基於導軌運動的金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備及方法與流程
2023-05-25 11:17:46 4
本發明涉及機械製造領域，具體涉及一種基於導軌運動的金屬板料特別是大尺寸金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備及方法，其通過光路傳輸轉換、動態自適應調整能有效適用於難移動的大型板件的雷射噴丸成形。
背景技術：
大型板件成形在航空和國防領域有著廣泛的應用，如飛機的機翼、蒙皮等。為了使這些大型板料能夠在極端的工況條件下穩定而有效地工作，它們通常會根據受力特點而被設計成各種複雜的形狀。
對於航空板料的加工，傳統方法是採用機械噴丸成形。機械噴丸是利用高速彈丸流撞擊金屬表面，使受撞擊的表面及其下層金屬產生塑形變形而延伸，從而造成板材凸起產生彎曲變形。在機械噴丸的基礎上，先後又發展出預應力噴丸成形和熱輔助噴丸成形等方法，提高了變形的能力。但由於機械噴丸成形工藝影響因素眾多，難以精確控制；產生的預應力較小，變形能力有限；且加工現場環境惡劣，後續彈丸清理過程繁瑣。這些不利因素制約了機械噴丸的發展與廣泛應用。
雷射噴丸成形是利用雷射與物質相互作用所產生的衝擊波作用於金屬板料而使金屬板料成形的技術。它結合雷射衝擊強化和傳統的機械噴丸成形的優勢。相比之下，雷射噴丸可以產生比機械噴丸更大更深的殘餘壓應力(約3-5倍)，擁有更強變形能力，同時增強了對工件表面的強化作用，提高了工件的抗疲勞和抗腐蝕性能。加工過程環境良好，生產過程也更為簡單。
雷射噴丸成形其中一個技術要點在於噴丸路徑的實現。發明專利「一種雷射衝擊精密成形方法及裝置」(專利授權號:ZL01134063.0),利用強脈衝雷射束衝擊工件表面的柔性貼膜,使其表層氣化電離並形成衝擊波,使成形材料發生明顯塑性變形,這是宏觀材料變形,然後通過逐點衝擊和有序的衝擊點分布獲得大面積複雜形狀。由於該方法需要通過控制雷射衝擊的各點衝擊力(即每點的工藝參數不同,如雷射脈衝能量、光束直徑、重複頻率等)和衝擊路徑獲得精確的工件輪廓,由於各點的工藝參數不一樣,很難通過調整各點的工藝參數達到精確的各點衝擊力,並且會導致成形的效率降低。發明專利「中厚板材雷射噴丸成形的方法和裝置」(專利號ZL200510040116.9)提出了一套應用於中厚板材雷射噴丸成形系統，其根據生成曲面的形狀通過計算機優化出各項工藝參數，設計好噴丸路徑，控制雷射器、導光系統和工作檯的工作進行噴丸。在路徑的實現上，其光路保持不動，利用五軸聯動數控工具機控制工件運動，使得雷射依路徑在工件上各點實施衝擊。這種設計的缺點由於採用五軸數控工具機承載板料而無法實現中大尺寸板料的成形。發明專利「一種基於雷射衝擊波效應的板材雙面精密成形方法及裝置」(專利號200810019757.X)在路徑實現上採用飛行掃描，通過入射雷射導光系統的運動，包括上下和左右的平移，使入射雷射按照預定的路徑對豎直板面進行掃描噴丸。該方法的缺點在於整個導光系統運動的實現。首先，要使整個導光系統的運動覆蓋到整個目標靶面，將要佔很大的空間，柔性也較差。其次，整個導光系統大範圍的運動難以保證運動過程中各點的位置精度，運動中的振動也可能會對導光系統中的部件產生不良影響。發明專利「一種用於大型工件雷射噴丸成形的光路裝置及方法」(申請號：201510197097.4)雷射器發出的高能脈衝雷射束經過動態聚焦及矯形系統後發生截面形狀變化和聚焦位置的變化，再經過一對掃描振鏡系統後指向特定的出射方向，從而通過動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統的連續運動實現雷射在大型工件上的掃描噴丸。其有益效果有：(1)通過幾個緊湊的部件的運動實現了大型工件的雷射噴丸，裝置所佔空間小，運動能量消耗小，柔性較好；(2)光路裝置布置簡單，運動簡單而且運動範圍小，精度容易保證，工件靶面上的光斑搭接率和掃描速度都能方便調節；(3)通過柱面透鏡組改變了入射雷射的截面形狀，從而將在工件靶面上的噴丸光斑矯正為圓形，滿足工藝要求。