激光强化加工中测量激光加工点的装置及方法与流程

本发明涉及激光冲击强化加工领域，尤其涉及一种激光强化加工中测量激光加工点的装置及方法。

背景技术：

激光冲击强化(Laser Shocking Peening，LSP)技术，也称激光喷丸技术。当高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(＞10K)、高压(＞1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。

在现有的激光冲击强化技术中，采用直尺和人工计算的方式测量激光加工点的位置信息，首先人工计算焦点与激光头的距离，然后通过直尺测量出空间焦点相对激光头的位置，进而确定激光加工点的位置，采用这种方法测量的效率和精度较低，误差可达到1-3mm，从而影响激光焦点的集中程度，造成能量的浪费和产品质量的不稳定。

技术实现要素：

本发明主要解决现有技术中测量激光加工点的效率和精度较低的技术问题，提出一种激光强化加工中测量激光加工点的装置及方法，以达到准确测量激光强化加工点位置、提高测量激光加工点的效率和精度目的。

本发明提供了一种激光强化加工中测量激光加工点的装置，包括：激光器(101)、激光头(103)、轨迹机器人(104)和尖锥(106)；

所述激光器(101)出射的激光通过光路系统(102)达到激光头(103)；所述激光头(103)的出射端朝向工件加工区域(107)；

所述轨迹机器人(104)机械手臂的关节转动位置设置有角度传感器，所述轨迹机器人(104)的机械手臂末端与尖锥(106)连接；所述尖锥(106)朝向工件加工区域(107)，并与激光头(103)相对；所述尖锥(106)包括圆盘和设置在圆盘中心的柱状凸起，在柱状凸起顶端贴有像素纸。

进一步的，所述轨迹机器人(104)的机械手臂末端通过法兰盘(105)连接尖锥(106)。

进一步的，所述法兰盘(105)与尖锥(106)通过过盈配合。

对应的，本发明还提供了一种激光强化加工中测量激光加工点的方法，包括以下步骤：

步骤1，将激光器(101)打开到最小功率，激光器(101)出射的激光通过光路系统(102)达到激光头(103)；

步骤2，在激光头(103)上安装发射引导光束的光源，使引导光束与激光头(103)发射激光的中线平行，其中，引导光速为可见光圆柱光束，直径不超过尖锥(106)的直径；

步骤3，控制轨迹机器人(104)，并利用引导光束使尖锥(106)朝向激光头(103)；

步骤4，通过控制轨迹机器人(104)来调节尖锥(106)的位置，当激光焦点与像素纸重合时，像素纸变色，此时变色部位为激光焦点；

步骤5，读取轨迹机器人(104)各关节位置，并通过各关节位置得出激光焦点的空间坐标。

本发明提供的一种激光强化加工中测量激光加工点的装置及方法，能够准确测量激光强化加工点位置，提高测量激光加工点的效率和精度，与现有技术相比，具有以下优点：

1、测量精度高：本发明采用轨迹机器人测量激光加工点位置，轨迹机器人关节处配有高精度角度传感器，轨迹机器人控制系统根据传感器传回的数据，通过计算得出空间坐标点位置，测量精度非常高。

2、测量准确：利用像素纸遇一定强度的特殊光照变色的原理，通过尖锥顶部粘贴的像素纸变色来确定激光加工点位置，测量值更准确。

3、测量出激光中线：本发明采用辅助引导光束在尖锥上的投影来确定激光中线的方向，这样当加工件表面法线与激光中线垂直时，激光冲击强化的能量利用率最好。

附图说明

图1是本发明提供的激光强化加工中测量激光加工点的装置的结构示意图；

图2是尖锥的结构示意图；

图3是法兰盘和尖锥的截面图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明提供的激光强化加工中测量激光加工点的装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的激光强化加工中测量激光加工点的装置包括：激光器101、激光头103、轨迹机器人104和尖锥106。

所述激光器101出射的激光通过光路系统102达到激光头103，光路系统102例如为两个延长线垂直的平面镜，通过两个平面镜能够将激光传到激光头103。所述激光头103的出射端朝向工件加工区域107；所述轨迹机器人104机械手臂的关节转动位置设置有角度传感器，所述轨迹机器人104的机械手臂末端与尖锥106连接；所述尖锥106朝向工件加工区域107，并与激光头103相对。具体的，所述轨迹机器人104的机械手臂末端通过法兰盘105连接尖锥106，法兰盘105与尖锥106通过螺钉108和定位销连接。图2是尖锥的结构示意图。图3是法兰盘和尖锥的截面图。参照图1、2和3，所述法兰盘105与尖锥106通过过盈配合。法兰盘105，能够调整尖锥106中心线与轨迹机器人104机械手臂末端连接面的垂直度。所述尖锥106包括圆盘和设置在圆盘中心的柱状凸起，在柱状凸起顶端贴有像素纸。像素纸是一种感光纸，在特殊光线达到一定强度的情况下，在纸上光照的部位将会变色，本发明利用像素纸寻找光线聚焦的点。

