激光冲击波柔性加工设备及其方法与流程

本发明涉及一种激光冲击波柔性加工设备及其方法，属于激光冲击加工技术领域。

背景技术：

目前，随着激光冲击技术应用上的重大突破，激光冲击加工引起全球关注。激光冲击强化为非接触性加工方式，激光设备与被强化构件不直接接触，激光辐射不受构件结构影响，其他表面强化技术对大型结构件强化，对设备的要求很高，而激光冲击强化可克服上述不足，并可对强化过程进行调控。激光冲击强化可有效消除部件残留的残余拉应力，而且无热影响区。但针对大型零部件的冲击加工，采用传统的激光束固定、工件移动的强化方式实施的难度大，现有的激光冲击强化装备无法对其完成加工。

针对激光冲击柔性加工技术，研究者们也进行了一些探索，如江苏大学叶云霞、张凯等人公开了一项发明：可移动在线激光冲击加工装置和方法，专利公开号cn106929663a，该加工装置能够实现在线冲击加工过程中，将激光器的移动、吸收层和约束层的喷涂集成到同一装置中，且在线调节激光头与待加工部位的距离和角度，一定程度上的实现了激光冲击柔性加工，但是只适用于在线激光冲击强化、在线激光冲击整形、在线激光冲击修复的场合，对于大型零部件的冲击强化加工并不适用，不符合大型零部件冲击强化的工艺要求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种激光冲击波柔性加工设备及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

激光冲击波柔性加工设备，特点是：包括加工平台、出光基座、激光器、约束层容器、吸收层容器、导光臂以及激光加工头，所述加工平台上设有x-y-θ运动平台，所述激光器设于加工平台上，出光基座的一端与激光器连接，另一端与导光臂底座固定连接，导光臂安装于导光臂底座上，导光臂的出光口连接激光加工头，激光加工头安装在机械手上，机械手置于直线运动单元上，用于测量激光加工头与待加工位置间距离的传感器固定于激光加工头上；

所述约束层容器与吸收层容器固定于激光器上，约束层容器上经约束层喷管阀门连接约束层喷管，吸收层容器上经吸收层喷管阀门连接吸收层喷管，约束层喷管和吸收层喷管经导光臂缠绕后止于激光加工头处，与激光加工头形成便于冲击加工时待加工部位所需角度。

进一步地，上述的激光冲击波柔性加工设备，其中，所述x-y-θ运动平台包含x轴运动单元、y轴运动单元和θ轴运动单元，所述x轴运动单元包含x轴底座、x轴直线导轨、x轴连接板和控制x轴连接板运动的x轴直线电机，x轴直线导轨和x轴直线电机安装于x轴底座上，x轴底座安装于加工平台上，x轴连接板置于x轴直线导轨上，x轴直线电机与x轴连接板驱动连接，控制x轴连接板沿x轴直线导轨运动；

所述y轴运动单元包含y轴底座、y轴直线导轨、y轴连接板和控制y轴连接板运动的y轴直线电机，y轴直线导轨和y轴直线电机安装于y轴底座上，y轴连接板置于y轴直线导轨上，y轴直线电机与y轴连接板驱动连接，控制y轴连接板沿y轴直线导轨运动；所述y轴底座连接于x轴连接板上；

所述θ轴运动平台包含中空旋转平台和载物板，载物板安装于中空旋转平台上，中空旋转平台安装于y轴连接板上。

进一步地，上述的激光冲击波柔性加工设备，其中，所述y轴直线导轨与x轴直线导轨呈90度夹角。

进一步地，上述的激光冲击波柔性加工设备，其中，所述直线运动单元包含底板、导轨、运动板和控制运动板运动的伺服电机，导轨和伺服电机安装于底板上，底板固定于加工平台上，运动板置于导轨上，伺服电机与运动板驱动连接，控制运动板沿导轨运动，运动板上安装机械手。

进一步地，上述的激光冲击波柔性加工设备，其中，所述加工平台底部设置有支撑底座。

本发明激光冲击波柔性加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1：将待加工工件固定于x-y-θ运动平台上，并移动机械手，x-y-θ运动平台运行至所需位置，并通过机械手调节导光臂，将激光加工头移动到与待加工位置有合适的距离和角度；

s2：通过工艺规划确定激光加工头、机械手、x-y-θ运动平台的运动轨迹并通过电机进行控制；

s3：开启并调节吸收层喷管阀门，控制吸收层的喷涂量，将吸收层均匀的喷涂于待加工部位表面，喷涂完毕后，关闭吸收层喷管阀门，并控制将机械手、x-y-θ运动平台运动至初始位置；若待加工部位表面是曲面或其他不规则的平面，则在导光臂的运动过程中，通过传感器的距离感应以及机械手的自动调节实现随动，实时控制激光加工头与待加工部位的距离；

s4：开启并调节约束层喷管阀门，并控制约束层的流量；

s5：开启激光器，调节激光器的输出能量，控制机械手以及x-y-θ运动平台的运动来实施柔性冲击加工，冲击完毕后，关闭激光器和约束层喷管阀门，控制机械手、x-y-θ运动平台运动到初始位置，实施新一轮的冲击加工；若待加工部位表面是曲面或其他不规则的平面，则在导光臂的运动过程中，通过传感器的距离感应以及机械手的自动调节实现随动，实时控制激光加工头与待加工部位的距离，确保焦点位置准确。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明将约束层喷管、吸收层喷管和光束管路通过导光臂进行集成，并实现自动化控制；通过控制机械手的运动来带动导光臂和激光加工头的运动，通过传感器感应激光加工头与待加工位置的距离和机械手的实时调控来控制焦点位置，实现加工的随动功能，并通过电机来控制x-y-θ运动平台的移动和旋转运动，从而实现工件移动、激光束移动相结合的强化方式，能够完成对各种大型零部件的激光冲击柔性加工，满足大型零部件的冲击强化需求，扩展冲击强化技术的应用领域。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：导光臂的出光端的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。

