机器人夹持金属板材的激光喷丸成形精度动态自适应控制装置的制作方法

本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种基于机器人手臂运动的金属板料激光喷丸成形精度动态自适应控制方法及装置。该装置适用于金属板料的成形，特别适合于常规方法难以成形或根本无法成形的材料成形，如结构钢、钦合金、复合材料等，也可用于杆件，壳体薄壁件的校形。

背景技术：

金属板料塑性成形方法很多，包括冲压成形、喷丸成形、爆炸成形、数字化渐进成形、无模多点成形等。最传统且常见的冲压成形方法，其缺点是模具费用高，生产周期长，而且只能对低碳薄板(如1Cr18Ni9Ti、10F、20等)、铝合金(如LY12M、LY12C等)、以及紫铜及部分黄铜，由于受应变率的影响，成形极限受到限制。动态塑性成形方法中喷丸成形和爆炸成形最为典型，其中喷丸成形是利用钢丸高速冲击材料表面，使工件产生塑性成形。其优点是可在材料表层形成一定深度分布残余压应力，改善了工件的抗疲劳性能，缺点是工件表面由于钢丸的冲击作用而变得粗糙，且冲击过程涉及参数过多而难以精确控制；爆炸成形是通过烈性炸药爆炸产生的冲击波成形，危险性巨大，且不能精确成形。

美国加州大学HACKELL LOYD和HARRIS FRITZ申请的专利“CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING”(专利号:WO0105549)，提出用激光锤击金属板材表面产生残余应力，再利用残余应力释放产生微曲度进行的微变形成形，通过各点每次锤击的微曲度的累积或在同一点实施多次冲击，就可取得更大尺寸的弯曲。具体实施方式为:首先在金属材料表面固定一层激光能量吸收层，其由聚乙酸乙烯脂塑料和聚氯乙烯塑料组成，然后在能量吸收层表面用1mm厚的水作为惰性约束层。用能量分布60—200J/cm²，脉冲宽度10ns-20ns的高功率钕玻璃激光装置产生的激光束(波长1.06μm)锤击金属表面的能量吸收层，能量吸收层吸收激光后产生等离子体。等离子体爆炸产生10,000—100,000个大气压范围的冲击压力，这使冲击压力超过了金属的弹性极限，从而使金属材料表面形成层深超过1mm的压应力层。应力使金属表层产生应变，导致金属产生弯曲变形。该方法通过逐点锤击产生的应力分布来控制大面积的弯曲，这在实际应用中很难精确控制。江苏大学张永康等人申请的发明专利“一种激光冲击精密成形方法及装置”(专利授权号:ZL01134063.0),利用强脉冲激光束(功率密度大于1GW/cm²,脉冲宽度8-30ns)冲击工件表面的柔性贴膜,使其表层气化电离并形成冲击波,使成形材料发生明显塑性变形,这是宏观材料变形,然后通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。该方法成形材料包括金属、复合材料、塑料等多种材料；可对工件进行局部胀形、弯曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲,是集多种成形方式为一体的无模复杂成形方法。由于该方法需要通过控制激光冲击的各点冲击力(即每点的工艺参数不同,如激光脉冲能量、光束直径、重复频率等)和冲击路径获得精确的工件轮廓,由于各点的工艺参数不一样,很难通过调整各点的工艺参数达到精确的各点冲击力,并且会导致成形的效率降低。张永康等人的另一申请发明专利“一种基于液晶掩模技术的激光微细加工方法和装置”(专利申请号:200510094160.8),则利用液晶显示屏作为掩模，由激光发生器控制装置控制激光发生器按优化好的参数产生的激光脉冲,经扩束系统照射到液晶屏上,液晶屏上显示图象部位阻断激光通过,使通过显示屏后的激光束成为与显示屏图像成反转关系的镂空图形光斑,照射到工件表面并烧蚀出所需要的图形凹坑,其使用仅仅局限在微细加工领域,并且通过激光烧蚀出的图形凹坑会萌生裂纹,是潜在的疲劳源。

江苏大学姜银方申请的发明专利“一种基于激光冲击波效应的板材双面精密成形方法及装置”(专利公开号：CN 101249588A)，该方法采用双面激光冲击，通过改变激光能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整冲击压力的大小，通过激光错位冲击分别同时冲击工件凹和凸正反表面，通过调整工件的位置，控制两激光冲击头的运动轨迹，完成工件凹凸细微结构形状的塑性成形，并在工件两面都形成残余压应力。从实现板料变形方式来看，该方法具有效率高，使用范围广等特点。但该方法的工件正反表面均需贴设柔性贴膜构成一体式的透明约束层和能量吸收层组成，尤其是采用流水作为透明约束层时，这将不利于检测反馈系统动态监测板料的变形情况，实现实时动态检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能克服上述缺点，可实现使各种常用金属成形材料，特别是常规方法难以成形的激光喷丸成形精度动态自适应控制装置。