其缺點主要是由於掃描振鏡系統只能做相應的轉動而不能平行移動，當加工大型工件，尤其是大尺寸金屬板料時，不能保證每一噴丸點的位置與雷射束輻照方向垂直，從而影響加工效果；且當工件的尺寸越大，此弊端越凸顯。美國MIC公司的專利「FLEXIBLE BEAM DELIVERY SYSTEM FOR HIGH POWER LASER SYSTEMS」(專利號US20110253690A1)在路徑實現上，利用一個萬向節反射鏡的運動改變出射雷射的方向，使入射雷射按路徑進行掃描，另配合一個望遠鏡聚焦系統調節靶面上的光斑大小，雷射的形狀還能通過場旋轉鏡和柱面鏡組的運動來矯正。其優點在於，只需要控制幾個較小部件的運動就可以使雷射在靶面上進行噴丸掃描，提高了系統的穩定性。但是，其缺點在於，第一，導光系統中望遠鏡系統和斯託克斯透鏡組相互獨立，鏡片數量較多，構成不夠簡單；其二，萬向節反射鏡運動機構複雜，保證運動精度較為困難。
技術實現要素：
本發明針對上述現有技術中存在的不足，提供一種基於導軌運動的大尺寸金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備及方法，能夠通過裝置中幾個部件動態的相互配合，從而方便地實現工藝設計好的噴丸路徑，實現動態自適應的製造過程。
為達到上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
本發明一方面提供了一種基於導軌運動的金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備，所述裝備的組成包括高能脈衝雷射器1、動態自適應調節與衝擊系統2、水平導軌3、運動裝夾系統4、動態監測系統5、集成控制系統6、雷射器控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態監測控制系統10；所述集成控制系統6分別與所述雷射控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態監測控制系統10和動態自適應調節與衝擊系統2電連接；所述運動裝夾系統4用於裝夾金屬板料；
其中，所述雷射控制系統8和高能脈衝雷射器1電連接，以控制雷射器的開啟和雷射輸出參數；所述運動裝夾控制系統9和運動裝夾系統4電連接，以控制裝夾運動系統4的運動；所述動態監測控制系統10和動態監測系統5電連接，以控制動態監測系統5的運動；
所述集成控制系統6對所述雷射控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態自適應調節與衝擊系統2和動態監測控制系統10進行控制並接受所述雷射控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態自適應調節與衝擊系統2和動態監測控制系統10反饋的信息，進而實現雷射噴丸金屬板料的動態自適應成形。
更進一步的，所述動態自適應調節與衝擊系統2是由反射鏡11、雷射頭衝擊系統12、立柱16、橫梁17、豎直導軌18、高速成像與定位系統19和照明燈20等組成，其中
豎直導軌18安裝在立柱16上，雷射頭衝擊系統12可沿著豎直導軌18上下運動；橫梁17上兩邊分別安裝有高速成像與定位系統19；整個動態自適應調節與衝擊系統2可沿水平導軌3運動；射入雷射束經反射鏡11反射後射入雷射頭衝擊系統12。
更進一步的，所述雷射頭衝擊系統12是由至少一個反射鏡組成的反射鏡組13、三稜鏡14以及聚焦調節鏡組15組成。
更進一步的，所述動態監測系統5是由立杆21、橫杆22、上下調節定位環扣24、高速攝像系統23以及照明燈25組成，其中橫槓22通過上下調節定位環扣24固定在立杆21上，並且橫杆22兩邊分別裝有高速攝像系統23和照明燈25，整個所述動態監測系統5可沿水平導軌3運動。
更進一步的，所述金屬板料在進行噴丸成形前，在其表面塗覆能量吸收層用於吸收雷射能量，並在能量吸收層上在噴塗一系列規則分布的細小定位參考點列，在進行噴丸成形時，通過動態自適應調節與衝擊系統2的高速成像與定位系統19進行定位，以按照規劃好的路徑進行噴丸。