本发明提供激光冲击波柔性加工装备，通过导光臂的运动和运动平台的运动，实现工件移动、激光束移动相结合的强化方式，实现柔性加工，满足大尺寸零部件激光冲击加工需求。

如图1、图2所示，激光冲击波柔性加工设备，包括加工平台1、出光基座4、激光器5、约束层容器6、吸收层容器8、导光臂10以及激光加工头15，加工平台1底部设置有支撑底座2，加工平台1上设有x-y-θ运动平台18，激光器5设于加工平台1上，出光基座4的一端与激光器5连接，另一端与导光臂底座3固定连接，导光臂10安装于导光臂底座3上，导光臂的出光口11连接激光加工头15，激光加工头15安装在机械手16上，机械手16置于直线运动单元17上，用于测量激光加工头与待加工位置间距离的传感器14固定于激光加工头15上；

约束层容器6与吸收层容器8固定于激光器5上，约束层容器6上经约束层喷管阀门7连接约束层喷管12，吸收层容器8上经吸收层喷管阀门9连接吸收层喷管13，约束层喷管12和吸收层喷管13经导光臂10缠绕后止于激光加工头15处，与激光加工头15形成便于冲击加工时待加工部位所需角度。

其中，x-y-θ运动平台18包含x轴运动单元、y轴运动单元和θ轴运动单元，x轴运动单元包含x轴底座、x轴直线导轨、x轴连接板和控制x轴连接板运动的x轴直线电机，x轴直线导轨和x轴直线电机安装于x轴底座上，x轴底座安装于加工平台1上，x轴连接板置于x轴直线导轨上，x轴直线电机与x轴连接板驱动连接，控制x轴连接板沿x轴直线导轨运动。

y轴运动单元包含y轴底座、y轴直线导轨、y轴连接板和控制y轴连接板运动的y轴直线电机，y轴直线导轨和y轴直线电机安装于y轴底座上，y轴连接板置于y轴直线导轨上，y轴直线电机与y轴连接板驱动连接，控制y轴连接板沿y轴直线导轨运动；所述y轴底座连接于x轴连接板上；y轴直线导轨与x轴直线导轨呈90度夹角。

θ轴运动平台包含中空旋转平台和载物板，载物板安装于中空旋转平台上，中空旋转平台安装于y轴连接板上。

直线运动单元17包含底板、导轨、运动板和控制运动板运动的伺服电机，导轨和伺服电机安装于底板上，底板固定于加工平台1上，运动板置于导轨上，伺服电机与运动板驱动连接，控制运动板沿导轨运动，运动板上安装机械手16。

激光冲击波柔性加工方法，包括以下步骤：

s1：将待加工工件固定于x-y-θ运动平台18上，并移动机械手16，x-y-θ运动平台18运行至所需位置，并通过机械手16调节导光臂10，将激光加工头15移动到与待加工位置有合适的距离和角度；

s2：通过工艺规划确定激光加工头15、机械手16、x-y-θ运动平台18的运动轨迹并通过电机进行控制；

s3：开启并调节吸收层喷管阀门9，控制吸收层的喷涂量，将吸收层均匀的喷涂于待加工部位表面，喷涂完毕后，关闭吸收层喷管阀门9，并控制将机械手16、x-y-θ运动平台18运动至初始位置；若待加工部位表面是曲面或其他不规则的平面，则在导光臂10的运动过程中，通过传感器14的距离感应以及机械手16的自动调节实现随动，实时控制激光加工头15与待加工部位的距离；

s4：开启并调节约束层喷管阀门7，并控制约束层的流量；

s5：开启激光器5，调节激光器5的输出能量，控制机械手16、移动平台18以及x-y-θ运动平台18的运动来实施柔性冲击加工，冲击完毕后，关闭激光器5和约束层喷管阀门7，控制机械手16、x-y-θ运动平台18运动到初始位置，实施新一轮的冲击加工；若待加工部位表面是曲面或其他不规则的平面，则在导光臂10的运动过程中，通过传感器14的距离感应以及机械手16的自动调节实现随动，实时控制激光加工头15与待加工部位的距离，确保焦点位置准确。

综上所述，本发明将约束层喷管、吸收层喷管和光束管路通过导光臂进行集成，并实现自动化控制；通过控制机械手的运动来带动导光臂和激光加工头的运动，通过传感器感应激光加工头与待加工位置的距离和机械手的实时调控来控制焦点位置，实现加工的随动功能，并通过电机来控制x-y-θ运动平台的移动和旋转运动，从而实现工件移动、激光束移动相结合的强化方式，能够完成对各种大型零部件的激光冲击柔性加工，满足大型零部件的冲击强化需求，扩展冲击强化技术的应用领域。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。