可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头的制作方法

本发明属于激光加工应用领域，涉及激光立体成型和激光熔覆，尤其涉及激光熔覆中的可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头。

背景技术：

激光熔覆技术是指利用高能激光束将金属粉末融化，并沉积到基体表面，形成与基体以冶金方式结合的金属涂层。可以应用该技术对零件表面进行强化、修复零件的受损区域或者直接堆积制造出具有复杂结构的零件实体。激光熔覆技术一个最大的优势是能够直接制造结构复杂的零件，但在实际操作中面临许多难以解决的问题。结构复杂的零件上特征较多，结构尺寸也存在差异。如果选用较小的光斑进行加工，固然能够保证加工精度，却降低了加工效率；激光熔覆中存在的台阶效应，严重影响着加工零件的表面质量，这一不利影响在对复杂曲面进行熔覆时表现的更为突出。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构简单，能够连续改变激光熔覆光斑直径大小和送粉位置，以及能够保证粉末流汇聚焦点和激光束汇聚焦点相互重合的可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头，包括：连接筒、喷头主体、可变光路系统、可调送粉位置系统以及喷嘴；

所述连接筒上端与光纤激光器连接，下端与喷头主体连接；

所述喷嘴由喷嘴内筒和冷却水套组成；所述的喷嘴内筒上部设计有保护镜片的安装位置和与喷头主体连接的法兰连接部，在中部圆柱部分设计有均匀分布的保护气体的进气口，在锥形部分对称的开有冷却水进水口和和出水口，在外周均匀分布安装耳；所述的冷却水套，呈倒锥形，内部具有环形的分水层；

所述喷头主体为中空的圆柱体，喷头主体两侧开有与圆柱轴线平行的槽口；喷头主体上下两端的安装板上设计有伺服电机、滚珠丝杠副和导轨的安装部位；并设有分别与连接筒及喷嘴内筒连接的接口；

所述可变光路系统包括位置调节系统和光路系统两部分；

所述的位置调节系统由两组完全相同的结构组成，两组结构对称安装在喷头主体的安装板上；每组结构都可以独立运动，分别用于调节透镜A和透镜B的位置；每组结构都包括圆柱导1、透镜压片、透镜托架、导轨滑块1、丝杠支撑座、伺服电机、连轴器、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、导轨滑块2；

所述伺服电机以螺栓固定在喷头主体上端安装板上，所述丝杠支撑座固定在喷头主体下端的安装板上；所述伺服电机与联轴器相连；所述滚珠丝杠一端与联轴器相连，另外一端与丝杠支撑座相连；滚珠丝杠上安装有滚珠丝杠螺母；

所述圆柱导轨1两端具有螺纹，通过螺母固定在喷头主体上；所述的导轨滑块1具有一个连接口，安装在圆柱导轨1上；导轨滑块1的连接口通过喷头主体侧方的槽口与透镜托架的一端连接；所述的导轨滑块2具有两个连接口，安装在对称侧的圆柱导轨1上面，其中一个连接口与滚珠丝杠螺母连接，另一个连接口通过圆柱筒侧方的槽口与透镜托架的另外一端连接；

所述光路系统由扩束镜、凸透镜A和凸透镜B组成，它们的中心在一条直线上，并且在调节过程中保证透镜A和透镜B之间的距离大于凸透镜A（3.4）和凸透镜B（3.5）的焦距之和；凸透镜A和凸透镜B都安装在透镜托架上，由透镜压片固定；当导轨滑块运动时带动凸透镜，在喷头主体的中空部分移动，改变光路。

所述位置调节系统中为了保证透镜移动的平稳性，透镜托架两侧分别导轨滑块1和导轨滑块2连接；为了简化结构，同侧的导轨滑块1和导轨滑块2共用一根圆柱导轨1。

所述的可变送粉位置系统包括：连杆系统和调节机构两部分；

所述的连杆系统由多个四连杆机构组成。每个四连杆机构包括销、摆杆、螺栓螺母连接副、连杆、摆杆、导向板、调节块1和调节块2；调节块1和调节块2通过螺栓螺母连接副固定于导向板的滑槽之中；连杆的一端与喷嘴内筒上的连接耳以销连接，另一端和调节块2通过螺栓螺母连接副固定；摆杆一端与调节块1通过销连接，另外一端与导轨滑块3通过销连接；

