技术是在冷喷涂的过程中，利用高能激光束对高速喷涂粉末和基体沉积区域进行同步加热，由于激光瞬间加热使喷涂颗粒和基体表面软化但不熔化，提高了喷涂颗粒和基体表面的塑性变形能力，可将冷喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可在以压缩空气或者氮气为工作载气的情况下实现高强度材料的沉积，降低成本的同时大大拓展了冷喷涂技术可沉积材料的范围。此外，由于激光的引入，材料的沉积效率、致密度以及结合强度较单一冷喷涂均有明显提高。与激光熔覆和热喷涂等高热输入技术相比，超音速激光沉积技术由于仍然保持了冷喷涂固态沉积的特征，可以避免沉积材料的分解、氧化、相变以及被处理工件的变形、开裂、翘曲等热致不良影响。
在超音速激光沉积过程中，由于同时涉及到激光束和高速粉末束，因此光斑与粉斑的相对位置对表面涂层形貌以及增材制造形状具有非常重要的影响。在现在的超音速激光沉积设备中，一般都是采用激光侧照的方式将激光光斑与喷涂粉斑相配合，而且一旦设定工艺程序，在沉积过程中光斑与粉斑的相对位置是固定不变的。但是，在沉积较厚的表面涂层或者增材制造时，按设置好的工艺程序进行沉积时，随着沉积层厚度的增加或者沉积层厚度较低时，实际加工面会偏离预先设置的加工基准面。在此情况下，激光光斑与喷涂粉斑的相对位置会偏离预先设置的情形，从而会影响沉积效率以及成形形貌。极端情况下，激光光斑与喷涂粉斑甚至会完全错开，变成单一的冷喷涂工艺，这对超音速激光沉积的影响非常大。
因此，开发一种能够在超音速激光沉积过程中根据成形形貌实时调整激光光斑/喷涂粉斑相对位置的装置具有非常重要的工程应用价值。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本实用新型的目的是提供一种用于超音速激光沉积过程实时调整激光光斑/喷涂粉斑相对位置的装置。
本实用新型在超音速激光沉积的过程中，机械臂按设置好的路径进行沉积的同时，通过四个力传感器对粉末颗粒撞击基板的区域进行定位，此区域即为粉斑位置；通过红外热成像仪对光斑位置定位，再通过控制激光头的位移，让光斑和粉斑重合，以此来让激光头和冷喷枪按原定路径工作的同时进行光斑和粉斑的微调整。
本实用新型解决上述问题的技术方案是：
用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于，包括：
激光发射单元，包括激光器和激光头位置调节机构，激光器活动安装于激光头位置调节机构的调节部，并且激光器的发出的激光光束照射至基材表面的沉积区，用于对基材表面的沉积区进行加热；激光头位置调节机构安装于运动单元的安装部，用于调节激光头的位置；
冷喷单元，包括送粉装置和冷喷喷枪，所述冷喷喷枪的进粉口与送粉装置的出粉口管路连通，所述冷喷喷枪悬装于运动单元的安装部，并且冷喷喷枪的喷嘴对准基材表面的沉积区，用于向基材表面喷涂沉积的粉末；
运动单元，包括六轴机械臂和安装部，安装部安装于六轴机械臂的活动端，用于调整冷喷单元以及激光发射单元的位置；
和检测控制单元，设置于包括中央控制器、光斑定位设备和粉斑定位设备，其中所述光斑定位设备的检测头对准粉斑定位设备，用于对光斑位置定位计算；所述粉斑定位设备设置于冷喷单元的喷嘴正下方，用于确定粉斑位置；所述中央控制器的信号输入端与光斑定位设备的信号输出端、粉斑定位设备的信号输出端信号连接/电连接，用于分析测量到的光斑、粉斑位置信息；所述中央控制器的信号输出端与六轴机械臂的控制端信号连接/电连接，用于驱动运动单元带动激光器移动，调整光斑位置，使光斑与粉斑部分叠加或完全重合。
进一步，所述激光头位置调节机构包括伺服电机和滚珠丝杆滑台，所述的滚珠丝杆滑台包括支撑架、丝杆以及滑台，所述支撑架安装于运动单元的安装部；所述伺服电机安装于支撑架上，用于驱动丝杆绕其自身中心轴周向旋转；所述丝杆通过相应轴承垂直安装在支撑架上，并可绕自身中心轴周向转动；所述丝杆的顶端与伺服电机的输出端相连，丝杆的外部套设滑块，并且丝杆与滑块螺接，使得丝杆旋转时可沿丝杆轴向升降；所述滑台安装于滑块上，并且所述的滑台上设有用于调节激光头位置的滑槽，激光器通过螺栓、螺母安装在滑槽上，通过调节激光器在滑槽上的安装位置使得激光头发射的激光光束与冷喷单元喷出的粉斑在工件的表面部分叠加或完全重合。
