基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应装备及方法与流程

本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种基于导轨运动的金属板料特别是大尺寸金属板料激光喷丸成形动态自适应装备及方法，其通过光路传输转换、动态自适应调整能有效适用于难移动的大型板件的激光喷丸成形。

背景技术：

大型板件成形在航空和国防领域有着广泛的应用，如飞机的机翼、蒙皮等。为了使这些大型板料能够在极端的工况条件下稳定而有效地工作，它们通常会根据受力特点而被设计成各种复杂的形状。

对于航空板料的加工，传统方法是采用机械喷丸成形。机械喷丸是利用高速弹丸流撞击金属表面，使受撞击的表面及其下层金属产生塑形变形而延伸，从而造成板材凸起产生弯曲变形。在机械喷丸的基础上，先后又发展出预应力喷丸成形和热辅助喷丸成形等方法，提高了变形的能力。但由于机械喷丸成形工艺影响因素众多，难以精确控制；产生的预应力较小，变形能力有限；且加工现场环境恶劣，后续弹丸清理过程繁琐。这些不利因素制约了机械喷丸的发展与广泛应用。

激光喷丸成形是利用激光与物质相互作用所产生的冲击波作用于金属板料而使金属板料成形的技术。它结合激光冲击强化和传统的机械喷丸成形的优势。相比之下，激光喷丸可以产生比机械喷丸更大更深的残余压应力(约3-5倍)，拥有更强变形能力，同时增强了对工件表面的强化作用，提高了工件的抗疲劳和抗腐蚀性能。加工过程环境良好，生产过程也更为简单。

激光喷丸成形其中一个技术要点在于喷丸路径的实现。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。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。发明专利“中厚板材激光喷丸成形的方法和装置”(专利号ZL200510040116.9)提出了一套应用于中厚板材激光喷丸成形系统，其根据生成曲面的形状通过计算机优化出各项工艺参数，设计好喷丸路径，控制激光器、导光系统和工作台的工作进行喷丸。在路径的实现上，其光路保持不动，利用五轴联动数控机床控制工件运动，使得激光依路径在工件上各点实施冲击。这种设计的缺点由于采用五轴数控机床承载板料而无法实现中大尺寸板料的成形。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”(专利号200810019757.X)在路径实现上采用飞行扫描，通过入射激光导光系统的运动，包括上下和左右的平移，使入射激光按照预定的路径对竖直板面进行扫描喷丸。该方法的缺点在于整个导光系统运动的实现。首先，要使整个导光系统的运动覆盖到整个目标靶面，将要占很大的空间，柔性也较差。其次，整个导光系统大范围的运动难以保证运动过程中各点的位置精度，运动中的振动也可能会对导光系统中的部件产生不良影响。发明专利“一种用于大型工件激光喷丸成形的光路装置及方法”(申请号：201510197097.4)激光器发出的高能脉冲激光束经过动态聚焦及矫形系统后发生截面形状变化和聚焦位置的变化，再经过一对扫描振镜系统后指向特定的出射方向，从而通过动态聚焦及矫形系统和扫描振镜系统的连续运动实现激光在大型工件上的扫描喷丸。其有益效果有：(1)通过几个紧凑的部件的运动实现了大型工件的激光喷丸，装置所占空间小，运动能量消耗小，柔性较好；(2)光路装置布置简单，运动简单而且运动范围小，精度容易保证，工件靶面上的光斑搭接率和扫描速度都能方便调节；(3)通过柱面透镜组改变了入射激光的截面形状，从而将在工件靶面上的喷丸光斑矫正为圆形，满足工艺要求。其缺点主要是由于扫描振镜系统只能做相应的转动而不能平行移动，当加工大型工件，尤其是大尺寸金属板料时，不能保证每一喷丸点的位置与激光束辐照方向垂直，从而影响加工效果；且当工件的尺寸越大，此弊端越凸显。美国MIC公司的专利“FLEXIBLE BEAM DELIVERY SYSTEM FOR HIGH POWER LASER SYSTEMS”(专利号US20110253690A1)在路径实现上，利用一个万向节反射镜的运动改变出射激光的方向，使入射激光按路径进行扫描，另配合一个望远镜聚焦系统调节靶面上的光斑大小，激光的形状还能通过场旋转镜和柱面镜组的运动来矫正。其优点在于，只需要控制几个较小部件的运动就可以使激光在靶面上进行喷丸扫描，提高了系统的稳定性。但是，其缺点在于，第一，导光系统中望远镜系统和斯托克斯透镜组相互独立，镜片数量较多，构成不够简单；其二，万向节反射镜运动机构复杂，保证运动精度较为困难。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种基于导轨运动的大尺寸金属板料激光喷丸成形动态自适应装备及方法，能够通过装置中几个部件动态的相互配合，从而方便地实现工艺设计好的喷丸路径，实现动态自适应的制造过程。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明一方面提供了一种基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应装备，所述装备的组成包括高能脉冲激光器1、动态自适应调节与冲击系统2、水平导轨3、运动装夹系统4、动态监测系统5、集成控制系统6、激光器控制系统8、运动装夹控制系统9、动态监测控制系统10；所述集成控制系统6分别与所述激光控制系统8、运动装夹控制系统9、动态监测控制系统10和动态自适应调节与冲击系统2电连接；所述运动装夹系统4用于装夹金属板料；