所述导向板末端都固定有一个喷粉管；所述的导向板和与调节块1及调节块，调节块2和连杆之间以螺栓螺母连接副固定，可以通过改变调节块1与调节块2之间的距离和连杆与导向板之间的夹角获得不同结构参数的四连杆机构，使得送粉喷头具有多个不同的粉末流汇聚焦距变化段可选，使得送粉位置更加多样化；

所述调节系统由两组对称安装在喷头主体的两侧的相同结构组成，每一组结构都包括伺服电机、连轴器、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、丝杠支撑座、圆柱导轨2、导轨滑块3、横杆1和横杆2；伺服电机、连轴器、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、丝杠支撑座、圆柱导轨2和导轨滑块3的安装方式与之前所述可变光系统的位置调节系统各对应装置的连接方式相同；所述的导轨滑块3同样具有两个连接接口，其中一个与横杆1的一端连接，同时横杆1和滚珠丝杠螺母连接；所述调节系统的两组结构以横杆2刚性连接，保证所有送粉管在调节过程中能够同步运动。这样通过滚珠丝杠副将电机的旋转运动转变为直线运动，并带动导轨滑块3沿圆柱导轨2作直线运动，以此改变摆杆与喷头主体轴线之间的夹角。

作为改进，所述连接筒的上端设有外螺纹，连接筒通过外螺纹与光纤激光器连接

作为改进，所述连接筒的下端有与喷头主体连接的连接法兰，连接筒通过连接法兰与喷头主体连接。

作为改进，所述喷嘴内筒和冷却水套通过焊接或螺纹连接的方式连接。

作为改进，所述进气口的数量为三个。

本发明的有益效果在于：（1）本发明是第一款能够同时调节送粉位置及光斑的直径大小、精确控制光斑位置的同轴喷头。连续变光斑直径设计，解决了激光熔覆效率和加工精度之间的存在的矛盾；可变送粉位置的设计可以针对不同的粉末选取最佳送粉位置，保证粉末的汇聚性和稳定性；能精确控制光斑位置，可以保证粉末流汇聚焦点和光斑的重合，提高金属粉末的利用率；

（2）本发明完全放弃了采用离焦法改变光斑直径大小的设计思路，采用由扩束镜和两个凸透镜组成的可调节光路，可以有效实现连续改变光斑的直径大小和精确控制光斑位置的目的。能够根据需要适时的改变光斑直径大小，是解决激光熔覆精度和熔覆效率的有效途径；

1.送粉位置调节系统采用连杆机构，结构简单可靠，并且连杆机构的参数是可调的。不同的连杆参数之下，具有不同的粉末流汇聚焦距调节段，在每个调节段内焦距连续变化。增加了喷嘴对性质差异较大金属粉末的适应性。

2.不仅总体结构简单，而且各零部件形状也较为简单易于加工制造。喷头主要部件之间为可拆卸连接，方便维修和更换易损部件。驱动件选择了伺服电机，传动部件为滚珠丝杠副，导向部件为直线导轨，保证了控制精度和运动精度。

附图说明

图1为本发明的总体结构图；

图2为本发明的可变光路系统结构图；

图3为本发明的光路调节原理示意图；

图4为本发明的可调送粉位置系统结构图；

图5为本发明的四连杆机构结构图；

图6为本发明的喷嘴结构图；

图中：1、连接筒，1.1、扩束镜，2、喷头主体，3、可变光路系统，3.1、圆柱导轨1,3.2、透镜压片，3.3、透镜托架，3.4凸透镜A,3.5凸透镜B，3.6、导轨滑块1,3.7、丝杠支撑座，3.8、伺服电机，3.9、联轴器，3.10、滚珠丝杠，3.11、滚珠丝杠螺母，3.12、导轨滑块2,3.13、内六角螺钉，3.14、六角螺母，4、可调送粉位置系统，4.1、伺服电机，4.2、联轴器，4.3、圆柱导轨2，4.4、滚珠丝杠，4.5、滚珠丝杠螺母，4.6、横杆1,4.7、横杆2,4.8、导轨滑块3，4.9、滚珠丝杠支撑座，4.10、销，4.11、摆杆，4.12、调节块1，4.13、螺栓螺母连接副，4.14、连杆，4.15、导向板，4.16、调节块2，4.17、喷粉管，5、喷嘴，5.1、保护气进气口，5.2、安装耳，5.3、保护镜片，5.4、连接法兰，5.5、喷嘴内筒，5.6、冷却水进水口，5.7、冷却水套，5.8、冷却水出水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