本發明另一方面提供了一種基於導軌運動的金屬板料雷射噴丸成形動態自適應方法，其基於前述的裝備，並且工作流程如下：
(1)首先通過動態自適應調節與衝擊系統2的快速成像與定位系統19對所述金屬板料進行成像，通過金屬板料的各邊角劃定噴丸區域，並通過所述定位參考點列，將所述噴丸區域劃分為定位單元；
(2)在集成控制系統6輸入噴丸路徑，噴丸過程中，動態自適應調節與衝擊系統2通過其自身的快速成像與定位系統19，按照所述定位參考點列確定的定位單元，定位工藝路徑；
(3)按所述工藝路徑依次進行每一個點的雷射噴丸。
並且在每一個點的雷射噴丸作業前，還通過動態監測系統5和動態自適應調節與衝擊系統2的快速成像與定位系統19反饋的板料變形情況，集成控制系統6向運動裝夾控制系統9發出指令，使運動裝夾系統4對所述金屬板料進行調整，保證雷射噴丸位置的垂直射入。
附圖說明
圖1基於導軌運動的金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備結構示意圖
圖2動態自適應調節與衝擊系統結構示意圖
圖3動態自適應調節與衝擊系統光路傳輸示意圖
圖4動態監測系統結構示意圖
圖5大尺寸板料雷射噴丸成形模型示意圖
圖中：1高能脈衝雷射器；2動態自適應調節與衝擊系統；3水平導軌；4運動裝夾系統；5動態監測系統；6集成控制系統；7金屬板料；8雷射器控制系統；9運動裝夾控制系統；10動態監測控制系統11反射鏡；12雷射頭衝擊系統；13反射鏡組；14三稜鏡；15聚焦調節鏡組；16立柱；17橫梁；18豎直導軌；19高速成像與定位系統；20照明燈；21立杆；22橫杆；23高速攝像系統；24上下調節定位環扣；25照明燈；26能量吸收層；27定位參考點列。
具體實施方式
下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明技術方案做一詳細的描述。
實施例一。
圖1所示為基於導軌運動的金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備機構示意圖，其組成包括高能脈衝雷射器1、動態自適應調節與衝擊系統2、水平導軌3、運動裝夾系統4、動態監測系統5、集成控制系統6、金屬板料7(一般為大尺寸金屬板料)、雷射器控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態監測控制系統10；所述雷射控制系統8同時和高能脈衝雷射器1及集成控制系統6相連，用於控制雷射器的開啟和雷射各項輸出參數，並將相關信息實時傳給集成控制系統6，並接受集成控制系統6的指令；所述運動裝夾控制系統9同時和運動裝夾系統4及集成控制系統6相連，用於控制裝夾運動系統4的運動，並將信息反饋給集成控制系統6，接受集成控制系統6的指令；所述動態監測控制系統10同時和動態監測系統5及集成控制系統6相連，控制動態監測系統5的運動，並將信息反饋給集成控制系統6，接受集成控制系統6的指令；所述動態自適應調節與衝擊系統2直接與集成控制系統6相連，接受集成控制系統6的指令，並實時將收集的信息反饋給集成控制系統6；通過控制動態自適應系統2及其自身部件的運動和對光路的調整和矯形，實現雷射噴丸金屬板料的動態自適應成形。
如圖2所示，所述動態自適應調節與衝擊系統2是由反射鏡11、雷射頭衝擊系統12、立柱16、橫梁17、豎直導軌18、高速成像與定位系統19、照明燈20等組成。豎直導軌18安裝在立柱16上，雷射頭衝擊系統12可沿著豎直導軌18上下運動；橫梁17上兩邊分別安裝有高速成像與定位系統19；整個動態自適應調節與衝擊系統2可沿水平導軌3運動。射入雷射束經反射鏡反射後射入雷射衝擊頭系統12，經調節反射，從雷射衝擊頭系統12噴嘴射出傳輸到金屬板料表面。
所述雷射頭衝擊系統12是由若干反射鏡組成的反射鏡組13，三稜鏡14，聚焦調節鏡組15等組成，如圖3所示。雷射束經調節矯形後，從雷射衝擊頭系統12噴嘴射出到金屬板料表面。
