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技术

本发明专利技术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及方法，其装置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和集成控制系统，并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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械制造领域，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。
技术介绍
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。专利技术专利“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。专利技术专利“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。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”(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。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”(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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；其特征在于，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；所述装夹运动系统4用于装夹金属板料；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。

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于，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；所述装夹运动系统4用于装夹金属板料；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。2.如权利要求1所述的基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应装备，其特征在于，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。3.如权利要求2所述的基于导轨运动的金属板料激光喷丸成形动态自适应装备，其特征在于，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1...

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