应注意到的是：除非另外具体说明，否则本实施例中阐述的部件的相对布置、数值等不限于本发明的范围。作为优选的，在本具体实施例中，喷粉管4.17数量选择为四个，特别的其数量只要能够在喷粉过程中形成完整的环形粉帘都在本发明的保护范围之内，数量不具体限制；相应的连接耳5.2和四连杆机构的数目都设计为四个，与喷粉管4.17数目相对应；作为优选的，保护气体的进气口5.1设计为三个。

如图1所示，一种可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头，包括：连接筒、喷头主体、可变光路系统、可调送粉位置系统以及喷嘴。

如图6所示，所述的喷嘴5由喷嘴内筒5.5和冷却水套5.7组成；所述的喷嘴内筒5.5上部设计有保护镜片5.3的安装位置和与喷头主体2连接的法兰连接部5.4，在中部的圆柱部分设计有均布的三个保护气体进气口5.1，在锥形部分对称的开有冷却水进水口5.6和和出水口5.8，在外周均布四个安装耳5.2；所述的冷却水套5.7，呈倒锥形，内部有环形分水层；所述的喷嘴头5.5和冷却水套5.7通过焊接或螺纹连接的方式连接，一起构成喷嘴5。

所述的喷头主体2为中空的圆柱体，在圆柱体两侧开有与圆柱轴线平行的槽口；其上下两端设计有能够为喷头其它部件提供安装位置的安装板，并且设计有分别与连接筒1和喷嘴内筒5.5之间的连接接口。

如图2所示，所述可变光路系统3主要包括光路系统和位置调节系统两部分。所述的光路系统由扩束镜1.1、凸透镜A 3.4和凸透镜B 3.5组成，它们的中心在一条直线上；扩束镜1.1安装于连接筒1.1之中，固定不动。调节过程中保证透镜A 3.4和透镜B 3.5之间的距离大于凸透镜A 3.4的焦距。

所述的位置调节系统由两组完全相同的结构组成，对称安装于喷头主体2的安装板上。每组都可以独立运动，分别用于调节透镜A 3.4和透镜B 3.5的位置。每一组都由圆柱导轨1 3.1、透镜压片3.2、透镜托架3.3、导轨滑块1 3.6、丝杠支撑座3.7、伺服电机3.8、连轴器3.9、滚珠丝杠3.10、滚珠丝杠螺母3.11和导轨滑块2 3.12组成。所述伺服电机3.8以螺栓固定在喷头主体2的上连接板上，伺服电机3.8与联轴器3.9相连；所述滚珠丝杠3.10一端与联轴器3.9连接，另外一端与固定在喷嘴主体2下连接板上的丝杠支撑座3.7连接，其上安装有丝杠螺母3.11；所述的圆柱导轨1 3.1两端具有螺纹，通过螺栓固定在喷头主体2上；所述的导轨滑块1 3.6具有一个连接口，安装在圆柱导轨1 3.1上，导轨滑块1 3.6的连接口通过圆柱筒侧方的槽口与透镜托架3.3的一端连接；所述导轨滑块2 3.12具有两个连接口，安装在对称侧的圆柱导轨1 3.6上面，其中一个连接口与滚珠丝杠螺母3.11连接，另一个连接口通过圆柱筒侧方的槽口与透镜托架3.3的另外一端连接；凸透镜A和B都安装在透镜托架上3.3，由透镜压片3.2压紧，透镜托架3.3和透镜压片3.2以螺栓连接。当导轨滑块1 3.6和导轨滑块2 3.12运动时带动凸透镜A、B在喷头主体2的中空部分移动，改变光路。

