表面流动水膜的实时监控装置及其实时监控方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及激光加工材料表面强化技术领域，尤其涉及一种表面流动水膜的实时监控装置。本发明还涉及对应的表面流动水膜的实时监控方法。
【背景技术】
[0002]激光喷丸强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深。激光喷丸的原理是利用脉冲激光(能量I?100J，脉宽I(KBOns)在约束状态下(水膜或玻璃)跟吸收层(铝箔或其他材料)产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧。21世纪初，美国将激光喷丸技术应用到FlOl、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。
[0003]飞机发动机叶片的疲劳断裂是影响发动机正常工作的主要因素之一，激光喷丸强化飞机发动机叶片具有无可比拟的优势。发动机叶片的疲劳断裂主要发生在叶片边缘，激光喷丸处理主要对叶片边缘区域进行强化。激光喷丸强化飞机发动机叶片中，通常采用流动水膜作为约束层，为了保证冲击波压力的稳定以及激光喷丸效果的一致性，必须保证流动水膜的均匀一致性。因此，需要发明一种监控装置以及监控方法来监控流动水膜的状态。
【发明内容】
[0004]针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可便捷且准确地规划出水膜喷涂路径和流量控制的表面流动水膜的实时监控装置，并提供一种可便捷且准确地规划出水膜喷涂路径和流量控制的表面流动水膜的实时监控方法，以动态监测水膜的状态包括均匀性和控制水膜的厚度。
[0005]为了克服现有技术不足，本发明采用的设备技术方案是:一种表面流动水膜的实时监控装置，其包括以高能脉冲激光器的中心线为工作轴对称设置于两侧的定位激光器和CCD显示器、表面穿过定位激光器发出的可见激光束的中心线与工作轴的交点并附贴于工件待处理表面的反射膜、夹持工件并可自由调节其位置和方向的工件机械手、朝向工件待处理表面并喷出覆盖在反射膜表面的流动水膜的喷水头、通过管路与喷水头连接并连接水源的调节阀、夹持喷水头的涂水机械手、通过数据线分别与CCD显示器和涂水机械手以及工件机械手电性连接的工控机，所述可见激光束被反射膜反射至CCD显示器。
[0006]作为本发明表面流动水膜的实时监控装置的技术方案的一种改进，所述可见激光束的轴线与工作轴相交成45度角。
[0007]作为本发明表面流动水膜的实时监控装置的技术方案的一种改进，所述定位激光器的侧方设有正对工作轴与可见激光束轴线的交点的高清摄像头。
[0008]作为本发明表面流动水膜的实时监控装置的技术方案的一种改进，所述定位激光器为氦氖激光器，其发出的可见激光束为平行激光束，功率为I?5毫瓦，激光束直径为10微米。
[0009]作为本发明表面流动水膜的实时监控装置的技术方案的一种改进，所述反射膜为铜膜，其厚度为100?150微米。
[0010]作为本发明表面流动水膜的实时监控装置的技术方案的一种改进，工件的表面为平面或曲面，曲面的曲率半径大于200_。
[0011]作为本发明表面流动水膜的实时监控装置的技术方案的一种改进，所述可见激光束辐照在反射膜的入射点中心法向与工作轴重合。
[0012]为了克服现有技术不足，本发明对应采用的方法技术方案是:一种表面流动水膜的实时监控方法，其使用上述的表面流动水膜的实时监控装置，并包括以下步骤:
A、设置测量点:将贴有反射膜的工件装夹到工件机械手，按预设的加工路径布置多个水膜厚度测量点，按顺序记为S1、S2、S3、……、Sn;
B、将工件机械手的位置调整至第一个测量点SI，打开定位激光器并记录下反射激光束在CCD显示器中的坐标Pl;打开喷水头，调整涂水机械手以及调节阀使反射膜表面获得一层均匀的水膜，在CCD显示器中记录下经折射的反射激光束的坐标P2;
C、计算出Pl与P2的距离d，通过可见激光束与工作轴之间的入射夹角计算获得水膜厚度T;
D、通过反复调整涂水机械手和调节阀并计算Pl至P2的距离，获得指定厚度的均匀水膜，记录下涂水机械手的坐标Rl以及调节阀的流量；
E、重复步骤B至D，对所有测量点S1、S2、S3、……、Sn的水膜状态进行调整使其形成指定厚度的均匀水膜，记录下每个测量点的涂水机械手的坐标R2、R3、……、Rn;通过Rl、R2、R3、……、Rn坐标，利用曲线拟合软件获得涂水机械手的五轴运动轨迹。