进一步，所述滑台上设有至少一条四分之一的圆弧槽，且圆弧槽所在的基圆同圆心。
进一步，所述的激光头的中心轴和冷喷喷枪中心轴共平面。
进一步，所述运动单元的安装部为夹具板，夹具板通过法兰固装在六轴机械臂的活动端；冷喷喷枪和滚珠丝杆滑台的支撑架均垂直安装于夹具板上。
进一步，粉斑定位设备包括工作台和多个力传感器，其中工作台为矩形，并设置在喷嘴的正下方；力传感器设置在工作台的四角，力传感器的信号传输端与所述中央控制器相应的信号输入端信号连接/电连接，用于分析测量到粉斑位置信息。
进一步，四个所述力传感器在工作台周围的四个方位等距放置。
进一步，光斑定位设备包括多个红外热成像仪，并且所述红外热成像仪的检测头对准粉斑定位设备，红外热成像仪的信号传输端与所述中央控制器相应的信号输入端信号连接/电连接，用于对光斑位置定位计算并传输给中央控制器。
进一步，所述光斑定位设备包括两个红外热成像仪，两个热成像仪以30°～90°交叉放置。
本实用新型的有益效果主要体现在：
1、可以实现在超音速激光沉积过程中实时保持光斑和粉斑的重合，保证沉积效果。
2、激光器的平移和六轴机械臂的运动是相互独立的，将光斑粉斑的微调和沉积路径分离，减少了运动的复杂性。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的超音速激光沉积构件示意图(中空心的箭头表示滑台的运动方向)。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型。
参照附图：
实施例1本实用新型所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，包括：
激光发射单元，包括激光器6和激光头位置调节机构，激光器6活动安装于激光头位置调节机构的调节部，并且激光器6的发出的激光光束照射至基材13表面的沉积区，用于对基材13表面的沉积区进行加热；激光头位置调节机构安装于运动单元的安装部，用于调节激光头的位置；
冷喷单元，包括送粉装置和冷喷喷枪7，所述冷喷喷枪7的进粉口与送粉装置的出粉口管路连通，所述冷喷喷枪7悬装于运动单元的安装部，并且冷喷喷枪7的喷嘴对准基材13表面的沉积区，用于向基材13表面喷涂沉积的粉末形成粉斑；
运动单元，包括六轴机械臂1和安装部，安装部安装于六轴机械臂的活动端，用于调整冷喷单元以及激光发射单元的位置；
和检测控制单元，设置于包括中央控制器8、光斑定位设备和粉斑定位设备，其中所述光斑定位设备的检测头对准粉斑定位设备，用于对光斑位置定位计算；所述粉斑定位设备设置于冷喷单元的喷嘴正下方，用于确定粉斑位置；所述中央控制器的信号输入端与光斑定位设备的信号输出端、粉斑定位设备的信号输出端信号连接/电连接，用于分析测量到的光斑、粉斑位置信息；所述中央控制器的信号输出端与六轴机械臂的控制端信号连接/电连接，用于驱动运动单元带动激光器移动，调整光斑位置，使光斑与粉斑部分叠加或完全重合。
进一步，所述激光头位置调节机构包括伺服电机5和滚珠丝杆滑台4，所述的滚珠丝杆滑台4包括支撑架41、丝杆42以及滑台43，所述支撑架41安装于运动单元的安装部；所述伺服电机5安装于支撑架41上，用于驱动丝杆绕其自身中心轴周向旋转；所述丝杆42通过相应轴承垂直安装在支撑架上，并可绕自身中心轴周向转动；所述丝杆的顶端与伺服电机的输出端相连，丝杆的外部套设滑块，并且丝杆与滑块螺接，使得丝杆旋转时可沿丝杆轴向升降；所述滑台43安装于滑块上，并且所述的滑台上设有用于调节激光头位置的滑槽，激光器6通过螺栓、螺母安装在滑槽上，通过调节激光器在滑槽上的安装位置使得激光头6发射的激光光束与冷喷单元喷出的粉斑在工件的表面部分叠加或完全重合。
进一步，所述滑台43上设有至少一条四分之一的圆弧槽431，且圆弧槽431所在的基圆同圆心。
进一步，所述的激光头6的中心轴和冷喷喷枪7中心轴共平面。
进一步，所述运动单元的安装部为夹具板3，夹具板3通过法兰2固装在六轴机械臂1的活动端；冷喷喷枪7和滚珠丝杆滑台4的支撑架41均垂直安装于夹具板3上。
进一步，粉斑定位设备包括工作台11和多个力传感器12，其中工作台11为矩形，并设置在喷嘴的正下方；力传感器12设置在工作台11的四角，力传感器12的信号传输端与所述中央控制器8相应的信号输入端信号连接/电连接，用于分析测量到粉斑位置信息。