其中，所述激光控制系统8和高能脉冲激光器1电连接，以控制激光器的开启和激光输出参数；所述运动装夹控制系统9和运动装夹系统4电连接，以控制装夹运动系统4的运动；所述动态监测控制系统10和动态监测系统5电连接，以控制动态监测系统5的运动；

所述集成控制系统6对所述激光控制系统8、运动装夹控制系统9、动态自适应调节与冲击系统2和动态监测控制系统10进行控制并接受所述激光控制系统8、运动装夹控制系统9、动态自适应调节与冲击系统2和动态监测控制系统10反馈的信息，进而实现激光喷丸金属板料的动态自适应成形。

更进一步的，所述动态自适应调节与冲击系统2是由反射镜11、激光头冲击系统12、立柱16、横梁17、竖直导轨18、高速成像与定位系统19和照明灯20等组成，其中

竖直导轨18安装在立柱16上，激光头冲击系统12可沿着竖直导轨18上下运动；横梁17上两边分别安装有高速成像与定位系统19；整个动态自适应调节与冲击系统2可沿水平导轨3运动；射入激光束经反射镜11反射后射入激光头冲击系统12。

更进一步的，所述激光头冲击系统12是由至少一个反射镜组成的反射镜组13、三棱镜14以及聚焦调节镜组15组成。

更进一步的，所述动态监测系统5是由立杆21、横杆22、上下调节定位环扣24、高速摄像系统23以及照明灯25组成，其中横杠22通过上下调节定位环扣24固定在立杆21上，并且横杆22两边分别装有高速摄像系统23和照明灯25，整个所述动态监测系统5可沿水平导轨3运动。

更进一步的，所述金属板料在进行喷丸成形前，在其表面涂覆能量吸收层用于吸收激光能量，并在能量吸收层上在喷涂一系列规则分布的细小定位参考点列，在进行喷丸成形时，通过动态自适应调节与冲击系统2的高速成像与定位系统19进行定位，以按照规划好的路径进行喷丸。

本发明另一方面提供了一种基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应方法，其基于前述的装备，并且工作流程如下：

(1)首先通过动态自适应调节与冲击系统2的快速成像与定位系统19对所述金属板料进行成像，通过金属板料的各边角划定喷丸区域，并通过所述定位参考点列，将所述喷丸区域划分为定位单元；