本发明装置的工作过程：激光器101发出的激光束，通过安装在激光器101正前方的光路系统102直接传输到工件加工区域107或者通过光路系统102和激光头103传输到工件加工区域107，对加工工件起到强化作用。六自由度的轨迹机器人104能够带动尖锥106移动，通过反复实践，找到激光加工点位置。轨迹机器人104在找到加工点位置之后，利用轨迹机器人104关节上的角度传感器传出的数据，经过控制系统的计算，得出轨迹机器人104末端尖锥106尖部的空间坐标，即激光加工点位置。进一步，将此空间坐标传给激光加工设备的工件移动装置，工件移动装置根据坐标移动待加工件，使待加工件表面加工位置正好处于激光加工点。

本发明实施例还提供一种激光强化加工中测量激光加工点的方法，在加工工件之前，待加工工件尚未进入加工区域，此时启动激光强化加工中测量激光加工点的装置对激光聚焦焦点(激光加工点)的位置坐标进行测量。尖锥106尖部粘贴一张像素纸，使尖锥106指向激光头103。激光器101的光束能够通过光路系统102达到激光头103进而打到像素纸上。

本发明实施例提供的激光强化加工中测量激光加工点的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将激光器101打开到最小功率，激光器101出射的激光通过光路系统102达到激光头103。

步骤2，在激光头103上安装发射引导光束的光源，调整光源使引导光束与激光头103发射激光的中线平行，其中，引导光速为附加小型可随时拆除的设备,该设备发出细小的可见光圆柱光束，直径不超过尖锥106的直径。

步骤3，尖锥106初始时尖部上粘贴一块像素纸，之后根据激光头上安装的引导光束发出的圆柱光,控制轨迹机器人104，由于引导光束与激光头103中心线平行,因此可以利用引导光束使尖锥106朝向激光头103；尖锥大致位置确定后关闭引导光束。

步骤4，通过控制轨迹机器人104不断调节尖锥106的位置，当激光焦点与像素纸重合时，像素纸变色，此时变色部位为激光焦点，即待加工工件的加工点。具体的，像素纸当很弱的激光经过激光头103聚焦后，焦点位置可使像素纸变色，像素纸变色后平移焦点位置至尖锥106的尖部，此时尖锥106的尖部就是激光焦点。

步骤5，当尖锥106尖部像素纸变色时，轨迹机器人104自带控制系统读取轨迹机器人104各关节位置，并通过各关节位置得出激光焦点的空间坐标。

本发明的方法借助机器人测量系统得到测点的位置。测量激光加工点位置信息包含6个维度(x、y、z、rx、ry、rz)，精度为0.1mm。驱动机器人进行激光冲击强化加工的数据是加工点的位置和法矢，即一个六维数据点集(x、y、z、rx、ry、rz)。这种测控加工一体化的方法要求在测量过程中不仅给出测点的位置(x,y,z)，还要通过相应程序计算得出测点的姿态,即法矢(rx，ry，rz)，以便为后续加工程序做准备。其中，法矢的测量原理：根据微分几何原理,曲面上不在直线上的三点距离足够近时,其形成的平面可以近似作为该点切平面。因此，机器人在测量加工点时,首先通过步骤5读取激光加工点的位置(x0，y0，z0)，再在激光加工点附近任意选取不在一条直线上的三点，三点位置距离激光加工点越近越好，此三点称为密测点，分别测出这三个点的(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)，通过这三个密测点的位置坐标计算出此三点所在的平面，那么该三点形成平面的法矢可近似作为测点的法矢，即法矢(rx，ry，rz)。

另外，由于当待加工工件表面法线与激光中线垂直时，激光冲击强化的能量利用率最好，并且确定激光中线方向可以使像素纸受光变色时光斑更小，可以增加测量加工点位置精度。所以本发明采用辅助引导光束在尖锥上的投影来确定激光中线的方向。具体的，在设备测量加工点之前，首先设置引导光束与中线方向平行，然后将尖锥106的尖部指向引导光束的光源，引导光束为可见光，照射在尖锥106的面上形成一个圆锥光斑，通过人工调整轨迹机器人104，使圆锥光斑成为正圆锥，此时尖锥106的中线方向就是引导线的中线方向，也就是激光头中线的方向，此时记录轨迹机器人104传感器信息，通过系统计算得出激光头中线的方向。

本实施例的激光强化加工中测量激光加工点的方法，通过引导光束找到激光加工点的大致位置，移动尖锥106到激光加工点附近，尖锥106上贴有像素纸，激光打到像素纸上，会在像素纸上留下痕迹，通过像素纸上的痕迹点判断激光加工点与尖锥106是否重合，在这过程中，不断调整尖锥106位置，直到与激光加工点重合。然后在机器人自带控制系统中读出尖锥的坐标位置，继而得出激光加工点位置。测量过程中不仅获取了测点位置,还得到姿态信息，位姿数据被后续加工利用，使得测量和加工紧密结合。

本发明基于声压特征的激光强化加工中测量激光加工点的方法可由本发明任意实施例提供的激光强化加工中测量激光加工点的装置来实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。