所述的位置调节系统中为了保证透镜移动的平稳性，透镜托架3.3两侧分别与一个导轨滑块1和导轨滑块2连接；为了简化结构同侧的导轨滑块1和导轨滑块2共用一根圆柱导轨1。

图3给出了实现连续改变光斑直径大小和精确控制光斑位置的原理示意图。扩束镜1.1有两个作用：其一是减小激光束的发散角，改善光束的汇聚性，其二是激光束进行扩束，使激光束直径变大，适于后续光路的调节。对比（b）和（c）,可以看出在保持凸透镜A 3.4和凸透镜B 3.5的之间相对位置不变的情况下，改变凸透镜A 3.4和凸透镜B 3.5与扩束镜1.1之间的相对位置就可以在保持光斑直径大小不变的情况下改变光斑的位置；对比（a）和（c）可以看出，在改变凸透镜A 3.4和凸透镜B 3.5的之间相对位置，就可以连续的改变光斑直径的大小，同时适当的调节凸透镜A 3.4和凸透镜B 3.5与扩束镜1.1之间的相对位置，就可以在连续改变光斑直径大小的同时保持光斑的位置不变。

如图4所示所述的可调送粉位置系统4包括连杆系统和调节系统两部分。所述的连杆系统有四个四连杆机构组成。如图5所示，所述的四连杆机构由销4.10、摆杆4.11、调节块1 4.12、螺栓螺母连接副4.13、连杆4.14、导向板4.15、和调节块2 4.16组成。调节块1 4.12和调节块2 4.16以螺栓螺母连接副4.13固定于导向板4.15的滑槽之中，连杆4.14的一端与喷嘴内筒上的安装耳5.2以销4.10连接，另一端和调节块2 4.16以螺母连接副4.13固定；摆杆4.11一端与调节块1 4.12销连接，另外一端与导轨滑块3 4.8以销4.10连接。

所述的调节系统由两组对称安装在喷头主体2两侧的相同结构组成。每一组都由伺服电机4.1、连轴器4.2、圆柱导轨2 、4.3、滚珠丝杠4.4、滚珠丝杠螺母4.5、横杆1 4.6、横杆2 4.7、导轨滑块3 4.8和丝杠支撑座4.9组成。所述的伺服电机4.1、连轴器4.2、滚珠丝杠4.4、滚珠丝杠螺母4.5、丝杠支撑座4.9、圆柱导轨2 4.3和导轨滑块3 4.8的安装方式与之前所述可变光系统的位置调节系统各对应装置的连接方式相同；所述的导轨滑块3 4.8同样具有两个连接接口，分别与横杆1 4.6和横杆2 4.7的一端连接；横杆1 4.6和滚珠丝杠螺母4.5连接。所述的调节系统的两组相同结构以横杆4.7刚性连接，保证四个送粉管在调节过程中能够同步运动。这样通过滚珠丝杠4.4和滚珠丝杠螺母4.5组成的滚珠丝杠副将电机的旋转运动转变为直线运动，并带动导轨滑块3 4.8沿圆柱导轨2 4.3作直线运动，以此改变摆杆4.11与喷头主体2轴线之间的夹角。

所述的在每个所述的导向板4.15末端都固定有一个喷粉管4.17；所述的导向板4.15和与调节块1 4.12、调节块2 4.16和连杆4.14之间以螺栓螺母连接副4.13固定，可以通过改变调节块1 4.12与调节块2 4.16之间的距离和连杆4.14与导向板4.15之间的夹角获得不同结构参数的四连杆机构，使得送粉喷嘴具有多个不同的粉末流汇聚焦距变化段可选。

所述的连接筒1在上部有外螺纹可以与光纤激光器连接，下端有与喷头主体2连接的连接法兰，其内部安装有扩束镜1.1。

故本发明能够连续的改变光斑直径和送粉位置，并且能够改变光斑位置使之与粉末流汇聚焦点重合，很好的解决了激光熔覆中熔覆效率和熔覆精度之间的矛盾，有助于复杂曲面激光熔覆工艺的实现。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。