(2)在集成控制系统6输入喷丸路径，喷丸过程中，动态自适应调节与冲击系统2通过其自身的快速成像与定位系统19，按照所述定位参考点列确定的定位单元，定位工艺路径；

(3)按所述工艺路径依次进行每一个点的激光喷丸。

并且在每一个点的激光喷丸作业前，还通过动态监测系统5和动态自适应调节与冲击系统2的快速成像与定位系统19反馈的板料变形情况，集成控制系统6向运动装夹控制系统9发出指令，使运动装夹系统4对所述金属板料进行调整，保证激光喷丸位置的垂直射入。

附图说明

图1基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应装备结构示意图

图2动态自适应调节与冲击系统结构示意图

图3动态自适应调节与冲击系统光路传输示意图

图4动态监测系统结构示意图

图5大尺寸板料激光喷丸成形模型示意图

图中：1高能脉冲激光器；2动态自适应调节与冲击系统；3水平导轨；4运动装夹系统；5动态监测系统；6集成控制系统；7金属板料；8激光器控制系统；9运动装夹控制系统；10动态监测控制系统11反射镜；12激光头冲击系统；13反射镜组；14三棱镜；15聚焦调节镜组；16立柱；17横梁；18竖直导轨；19高速成像与定位系统；20照明灯；21立杆；22横杆；23高速摄像系统；24上下调节定位环扣；25照明灯；26能量吸收层；27定位参考点列。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案做一详细的描述。

实施例一。

图1所示为基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应装备机构示意图，其组成包括高能脉冲激光器1、动态自适应调节与冲击系统2、水平导轨3、运动装夹系统4、动态监测系统5、集成控制系统6、金属板料7(一般为大尺寸金属板料)、激光器控制系统8、运动装夹控制系统9、动态监测控制系统10；所述激光控制系统8同时和高能脉冲激光器1及集成控制系统6相连，用于控制激光器的开启和激光各项输出参数，并将相关信息实时传给集成控制系统6，并接受集成控制系统6的指令；所述运动装夹控制系统9同时和运动装夹系统4及集成控制系统6相连，用于控制装夹运动系统4的运动，并将信息反馈给集成控制系统6，接受集成控制系统6的指令；所述动态监测控制系统10同时和动态监测系统5及集成控制系统6相连，控制动态监测系统5的运动，并将信息反馈给集成控制系统6，接受集成控制系统6的指令；所述动态自适应调节与冲击系统2直接与集成控制系统6相连，接受集成控制系统6的指令，并实时将收集的信息反馈给集成控制系统6；通过控制动态自适应系统2及其自身部件的运动和对光路的调整和矫形，实现激光喷丸金属板料的动态自适应成形。

如图2所示，所述动态自适应调节与冲击系统2是由反射镜11、激光头冲击系统12、立柱16、横梁17、竖直导轨18、高速成像与定位系统19、照明灯20等组成。竖直导轨18安装在立柱16上，激光头冲击系统12可沿着竖直导轨18上下运动；横梁17上两边分别安装有高速成像与定位系统19；整个动态自适应调节与冲击系统2可沿水平导轨3运动。射入激光束经反射镜反射后射入激光冲击头系统12，经调节反射，从激光冲击头系统12喷嘴射出传输到金属板料表面。

所述激光头冲击系统12是由若干反射镜组成的反射镜组13，三棱镜14，聚焦调节镜组15等组成，如图3所示。激光束经调节矫形后，从激光冲击头系统12喷嘴射出到金属板料表面。

如图4所示，所述动态监测系统5是由立杆21，横杆22，上下调节定位环扣24，高速摄像系统23，照明灯25等组成，横杠22通过上下调节定位环扣24固定在立杆21上，横杆22两边分别装有高速摄像系统23和照明灯25，整个动态监测系统5可沿水平导轨3运动。

如图5所示，所述大尺寸金属板料7在进行喷丸成形前，在其表面涂覆能量吸收层26用于吸收激光能量，能量吸收层上在喷涂一系列规则分布的细小定位参考点列27，在进行喷丸成形时，通过动态自适应调节与冲击系统2的高速成像与定位系统19进行准确定位，保证板料在变形后，也能按照规划好的路径进行喷丸。