如圖4所示，所述動態監測系統5是由立杆21，橫杆22，上下調節定位環扣24，高速攝像系統23，照明燈25等組成，橫槓22通過上下調節定位環扣24固定在立杆21上，橫杆22兩邊分別裝有高速攝像系統23和照明燈25，整個動態監測系統5可沿水平導軌3運動。
如圖5所示，所述大尺寸金屬板料7在進行噴丸成形前，在其表面塗覆能量吸收層26用於吸收雷射能量，能量吸收層上在噴塗一系列規則分布的細小定位參考點列27，在進行噴丸成形時，通過動態自適應調節與衝擊系統2的高速成像與定位系統19進行準確定位，保證板料在變形後，也能按照規劃好的路徑進行噴丸。
本發明提供的一種基於導軌運動的大尺寸金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備及方法，其工作流程如下：
(1)首先通過動態自適應調節與衝擊系統2的快速成像與定位系統19對整個金屬板料進行成像，通過金屬板料的各邊角劃定噴丸大致區域，通過大尺寸金屬板料上的定位參考點列27，劃定各定位單元；
(2)在集成控制系統6的輸入端輸入噴丸路徑，噴丸過程中，動態自適應調節與衝擊系統2通過其自身的快速成像與定位系統19，按照定位參考點列確定的準確定位單元，準確定位工藝路徑確定該時刻在成形工件上噴丸位置的坐標；
(3)通過動態監測系統5和動態自適應調節與衝擊系統3的快速成像與定位系統19反饋的板料變形情況，集成控制系統6向運動裝夾控制系統9發出指令，並進一步使運動裝夾系統4對板料位置進行調整，保證雷射噴丸位置的垂直射入；
(4)按工藝路徑進行下一個點的噴丸。
實施例二。
繼續參考圖1-5，基於導軌運動的大尺寸金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備及方法，其組成包括高能脈衝雷射器及其控制系統、動態自適應調節與衝擊系統、運動裝夾系統及其控制系統、動態監測系統及其控制系統、大尺寸金屬板料、集成控制系統；所述雷射控制系統同時和雷射器及集成控制系統相連，用於控制雷射器的開啟和雷射各項輸出參數，並將相關信息實時傳給集成控制系統，並接受集成控制系統的指令；所述運動裝夾控制系統同時和運動裝夾系統及集成控制系統相連，用於控制裝夾運動系統的運動，並將信息反饋給集成控制系統，接受集成控制系統的指令；所述動態監測控制系統同時和動態監測系統及集成控制系統相連，控制動態監測系統的運動，並將信息反饋給集成控制系統，接受集成控制系統的指令；所述動態自適應調節與衝擊系統直接與集成控制系統相連，接受集成控制系統的指令，並實時將收集的信息反饋給集成控制系統；通過控制動態自適應系統及其自身部件的運動和對光路的調整和矯形，實現雷射噴丸金屬板料的動態自適應成形。
所述動態自適應調節與衝擊系統是由反射鏡，雷射頭衝擊系統，垂直導軌，立柱，橫梁，高速攝像系統，照明燈等組成。導軌安裝在立柱上，雷射頭衝擊系統可沿著垂直導軌上下運動；橫梁上兩邊分別安裝有高速攝像系統；整個動態自適應調節與衝擊系統可沿水平運動導軌運動。射入雷射束經反射鏡反射後射入雷射衝擊系統，經調節反射，從雷射衝擊頭系統噴嘴射出傳輸到金屬板料表面。
所述雷射頭衝擊系統是由若干反射鏡組成的反射鏡組，三稜鏡，聚焦調節鏡組等組成，雷射束經調節矯形後，從雷射衝擊頭系統噴嘴射出。
所述動態監測系統是由立杆，橫杆，上下調節定位環扣，高速攝像系統，照明燈等組成，橫槓通過上下調節定位環扣固定在立杆上，橫杆兩邊分別裝有高速攝像系統和照明燈，整個動態監測系統可沿水平導軌運動。
所述大尺寸金屬板料，在進行噴丸成形前，在其表面塗覆能量吸收層用於吸收雷射能量，能量吸收層上在噴塗一系列規則分布的細小定位參考點列，在進行噴丸成形時，通過動態自適應調節與衝擊系統的高速攝像設備進行準確定位，保證板料在變形後，也能按照規劃好的路徑進行噴丸。
本發明提供的一種基於導軌運動的大尺寸金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備及方法，其工作流程如下：
(1)首先通過動態自適應調節與衝擊系統的快速成像與定位系統對整個金屬板料進行成像，通過金屬板料的各邊角劃定噴丸大致區域，通過大尺寸金屬板料上的定位參考點列，劃定各定位單元；