进一步，四个所述力传感器12在工作台11周围的四个方位等距放置。
进一步，光斑定位设备包括多个红外热成像仪，并且所述红外热成像仪的检测头对准粉斑定位设备，红外热成像仪的信号传输端与所述中央控制器相应的信号输入端信号连接/电连接，用于对光斑位置定位计算并传输给中央控制器。
进一步，所述光斑定位设备包括两个红外热成像仪，分别为第一红外热成像仪9和第二红外热成像仪10，第一红外热成像仪和第二红外热成像仪以30°～90°交叉放置。
实施例2参照附图，本实用新型所述的用于超音速激光沉积中实时调整光斑粉斑的装置，包括激光发射单元、冷喷单元、运动单元和检测控制单元，激光发射单元包括激光器和激光头位置调节机构，激光器6和激光头位置调节机构相连，所述激光头位置调节机构包括伺服电机和滚珠丝杆滑台4；运动单元包括六轴机械臂和安装部机械臂，其中机械臂为六轴机械臂1，六轴机械臂1和滚珠丝杆滑台4、冷喷单元的冷喷喷枪相连；检测控制单元包括中央控制器8、光斑定位设备和粉斑定位设备，中央控制器8和光斑定位设备和粉斑定位设备、滚珠丝杆滑台4相连；
所述滚珠丝杆滑台4包括包括支撑架41、丝杆42以及滑台43，所述滑台43上设有两道四分之一圆弧槽431，激光器6下方设有两个螺栓，两个螺栓可穿过两个圆弧槽431，所述滑台和激光器6通过螺栓螺母连接。所述冷喷单元包括冷喷喷枪7和送粉装置，所述冷喷喷枪7、滚珠丝杆滑台4通过螺纹连接固定于夹具板3上，夹具板3通过法兰2与六轴机械臂1连接，六轴机械臂1与中央处理器8相连。所述滚珠丝杆滑台4包括伺服电机5，所述伺服电机5与中央控制器8相连；
所述工作台11四个角设有四个力传感器12。四个力传感器12与中央控制器8相连，工作台11旁有两个红外热成像仪，分别为第一红外热成像仪9和第二红外热成像仪10；
所述中央控制器8会根据力传感器12的噪声信号进行过滤和定位计算，以此来确定粉斑位置；同时通过第一红外热成像仪9和第二红外热成像仪10对光斑位置定位计算；所述中央控制器8可通过分析测量到的光斑、粉斑位置信息，驱动伺服电机5，控制激光器6的移动，调整光斑位置，使光斑与粉斑重合。
本实用新型可以实现在超音速激光沉积过程中实时保持光斑和粉斑的重合，保证沉积效果。
另外激光器6的平移和六轴机械臂1的运动是相互独立的，将光斑粉斑的微调和沉积路径分离，减少了运动的复杂性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于，包括：
激光发射单元，包括激光器和激光头位置调节机构，激光器活动安装于激光头位置调节机构的调节部，并且激光器的发出的激光光束照射至基材表面的沉积区，用于对基材表面的沉积区进行加热；激光头位置调节机构安装于运动单元的安装部，用于调节激光头的位置；
冷喷单元，包括送粉装置和冷喷喷枪，所述冷喷喷枪的进粉口与送粉装置的出粉口管路连通，所述冷喷喷枪悬装于运动单元的安装部，并且冷喷喷枪的喷嘴对准基材表面的沉积区，用于向基材表面喷涂沉积的粉末；
运动单元，包括六轴机械臂和安装部，安装部安装于六轴机械臂的活动端，用于调整冷喷单元以及激光发射单元的位置；
和检测控制单元，包括中央控制器、光斑定位设备和粉斑定位设备，其中所述光斑定位设备的检测头对准粉斑定位设备，用于对光斑位置定位计算；所述粉斑定位设备设置于冷喷单元的喷嘴正下方，用于确定粉斑位置；所述中央控制器的信号输入端与光斑定位设备的信号输出端、粉斑定位设备的信号输出端信号连接/电连接，用于分析测量到的光斑、粉斑位置信息；所述中央控制器的信号输出端与六轴机械臂的控制端信号连接/电连接，用于驱动运动单元带动激光器移动，调整光斑位置，使光斑与粉斑部分叠加或完全重合。
2.如权利要求1所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：所述激光头位置调节机构包括伺服电机和滚珠丝杆滑台，所述的滚珠丝杆滑台包括支撑架、丝杆以及滑台，所述支撑架安装于运动单元的安装部；所述伺服电机安装于支撑架上，用于驱动丝杆绕其自身中心轴周向旋转；所述丝杆通过相应轴承垂直安装在支撑架上，并可绕自身中心轴周向转动；所述丝杆的顶端与伺服电机的输出端相连，丝杆的外部套设滑块，并且丝杆与滑块螺接，使得丝杆旋转时可沿丝杆轴向升降；所述滑台安装于滑块上，并且所述的滑台上设有用于调节激光头位置的滑槽，激光器通过螺栓、螺母安装在滑槽上，通过调节激光器在滑槽上的安装位置使得激光头发射的激光光束与冷喷单元喷出的粉斑在工件的表面部分叠加或完全重合。
