一种带筋壁板激光喷丸成形系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种带筋壁板激光喷丸成形系统及方法，主要包括高能脉冲激光器及其控制单元、动态自适应调节定位与冲击单元、运动装夹单元、动态监测单元、带筋壁板、集成控制单元等；所述激光控制单元用于控制激光器的开启和激光各项输出参数变换控制，并将相关信息实时传送至集成控制单元；所述运动装夹单元用于控制装夹运动单元的运动，并将信息反馈给集成控制单元；所述动态监测单元将信息反馈给集成控制单元；所述动态自适应调节定位与冲击单元实时将收集的信息反馈给集成控制单元；通过控制动态自适应单元及其自身部件的运动和对光路的调整和矫形，实现激光喷丸带筋壁板的动态自适应成形。本发明专利技术结构简单、控制逻辑清晰、工作可靠、定位精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光喷丸成形
，尤其涉及一种用在飞机带筋壁板上的激光喷丸成形系统以及该成形方法。
技术介绍
带筋壁板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，机匣等。为了使这些板料能够在极端的工况条件下稳定而有效地工作，它们通常会在板料的一侧加上加强筋提高和改善其各项性能。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。如公开号为CN201510982987的专利技术专利“高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法”，该专利通过以下方式:(1)对高筋条整体壁板的特定装卡固定，(2)在高筋条整体壁板的两端施加指向蒙皮内侧的力，中部施加指向蒙皮外侧的力，(3)在该高筋条整体壁板上确定喷丸区域，在其外表面按照预定的喷丸轨迹进行喷丸,实现了带筋壁板的扭曲变形。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。且对于带筋壁板冲击，对肋板与基板结合区域存在喷丸死角，无法完全满足加工要求。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，加工柔性好，可对边角等机械喷丸无法完成的区域实现加工，生产过程简单快捷。目前现有采用激光喷丸成形金属板料的专利，主要是对一些非带筋壁板进行加工，且或多或少存在不足或缺陷。如专利号为ZL01134063.0的专利技术专利“一种激光冲击精密成形方法及装置”,该专利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。又如，专利号为200510040116.9的专利技术专利“中厚板材激光喷丸成形的方法和装置”，该专利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。再如，专利号为200810019757.X的专利技术专利“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”，该专利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。再如，申请号为201510197097.4的专利技术专利“一种用于大型工件激光喷丸成形的光路装置及方法”，该专利利用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。但是，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。最后，如美国MIC公司公开号为US20110253690A1的专利“FLEXIBLE BEAM DELIVERY SYSTEM FOR HIGH POWER LASER SYSTEMS”，该专利在路径实现上，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以实时监测带筋壁板的动态应变过程并自动再规划加工路径，实现带筋壁板的动态自适应制造的激光喷丸成形系统。本专利技术的另一目的在于，提供一种基于上述激光喷丸成形系统的成形方法。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种带筋壁板激光喷丸成形系统，该成形系统主要包括激光器、激光控制器、用于确定加工位置并实施冲击的定位与冲击单元、第一水平运动导轨、第二水平运动导轨、用于装载需要加工工件的装夹单元、用于实时检测带筋壁板应变过程的动态监测单元、以及用于控制并调度各单元协调工作的集成控制单元。