本发明提供的一种基于导轨运动的大尺寸金属板料激光喷丸成形动态自适应装备及方法，其工作流程如下：

(1)首先通过动态自适应调节与冲击系统2的快速成像与定位系统19对整个金属板料进行成像，通过金属板料的各边角划定喷丸大致区域，通过大尺寸金属板料上的定位参考点列27，划定各定位单元；

(2)在集成控制系统6的输入端输入喷丸路径，喷丸过程中，动态自适应调节与冲击系统2通过其自身的快速成像与定位系统19，按照定位参考点列确定的准确定位单元，准确定位工艺路径确定该时刻在成形工件上喷丸位置的坐标；

(3)通过动态监测系统5和动态自适应调节与冲击系统3的快速成像与定位系统19反馈的板料变形情况，集成控制系统6向运动装夹控制系统9发出指令，并进一步使运动装夹系统4对板料位置进行调整，保证激光喷丸位置的垂直射入；

(4)按工艺路径进行下一个点的喷丸。

实施例二。

继续参考图1-5，基于导轨运动的大尺寸金属板料激光喷丸成形动态自适应装备及方法，其组成包括高能脉冲激光器及其控制系统、动态自适应调节与冲击系统、运动装夹系统及其控制系统、动态监测系统及其控制系统、大尺寸金属板料、集成控制系统；所述激光控制系统同时和激光器及集成控制系统相连，用于控制激光器的开启和激光各项输出参数，并将相关信息实时传给集成控制系统，并接受集成控制系统的指令；所述运动装夹控制系统同时和运动装夹系统及集成控制系统相连，用于控制装夹运动系统的运动，并将信息反馈给集成控制系统，接受集成控制系统的指令；所述动态监测控制系统同时和动态监测系统及集成控制系统相连，控制动态监测系统的运动，并将信息反馈给集成控制系统，接受集成控制系统的指令；所述动态自适应调节与冲击系统直接与集成控制系统相连，接受集成控制系统的指令，并实时将收集的信息反馈给集成控制系统；通过控制动态自适应系统及其自身部件的运动和对光路的调整和矫形，实现激光喷丸金属板料的动态自适应成形。

所述动态自适应调节与冲击系统是由反射镜，激光头冲击系统，垂直导轨，立柱，横梁，高速摄像系统，照明灯等组成。导轨安装在立柱上，激光头冲击系统可沿着垂直导轨上下运动；横梁上两边分别安装有高速摄像系统；整个动态自适应调节与冲击系统可沿水平运动导轨运动。射入激光束经反射镜反射后射入激光冲击系统，经调节反射，从激光冲击头系统喷嘴射出传输到金属板料表面。

所述激光头冲击系统是由若干反射镜组成的反射镜组，三棱镜，聚焦调节镜组等组成，激光束经调节矫形后，从激光冲击头系统喷嘴射出。

所述动态监测系统是由立杆，横杆，上下调节定位环扣，高速摄像系统，照明灯等组成，横杠通过上下调节定位环扣固定在立杆上，横杆两边分别装有高速摄像系统和照明灯，整个动态监测系统可沿水平导轨运动。

所述大尺寸金属板料，在进行喷丸成形前，在其表面涂覆能量吸收层用于吸收激光能量，能量吸收层上在喷涂一系列规则分布的细小定位参考点列，在进行喷丸成形时，通过动态自适应调节与冲击系统的高速摄像设备进行准确定位，保证板料在变形后，也能按照规划好的路径进行喷丸。

本发明提供的一种基于导轨运动的大尺寸金属板料激光喷丸成形动态自适应装备及方法，其工作流程如下：

(1)首先通过动态自适应调节与冲击系统的快速成像与定位系统对整个金属板料进行成像，通过金属板料的各边角划定喷丸大致区域，通过大尺寸金属板料上的定位参考点列，划定各定位单元；