(2)在集成控制系統的輸入端輸入噴丸路徑，噴丸過程中，動態自適應調節與衝擊系統通過其自身的快速成像與定位系統，按照定位參考點列確定的準確定位單元，準確定位工藝路徑確定該時刻在成形工件上噴丸位置的坐標；
(3)通過動態監測系統和動態自適應調節與衝擊系統的快速成像與定位系統反饋的板料變形情況，集成控制系統向運動裝夾控制系統發出指令，並進一步使運動裝夾系統對板料位置進行調整，保證雷射噴丸位置的垂直射入；
(4)按工藝路徑進行下一個點的噴丸。
實施例三。
一種基於導軌運動的大尺寸金屬板料雷射噴丸成形動態自適應裝備，所述裝備的組成包括高能脈衝雷射器1、動態自適應調節與衝擊系統2、水平導軌3、運動裝夾系統4、動態監測系統5、集成控制系統6、大尺寸金屬板料7、雷射器控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態監測控制系統10；所述集成控制系統6分別與所述雷射控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態監測控制系統10和動態自適應調節與衝擊系統2電連接；
其中，所述雷射控制系統8和高能脈衝雷射器1電連接，以控制雷射器的開啟和雷射輸出參數；所述運動裝夾控制系統9和運動裝夾系統4電連接，以控制裝夾運動系統4的運動；所述動態監測控制系統10和動態監測系統5電連接，以控制動態監測系統5的運動；
所述集成控制系統6對所述雷射控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態自適應調節與衝擊系統2和動態監測控制系統10進行控制並接受所述雷射控制系統8、運動裝夾控制系統9、動態自適應調節與衝擊系統2和動態監測控制系統10反饋的信息，進而實現雷射噴丸金屬板料的動態自適應成形。
更進一步的，所述動態自適應調節與衝擊系統2是由反射鏡11、雷射頭衝擊系統12、立柱16、橫梁17、豎直導軌18、高速成像與定位系統19和照明燈20等組成，其中
豎直導軌18安裝在立柱16上，雷射頭衝擊系統12可沿著豎直導軌18上下運動；橫梁17上兩邊分別安裝有高速成像與定位系統19；整個動態自適應調節與衝擊系統2可沿水平導軌3運動；射入雷射束經反射鏡11反射後射入雷射頭衝擊系統12。
更進一步的，所述雷射頭衝擊系統12是由至少一個反射鏡組成的反射鏡組13、三稜鏡14以及聚焦調節鏡組15組成。
更進一步的，所述動態監測系統5是由立杆21、橫杆22、上下調節定位環扣24、高速攝像系統23以及照明燈25組成，其中橫槓22通過上下調節定位環扣24固定在立杆21上，並且橫杆22兩邊分別裝有高速攝像系統23和照明燈25，整個所述動態監測系統5可沿水平導軌3運動。
更進一步的，所述金屬板料在進行噴丸成形前，在其表面塗覆能量吸收層用於吸收雷射能量，並在能量吸收層上在噴塗一系列規則分布的細小定位參考點列，在進行噴丸成形時，通過動態自適應調節與衝擊系統2的高速成像與定位系統19進行定位，以按照規劃好的路徑進行噴丸。
並且前述裝備的工作流程如下：
(1)首先通過動態自適應調節與衝擊系統2的快速成像與定位系統19對所述金屬板料進行成像，通過金屬板料的各邊角劃定噴丸區域，並通過所述定位參考點列，將所述噴丸區域劃分為定位單元；
(2)在集成控制系統6輸入噴丸路徑，噴丸過程中，動態自適應調節與衝擊系統2通過其自身的快速成像與定位系統19，按照所述定位參考點列確定的定位單元，定位工藝路徑；
(3)按所述工藝路徑依次進行每一個點的雷射噴丸。
並且在每一個點的雷射噴丸作業前，還通過動態監測系統5和動態自適應調節與衝擊系統2的快速成像與定位系統19反饋的板料變形情況，集成控制系統6向運動裝夾控制系統9發出指令，使運動裝夾系統4對所述金屬板料進行調整，保證雷射噴丸位置的垂直射入。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本發明的實質精神所引申出的顯而易見的變化或變動仍屬於本發明的保護範圍內。