本发明通过以下技术方案实现:

它由激光器、导光与外光路调节系统、工装夹具运动系统、约束层喷射系统、冲击激光头、动态光学监测系统、集成控制系统等组成。由激光器发出的激光束通过导光与外光路调节系统传输到激光冲击头内，光束经过调整传输到装夹在工装夹具运动系统的金属板料表面，金属板料喷丸表面覆盖着约束层喷射系统制造的约束层，能量吸收层吸收激光诱导产生冲击波作用在板料表面，并使金属板料产生快速的塑性成形或残余应力释放小曲率成形。

激光喷丸板料正面涂有厚度均匀的能量吸收层，背面喷涂一种用于实现动态光学监测系统监测的显影剂，显影剂形成密布的细小微点分布于在板料的背面表面。板料产生变形时，由于显影剂微点颗粒的相对位置和应力状态会时刻发生变化，此变化直接反应了板料表面的应力应变的动态变化过程，同时显影剂的显影轮廓也直接反映了板料的变形过程和变形量的大小。

动态光学监测系统是由两只强光探照灯和两台高速摄像系统构成。进行监测时，高亮探灯发射的光照射在板料背面表面，金属板料背面显影剂微点受到强光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速摄像系统捕捉，在成形过程中，形成动态应力应变和动态变形过程的信息。动态光学监测系统将此信息反馈到集成控制系统，通过调整相关参数，实现动态监测和板料喷丸成形的精度动态自适应控制。

根据动态光学检测系统的监测和反馈，通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整冲击压力的大小，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，可实现板料的精确成形。

其成形装置的特征在于工装夹具运动系统由机械人手臂、夹具座组成，夹具座可根据成形板料的不同尺寸、成形方式更换不同的夹具。夹具夹持方式可分为单侧夹持，双侧夹持，四周夹持等多种类别。工装夹具运动系统与约束层喷射系统相互配合，满足不同位置喷丸的需要。

激光喷丸成形精度动态自适应控制装置的激光冲击头内设有聚焦镜组，其包含聚焦镜、可旋转反射镜、三棱镜等。通过调整激光冲击头内各光学元件，可实现对光斑尺寸和焦距的调整。

本发明提出一种金属板料激光喷丸成形精度动态自适应控制技术，它利用强脉冲激光束(功率密度大于10⁹W/cm²,脉冲宽度8-30ns)辐照工件表面吸收层，使其表层气化电离并形成冲击波，作用于板料。通过动态监测系统反馈及时自适应调整相关冲击参数，实现板料正向塑性成形和表面残余应力释放反向小曲率变形，通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。该方法能有效地对金属材料、无机材料、高分子材料及复合材料等多种材料进行局部胀形、弯曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多种成形方式为一体的无模复杂成形。

本发明具有如下技术优势:

(1)本发明兼有冲击塑性变形成形和应力场成形的双重特征，可根据板料形状和成形规律的要求，通过动态监测反馈数据自动及时调整冲击参数和变换冲击点位置，使板料产生一定的塑性变形和应力场分布而成形，实现动态实时自适应精度成形。

(2)本发明通过板料夹持运动系统机器人手臂的灵活运动和激光参数的自适应调整，能灵活实现三维立体冲击，可实现小曲率大型板材成形，又可实现大曲率局部微细板材全塑性成形,实现板料复杂成形。

(3)本发明在加工过程中，系统对冲击板料进行动态实时监测，并对监测数据进行反馈，实时调整加工参数和加工点位置，可解决由于冲击成形过程中激光能量等参数的波动等因素的影响。

(4)金属板材冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力，可显著提高其抗疲劳寿命，这特别适合于制造有抗疲劳性能要求的饭金件，如飞机机翼蒙皮等，可省略常规强化工艺。

(5)本发明可实现小曲率板材弯曲成形。由于是全塑性弯曲，无回弹，解决了常规工艺反复试模费工费事费钱的缺点。成形精确，成本低，速度快，可以实现无模成形，特别适合于批量少的新品研制。

(6)本发明即可以对薄板冲压塑性成形，又可对金属中厚板弯曲成形，此外还可实对高强度钢、钛合金、镁合金、塑料及复合材料等多种难成形材料的成形，甚至对脆性材料弯曲成形，实现脆塑的动态转变，这些特殊的用途是其它成形方法无法替代。