[0013]作为本发明表面流动水膜的实时监控方法的技术方案的一种改进，其中步骤B具体为，通过工控机将工件机械手的位置调整至第一个测量点SI，打开定位激光器使可见激光束辐照到反射膜，形成反射激光束并由CCD显示器接收，记录下反射激光束在CCD显示器中的坐标Pl;打开喷水头，调整涂水机械手的坐标以及调节阀的流量直至在反射膜表面获得一层均匀的水膜，可见激光束由空气入射到水膜发生折射，然后经反射膜反射，由水膜入射到空气中再次发生折射，在CXD显示器中记录下反射激光束的坐标P2。
[0014]作为本发明表面流动水膜的实时监控方法的技术方案的一种改进，步骤C中，可见激光束与工作轴之间的入射夹角为45度，由几何运算可得，水膜的厚度T=0.75*d。
[0015]本发明的有益效果是:本发明的表面流动水膜的实时监控装置，使平行可见激光束与工作轴成一定角度，入射到工件表面，利用激光束从空气入射到水发生折射的原理来测量激光喷丸强化中流动水膜的厚度，并通过涂水机械手来改变水膜的状态包括稳定性和厚度等，记录激光喷丸过程路径取点所对应的涂水机械手的五轴坐标，从而可以通过曲线拟合获取涂水轨迹曲线，保证激光喷丸强化过程对应配合进行指定厚度并保持均匀性的涂水，工件路径变化过程维持水膜厚度均匀且恒定。
[0016]本发明的表面流动水膜的实时监控方法采用微米直径的平行激光束与工作轴成一定角度，并通过比较反射光的位置，以及采用五轴联动涂水机器人，可以实时监控流动水膜的厚度，保证了整个强化过程中流动水膜的平稳性以及均匀一致性，本发明特别适用于激光喷丸强化飞机发动机叶片以及汽轮机叶片等小曲率曲面。
【附图说明】
[0017]图1为本发明一种表面流动水膜的实时监控装置的涂水状态构造示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面对本发明的实施方式进行具体描述。
[0019]如图1所示，图中展示了本发明一种表面流动水膜的实时监控装置，其包括以高能脉冲激光器的中心线为工作轴15对称设置于两侧的定位激光器2和CCD显示器1、表面穿过定位激光器2发出的可见激光束3的中心线与工作轴15的交点并附贴于工件6待处理表面的反射膜5、夹持工件6并可自由调节其位置和方向的工件机械手12、朝向工件6待处理表面并喷出覆盖在反射膜5表面的流动水膜7的喷水头8、通过管路1与喷水头8连接并连接水源的调节阀9、夹持喷水头8的涂水机械手11、通过数据线13分别与CCD显示器I和涂水机械手11以及工件机械手12电性连接的工控机14，所述可见激光束3被反射膜5反射至CCD显示器I。本发明的表面流动水膜的实时监控装置，使平行可见激光束3与工作轴15成一定角度，入射到工件表面，利用激光束从空气入射到水发生折射的原理来测量激光喷丸强化中流动水膜的厚度，并通过涂水机械手11来改变水膜的状态包括稳定性和厚度等，记录激光喷丸过程路径取点所对应的涂水机械手11的五轴坐标，从而可以通过曲线拟合获取涂水轨迹曲线，保证激光喷丸强化过程对应配合进行指定厚度并保持均匀性的涂水，工件路径变化过程维持水膜厚度均匀且恒定。
[0020]具体过程是:首先关闭喷水头8，将激光束辐照到反射膜5，记录反射光在CCD显示器I的位置;然后打开喷水头8，激光束入射到水膜7并反射，由于折射，在CCD显示器I中位置发生偏移，通过两点的距离计算出水膜厚度，并通过涂水机械手11调整水膜状态。采用本发明可以实时监控激光喷丸强化曲面中水膜的状态，可以便捷且准确地规划出水膜喷涂路径和流量控制，以动态监测水膜的状态包括均匀性和控制水膜的厚度，保证了整个强化过程中流动水膜的平稳性以及均匀一致性，特别适用于激光喷丸强化飞机发动机叶片以及汽轮机叶片等小曲率曲面。
[0021]激光喷丸强化装置设有高能脉冲激光器，其发出的激光束经凸透镜聚焦后可对工件6的表面进行激光喷丸强化处理。激光喷丸强化的激光束是高功率密度脉冲激光束，激光束的功率密度为109W/cm2?1010W/cm2，脉冲能量为I?100J，脉冲宽度为5?30ns，激光重复频率为5?20Hz。激光喷丸强化过程所需的流动水膜7的厚度为I?2mm。工控机14可以获得CCD显示器I的图像;工控机14可以控制涂水机械手11五轴联动;工控机14可以控制工件机械手12五轴联动，从而对整个加工过程进行远程操控。
[0022]更佳地，所述可见激光束3的轴线与工作轴15相交成45度角，可以方便地计算水膜的厚度，便于对应不同的工件位置快速调节水膜的喷涂状态获得所需的水膜厚度。
[0023]更佳地，所述定位激光器2的侧方设有正对工作轴15与可见激光束3轴线的交点的高清摄像头4，从而可以采用视频监控观测流动水膜的状态，工控机14可以获得高清摄像头4的视频，确保远程操控能够细致观察水膜的状态，一般控制水膜的效