(2)在集成控制系统的输入端输入喷丸路径，喷丸过程中，动态自适应调节与冲击系统通过其自身的快速成像与定位系统，按照定位参考点列确定的准确定位单元，准确定位工艺路径确定该时刻在成形工件上喷丸位置的坐标；

(3)通过动态监测系统和动态自适应调节与冲击系统的快速成像与定位系统反馈的板料变形情况，集成控制系统向运动装夹控制系统发出指令，并进一步使运动装夹系统对板料位置进行调整，保证激光喷丸位置的垂直射入；

(4)按工艺路径进行下一个点的喷丸。

实施例三。

一种基于导轨运动的大尺寸金属板料激光喷丸成形动态自适应装备，所述装备的组成包括高能脉冲激光器1、动态自适应调节与冲击系统2、水平导轨3、运动装夹系统4、动态监测系统5、集成控制系统6、大尺寸金属板料7、激光器控制系统8、运动装夹控制系统9、动态监测控制系统10；所述集成控制系统6分别与所述激光控制系统8、运动装夹控制系统9、动态监测控制系统10和动态自适应调节与冲击系统2电连接；

其中，所述激光控制系统8和高能脉冲激光器1电连接，以控制激光器的开启和激光输出参数；所述运动装夹控制系统9和运动装夹系统4电连接，以控制装夹运动系统4的运动；所述动态监测控制系统10和动态监测系统5电连接，以控制动态监测系统5的运动；

所述集成控制系统6对所述激光控制系统8、运动装夹控制系统9、动态自适应调节与冲击系统2和动态监测控制系统10进行控制并接受所述激光控制系统8、运动装夹控制系统9、动态自适应调节与冲击系统2和动态监测控制系统10反馈的信息，进而实现激光喷丸金属板料的动态自适应成形。

更进一步的，所述动态自适应调节与冲击系统2是由反射镜11、激光头冲击系统12、立柱16、横梁17、竖直导轨18、高速成像与定位系统19和照明灯20等组成，其中

竖直导轨18安装在立柱16上，激光头冲击系统12可沿着竖直导轨18上下运动；横梁17上两边分别安装有高速成像与定位系统19；整个动态自适应调节与冲击系统2可沿水平导轨3运动；射入激光束经反射镜11反射后射入激光头冲击系统12。

更进一步的，所述激光头冲击系统12是由至少一个反射镜组成的反射镜组13、三棱镜14以及聚焦调节镜组15组成。

更进一步的，所述动态监测系统5是由立杆21、横杆22、上下调节定位环扣24、高速摄像系统23以及照明灯25组成，其中横杠22通过上下调节定位环扣24固定在立杆21上，并且横杆22两边分别装有高速摄像系统23和照明灯25，整个所述动态监测系统5可沿水平导轨3运动。

更进一步的，所述金属板料在进行喷丸成形前，在其表面涂覆能量吸收层用于吸收激光能量，并在能量吸收层上在喷涂一系列规则分布的细小定位参考点列，在进行喷丸成形时，通过动态自适应调节与冲击系统2的高速成像与定位系统19进行定位，以按照规划好的路径进行喷丸。

并且前述装备的工作流程如下：

(1)首先通过动态自适应调节与冲击系统2的快速成像与定位系统19对所述金属板料进行成像，通过金属板料的各边角划定喷丸区域，并通过所述定位参考点列，将所述喷丸区域划分为定位单元；

(2)在集成控制系统6输入喷丸路径，喷丸过程中，动态自适应调节与冲击系统2通过其自身的快速成像与定位系统19，按照所述定位参考点列确定的定位单元，定位工艺路径；

(3)按所述工艺路径依次进行每一个点的激光喷丸。

并且在每一个点的激光喷丸作业前，还通过动态监测系统5和动态自适应调节与冲击系统2的快速成像与定位系统19反馈的板料变形情况，集成控制系统6向运动装夹控制系统9发出指令，使运动装夹系统4对所述金属板料进行调整，保证激光喷丸位置的垂直射入。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围内。