(7)本发明避免了机械喷丸成形过程工件表面粗糙、参数多而难以精确控制等问题，喷丸后实际效果和性能方面，其残余应力深度、疲劳寿命、耐高温性能等参数是机械喷丸的数倍。

(8)本发明可解决激光热应力成形热过程中产生的有害拉应力，板材的表面仍保持压应力状态。

附图说明

图1一种基于机器人手臂运动的金属板料激光喷丸成形精度动态自适应控制装置示意图；

图2喷丸板料构成示意图

图中：(1)激光器，(2)导光与光路调节系统，(3)冲击激光头，(4)装夹运动系统，(5)约束层喷洒系统，(6)动态光学监测系统，(7)中央集成控制系统，(8)激光器控制系统，(9)激光头调节控制系统，(10)约束层控制系统，(11)装夹运动控制系统，(12)动态监测控制系统，(13)反射镜组，(14)透射镜组，(15)可旋转反射镜组，(16)三棱镜，(17)聚焦透镜，(18)喷丸板料，(19)夹具底座，(20)高速摄像系统，(21)高强度探灯，(22)能量吸收层，(23)显影微点。

具体实施方式

下面结合图1、图2详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

一种基于机器人手臂运动的金属板料激光喷丸成形精度动态自适应控制方法及装置，如图1所示，是由激光器1、导光与外光路调节系统2、冲击激光头3、工装夹具运动系统4、约束层喷射系统5、动态光学监测系统6及上述控制系统，中央集成控制系统7等组成。其成形方法的特征在于由激光器1发出的激光束通过导光与外光路调节系统2传输到激光冲击头内3，光束经过调整传输到装夹在工装夹具运动系统4的金属板料18表面，金属板料18喷丸表面覆盖着约束层喷射系统5制造的约束层，能量吸收层22吸收激光诱导产生冲击波作用在板料表面，并使金属板料18产生快速的塑性成形或残余应力释放小曲率成形。

激光喷丸板料模型如图2所示，金属板料18正面涂有厚度均匀的能量吸收层22，背面喷涂一种用于实现动态光学监测系统监测的显影剂，显影剂形成密布细小的显影微点22分布于在金属板料的18背面表面。金属板料18产生变形时，由于显影剂微点23的相对位置和应力应变状态会时刻发生变化，此变化直接反应了金属板料18表面的应力应变的动态变化过程，同时显影剂显影微点23构成的显影轮廓也直接反映了金属板料18的变形过程和变形量的大小。

动态光学监测系统6是由两台高速摄像系统20和两只强光探灯21构成。进行监测和数据采集时，高亮探灯21发射的光照射在金属板料18背面，金属板料18背面显影微点23受到强光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速摄像系统20捕捉，在成形过程中，形成动态应力应变和动态变形过程信息。动态光学监测系统6将此信息反馈到中央集成控制系统7，通过调整相关参数，实现动态监测和板料喷丸成形的精度动态自适应控制。

根据动态光学监测系统6的监测和反馈，通过改变激光脉宽、能量、光束直径、重复频率等激光参数来调整冲击压力的大小，通过控制冲击位置和各点冲击力的大小，可实现金属板料18的精确成形。

其成形装置的特征在于装夹运动系统4由机械人手臂、夹具座19组成，夹具座19可根据成形金属板料18的尺寸大小、成形方式更换不同的夹具。夹具夹持方式可分为单侧夹持，双侧夹持，四周夹持等多种类别。工装夹具运动系统6与约束层喷射系统5相互配合，满足不同位置的喷丸需要。

激光喷丸成形精度动态自适应控制装置的激光冲击头3内设有可旋转反射镜组15，三棱镜16，聚焦透镜17等。通过调整激光冲击头3内各光学元件，可实现对光斑尺寸和焦距的调整。

本发明提出一种金属板料激光喷丸成形精度动态自适应控制技术，它利用强脉冲激光束(功率密度大于10⁹W/cm²,脉冲宽度8-30ns)辐照工件表面吸收层，使其表层气化电离并形成冲击波，作用于板料。通过动态监测反馈及时自适应调整相关冲击参数，实现板料正向塑性成形和表面残余应力释放反向小曲率变形，通过逐点冲击和有序的冲击点分布获得大面积复杂形状。该方法能有效地对金属材料、无机材料、高分子材料及复合材料等多种材料进行局部胀形、弯曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多种成形方式为一体的无模复杂成形。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。