一种基于飞秒激光机器人磨抛系统及磨抛方法
【技术领域】
[0001 ]本发明专利属于材料表面磨抛加工领域，具体涉及一种基于飞秒激光机器人磨抛系统及磨抛方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]当前成熟的磨抛工艺主要是传统的砂轮与砂带等接触式磨抛技术。传统技术对于自由曲面或一般平面的磨抛精加工在精度上无法达到要求，无法对微观的裂纹缺陷进行消除，且打磨时间过长。工艺费时、费用高且产品一致性差，严重者阻碍了生产力的发展。机器人是一种具有高柔性、高重复精度的机电系统。在工业中已经开始用于零件的磨抛工艺。但是现在机器人磨抛系统基本上还在使用传统的砂轮与砂带等磨抛工具，在磨抛加工中还必须使用冷却液对工件与加工工具进行冷却防止由于过热产生过大的热应力破坏工件。较少研究所正在研究新一代的抛光工具以解决上诉问题。并且现阶段的磨抛装置大多无法做到加工过程中对被加工件进行实时在线的监测，导致加工中出现的错误只能在加工完成后才能被发现，但到时已经造成了很大的经济损失。
[0004]目前，关于磨抛已经有CN204123252U《研磨抛光装置》、CN104608043A《一种漩涡式无缝隙研磨抛光机》、CN104084866A《一种砂带研磨抛光装置》、CN203738559U《一种研磨抛光装置》等专利。这些专利对于抛光质量和效率的提高方法都是从机械结构上进行改进或直接将传统的磨抛装置安装到机器人手臂上。虽然这些方法都对提高磨抛的质量和磨抛的效率有着一定的积极作用，但是这些专利都没有提出一种完全新型，前所未有的磨抛加工方法来大幅度提高磨抛质量。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种全新的磨抛工艺技术和设备，克服了传统磨抛工艺技术中工件由于过热带来的应力破坏以及无法对正在磨抛过程中工件进行实时监测的问题，其具体技术方案是:
一种基于飞秒激光机器人磨抛系统，包括多自由度运动的机器人、与机器人自由端相连的飞秒激光发射模块、三维形貌测量装置、安装工件的固定装置、无损检测装置、X射线接收端、以及控制器。
[0007]作为改进，所述固定装置上夹持装置为三爪卡盘、虎钳、通用夹具或专门定制的专业夹持工具，所述机器人为开环单臂工业机器人或龙门架形式的机器人。
[0008]作为改进，所述三维形貌测量装置为干涉显微镜原理的三维测量装置、使用聚焦检测原理的三维测量装置或使用激光散射原理的三维测量装置。
[0009]作为改进，所述无损检测装置为超声波无损检测装置。
[0010]作为改进，所述加工工件可以是平面、阳性曲面或阴性曲面。[0011 ] 一种利用基于飞秒激光机器人磨抛系统对工件进行磨抛方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一、将待加工工件通过固定装置上夹持装置固定，使用三维形貌测量装置生成被加工工件表面完整的三维模型，并将三维模型数据传给控制器；
步骤二、再利用多自由度运动的机器人控制飞秒激光发射模块自由移动，使飞秒激光发射模块发射的飞秒激光照射待加工材料表面的突起与不平部位；
步骤三、利用无损检测装置和X射线接收端配合对加工过程中可能出现的裂纹进行原位监测，将实时监测数据传递给控制器，控制器经过对比得到精确的三维数据，然后通过控制器控制机器人带动飞秒激光发射模块自由移动，并精确控制飞秒激光照射时间与照射位置实现材料表面的精密抛光工艺。
[0012 ]所述被加工工件材料可以是不锈钢、钛合金、铝合金、工程塑料或天然矿石。
[0013]本发明工作原理为:工作时，将需要磨抛的工件固定在固定装置上。利用三维形貌测量装置对工件进行实时的形貌测量。生成工件的三维模型，传入控制器电脑内。固定在机器人自由端手臂上的飞秒激光发射模块发射飞秒激光，根据由控制器电脑内的程式计算出所需除去的表面不平与突起部位位置，利用机器人手臂的高柔性将激光对准工件上任意需要抛光的表面位置。利用飞秒激光脉冲宽度很短以至于热能来不及扩散到激光焦点以外的区域，沉积的热能被限定在金属表面的浅层区域的特性，使金属在超高能量下经熔融态直接气化。甚至材料在吸收光子因为产生的能量后生成的电子温度远远高于气化温度而导致其最终成为高密度、超热、高压的等离子体状态。激光与金属相互作用时间很短，被激光加工的结构边缘几乎没有损伤并且加工区内部由于来不及吸收热量加工就已经结束，故不会产生过大的热应力破坏工件。在其他需要抛光的金属表面都重复这一过程，就可以达到精细抛光金属表面的目的。并且在加工过程中使用原位监测技术对加工中的被加工件进行实时在线监测，及时向控制系统和操作人反馈加工情况，控制系统和操作人可以根据原位监测反馈的信息确定加工操作是否正确。
[0014]
本发明的有益效果是:
1、由于使用了多自由度机械手臂，该装置可以加工其它普通磨抛设备所不能加工的具有复杂曲率分布的自由曲面。
[0015]2、由于使用了飞秒激光进行磨抛手段，该装置可以避免其它普通磨抛设备加工过程中可能出现的工件与加工设备过热现象，故工件与加工设备在加工过程中不会受到热应力的危害。
[0016]3、由于使用了飞秒激光进行磨抛手段，该装置拥有明显高于其他普通磨抛装置的加工精度。
[0017]
【附图说明】
[0018]图1为本发明专利的整体示意图；
图2为使用本发明专利对待加工工件进行表面磨抛的示意图；
图3为使用本发明专利对阴性表面工件进行加工的示意图。
[0019]I机器人，2飞秒激光发射模块，3三维形貌测量装置，4固定装置，5无损检测装置，6X射线接收端，7底座，8工件，9阴性表面工件。
[0020]
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图，对本发明专利做进一步的说明
如图所示，一种基于飞秒激光机器人磨抛系统，包括多自由度运动的机器人1、与机器人自由端相连的飞秒激光发射模块2、三维形貌测量装置3、安装工件的固定装置4、无损检测装置5、X射线接收端6、以及控制器。
[0022]所述机器人I，用于移动飞秒激光发射模块2，使之对准工件上需要进行磨抛的部位。附图中所示的为工业用机械手臂，但根据需要，也可以选择龙门架等多种形式的载体。
[0023]所述飞秒激光发射模块2用于发射飞秒激光。
[0024]所述三维形貌测量装置3用于形成待加工工件表面的完整三维模型，其可以为干涉显微镜原理的三维测量装置、使用聚焦检测原理的三维测量装置或使用激光散射原理的三维测量装置。
[0025]所述安装工件的固定装置4用于固定待加工工件。图中所示的固定装置4上夹持装置为悬臂梁形式，但是在具体应用中，可以根据实际需要更改其形式。
[0026]所述加工工件可以是平面、阳性曲面或阴性曲面。
[0027]本图为说明方便，所述无损检测装置5选定X射线无损检测装置做原位监测装置。