3.如权利要求2所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：所述滑台上设有至少一条四分之一的圆弧槽，且圆弧槽所在的基圆同圆心。
4.如权利要求3所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：所述的激光头的中心轴和冷喷喷枪中心轴共平面。
5.如权利要求1所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：所述运动单元的安装部为夹具板，夹具板通过法兰固装在六轴机械臂的活动端；冷喷喷枪和滚珠丝杆滑台的支撑架均垂直安装于夹具板上。
6.如权利要求1所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：粉斑定位设备包括工作台和多个力传感器，其中工作台为矩形，并设置在喷嘴的正下方；力传感器设置在工作台的四角，力传感器的信号传输端与所述中央控制器相应的信号输入端信号连接/电连接，用于分析测量到粉斑位置信息。
7.如权利要求6所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：四个所述力传感器在工作台周围的四个方位等距放置。
8.如权利要求1所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：光斑定位设备包括多个红外热成像仪，并且所述红外热成像仪的检测头对准粉斑定位设备，红外热成像仪的信号传输端与所述中央控制器相应的信号输入端信号连接/电连接，用于对光斑位置定位计算并传输给中央控制器。
9.如权利要求8所述的用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置，其特征在于：所述光斑定位设备包括两个红外热成像仪，两个热成像仪以30°～90°交叉放置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201922402326.8U CN211645388U (zh) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | 用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置 |
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Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110904453A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-03-24 | 浙江工业大学 | 用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置 |
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- 2019-12-27 CN CN201922402326.8U patent/CN211645388U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110904453A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-03-24 | 浙江工业大学 | 用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置 |
| CN110904453B (zh) * | 2019-12-27 | 2024-03-26 | 浙江工业大学 | 用于实时调整超音速激光沉积光斑/粉斑相对位置的装置 |
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