所述集成控制单元分别与激光控制器、定位与冲击单元、装夹单元和动态监测单元连接。待加工的带筋壁板安装在装夹单元上。所述定位与冲击单元位于装夹单元的一侧(带筋壁板的正面)，并安装在第一水平运动导轨上，定位与冲击单元可在第一水平导轨上左右移动。所述动态检测单元位于装夹单元的另一侧(带筋壁板的背面)，并安装在第二水平运动导轨上，动态监测单元可沿第二水平导轨左右移动。所述激光控制器用于控制激光器的开闭及各种激光参数的变换。所述集成控制单元与装夹单元相连，用于控制装夹单元的运动。装夹单元将信息反馈给集成控制单元，并接受集成控制单元的指令；根据板料变形量的大小和变形量的要求，对板料的位置作出适当调整。具体的，所述动态监测单元将带筋壁板的应变量、应变过程及应变情况实时反馈给集成控制单元。动态监测单元主要包括第一底座、立杆、第一横杆、第二横杆、高速摄像装置、定位环扣和第一照明灯。所述立杆竖直安装在第一底座上，第一底座通过滑轮与第一遂平导轨连接。所述第一横杆和第二横杆通过定位环扣水平安装在立杆上；第一横杆与第二横杆之间相隔一段距离，该距离可通过定位环扣调节，以满足不同板筋距离的监测需要，使动态监测单元的监测范围覆盖更广。所述高速摄像装置分别安装在第一横杆和第二横杆的两端，通过图像抓取并分析后获得带筋壁板的动态应变情况并反馈给集成控制单元。所述第一照明灯安装在定位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带筋壁板激光喷丸成形系统，其特征在于，包括激光器、激光控制器、用于确定加工位置并实施冲击的定位与冲击单元、第一水平运动导轨、第二水平运动导轨、用于装载需要加工工件的装夹单元、用于实时检测带筋壁板应变过程的动态监测单元、以及用于控制并调度各单元协调工作的集成控制单元；所述集成控制单元分别与激光控制器、定位与冲击单元、装夹单元和动态监测单元连接；所述定位与冲击单元位于装夹单元的一侧，并安装在第一水平运动导轨上，所述动态检测单元位于装夹单元的另一侧，并安装在第二水平运动导轨上；所述激光控制器用于控制激光器的开闭及各种激光参数的变换；所述动态监测单元主要包括立杆、第一横杆、第二横杆、高速摄像装置、定位环扣和第一照明灯；所述立杆竖直设置，第一横杆和第二横杆通过定位环扣水平安装在立杆上；所述高速摄像装置分别安装在第一横杆和第二横杆的两端，获取带筋壁板的动态应变情况并反馈给集成控制单元；所述第一照明灯安装在定位环扣与高速摄像装置之间。

【技术特征摘要】
1.一种带筋壁板激光喷丸成形系统，其特征在于，包括激光器、激光控制器、用于确定加工位置并实施冲击的定位与冲击单元、第一水平运动导轨、第二水平运动导轨、用于装载需要加工工件的装夹单元、用于实时检测带筋壁板应变过程的动态监测单元、以及用于控制并调度各单元协调工作的集成控制单元；所述集成控制单元分别与激光控制器、定位与冲击单元、装夹单元和动态监测单元连接；所述定位与冲击单元位于装夹单元的一侧，并安装在第一水平运动导轨上，所述动态检测单元位于装夹单元的另一侧，并安装在第二水平运动导轨上；所述激光控制器用于控制激光器的开闭及各种激光参数的变换；所述动态监测单元主要包括立杆、第一横杆、第二横杆、高速摄像装置、定位环扣和第一照明灯；所述立杆竖直设置，第一横杆和第二横杆通过定位环扣水平安装在立杆上；所述高速摄像装置分别安装在第一横杆和第二横杆的两端，获取带筋壁板的动态应变情况并反馈给集成控制单元；所述第一照明灯安装在定位环扣与高速摄像装置之间。2.根据权利要求1所述的带筋壁板激光喷丸成形系统，其特征在于，所述定位与冲击单元包括立柱、以及安装在立柱上的反射镜、横梁、垂直导轨、第二照明灯、自定位摄像装置和激光头；所述立柱和垂直导轨竖直安装，横梁水平安装，所述第二照明灯设置在横梁上，所述自定位摄像装置和激光头均安装在垂直导轨上，可沿导轨上下运动；所述反射镜位于垂直导轨上方，用于将激光引导到激光头。3.根据权利要求2所述的带筋壁板激光喷丸成形系统，其特征在于，所述激光头主要由反射镜组、三棱镜和聚焦调节镜组组成；所述反射镜组用于调整激光光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永康，裴旭，郭钟宁，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44