可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头制造技术

本发明专利技术公开了一种可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头，该装置可用于激光熔覆领域。其结构主要包括：连接筒,喷头主体，可变的光路系统，可调送粉位置系统和喷嘴,喷嘴的外部具有冷却水套和四连杆机构的安装耳，在上端开有内保护气进气口。喷头所有可动部分均由伺服电机驱动，通过滚珠丝杠将旋转运动转换为滑块的直线运动。本发明专利技术能够连续的改变光斑直径和送粉位置，并且能够调节光斑位置使之与粉末流汇聚焦点重合，很好的解决了激光熔覆中熔覆效率和熔覆精度之间的矛盾，有助于实现复杂曲面激光熔覆工艺。

Coaxial powder feeding nozzle capable of automatically adjusting light spot and powder feeding position

The invention discloses a coaxial powder feeding nozzle which can automatically adjust the spot and the powder feeding position. The structure mainly comprises a connecting tube, a nozzle body, the optical system variable, adjustable powder feeding position system and nozzle, the nozzle has the external cooling water jacket and the four connecting rod mechanism installed in the ear, is provided with protective gas inlet. All movable parts of the spray head are driven by a servo motor, and the rotary motion is converted into a linear motion of the slider through a ball screw. The invention can continuously change the beam diameter and the powder feeding position, and can adjust the spot position to coincide with the powder flow focal point, effectively solves the contradiction between laser cladding cladding cladding efficiency and precision, contribute to the realization of complex surface laser cladding process.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光加工应用领域，涉及激光立体成型和激光熔覆，尤其涉及激光熔覆中的可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头。
技术介绍
激光熔覆技术是指利用高能激光束将金属粉末融化，并沉积到基体表面，形成与基体以冶金方式结合的金属涂层。可以应用该技术对零件表面进行强化、修复零件的受损区域或者直接堆积制造出具有复杂结构的零件实体。激光熔覆技术一个最大的优势是能够直接制造结构复杂的零件，但在实际操作中面临许多难以解决的问题。结构复杂的零件上特征较多，结构尺寸也存在差异。如果选用较小的光斑进行加工，固然能够保证加工精度，却降低了加工效率；激光熔覆中存在的台阶效应，严重影响着加工零件的表面质量，这一不利影响在对复杂曲面进行熔覆时表现的更为突出。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构简单，能够连续改变激光熔覆光斑直径大小和送粉位置，以及能够保证粉末流汇聚焦点和激光束汇聚焦点相互重合的可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的一种可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头，包括：连接筒、喷头主体、可变光路系统、可调送粉位置系统以及喷嘴；所述连接筒上端与光纤激光器连接，下端与喷头主体连接；所述喷嘴由喷嘴内筒和冷却水套组成；所述的喷嘴内筒上部设计有保护镜片的安装位置和与喷头主体连接的法兰连接部，在中部圆柱部分设计有均匀分布的保护气体的进气口，在锥形部分对称的开有冷却水进水口和和出水口，在外周均匀分布安装耳；所述的冷却水套，呈倒锥形，内部具有环形的分水层；所述喷头主体为中空的圆柱体，喷头主体两侧开有与圆柱轴线平行的槽口；喷头主体上下两端的安装板上设计有伺服电机、滚珠丝杠副和导轨的安装部位；并设有分别与连接筒及喷嘴内筒连接的接口；所述可变光路系统包括位置调节系统和光路系统两部分；所述的位置调节系统由两组完全相同的结构组成，两组结构对称安装在喷头主体的安装板上；每组结构都可以独立运动，分别用于调节透镜A和透镜B的位置；每组结构都包括圆柱导1、透镜压片、透镜托架、导轨滑块1、丝杠支撑座、伺服电机、连轴器、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、导轨滑块2；所述伺服电机以螺栓固定在喷头主体上端安装板上，所述丝杠支撑座固定在喷头主体下端的安装板上；所述伺服电机与联轴器相连；所述滚珠丝杠一端与联轴器相连，另外一端与丝杠支撑座相连；滚珠丝杠上安装有滚珠丝杠螺母；所述圆柱导轨1两端具有螺纹，通过螺母固定在喷头主体上；所述的导轨滑块1具有一个连接口，安装在圆柱导轨1上；导轨滑块1的连接口通过喷头主体侧方的槽口与透镜托架的一端连接；所述的导轨滑块2具有两个连接口，安装在对称侧的圆柱导轨1上面，其中一个连接口与滚珠丝杠螺母连接，另一个连接口通过圆柱筒侧方的槽口与透镜托架的另外一端连接；所述光路系统由扩束镜、凸透镜A和凸透镜B组成，它们的中心在一条直线上，并且在调节过程中保证透镜A和透镜B之间的距离大于凸透镜A（3.4）和凸透镜B（3.5）的焦距之和；凸透镜A和凸透镜B都安装在透镜托架上，由透镜压片固定；当导轨滑块运动时带动凸透镜，在喷头主体的中空部分移动，改变光路。所述位置调节系统中为了保证透镜移动的平稳性，透镜托架两侧分别导轨滑块1和导轨滑块2连接；为了简化结构，同侧的导轨滑块1和导轨滑块2共用一根圆柱导轨1。所述的可变送粉位置系统包括：连杆系统和调节机构两部分；所述的连杆系统由多个四连杆机构组成。每个四连杆机构包括销、摆杆、螺栓螺母连接副、连杆、摆杆、导向板、调节块1和调节块2；调节块1和调节块2通过螺栓螺母连接副固定于导向板的滑槽之中；连杆的一端与喷嘴内筒上的连接耳以销连接，另一端和调节块2通过螺栓螺母连接副固定；摆杆一端与调节块1通过销连接，另外一端与导轨滑块3通过销连接；所述导向板末端都固定有一个喷粉管；所述的导向板和与调节块1及调节块，调节块2和连杆之间以螺栓螺母连接副固定，可以通过改变调节块1与调节块2之间的距离和连杆与导向板之间的夹角获得不同结构参数的四连杆机构，使得送粉喷头具有多个不同的粉末流汇聚焦距变化段可选，使得送粉位置更加多样化；所述调节系统由两组对称安装在喷头主体的两侧的相同结构组成，每一组结构都包括伺服电机、连轴器、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、丝杠支撑座、圆柱导轨2、导轨滑块3、横杆1和横杆2；伺服电机、连轴器、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、丝杠支撑座、圆柱导轨2和导轨滑块3的安装方式与之前所述可变光系统的位置调节系统各对应装置的连接方式相同；所述的导轨滑块3同样具有两个连接接口，其中一个与横杆1的一端连接，同时横杆1和滚珠丝杠螺母连接；所述调节系统的两组结构以横杆2刚性连接，保证所有送粉管在调节过程中能够同步运动。这样通过滚珠丝杠副将电机的旋转运动转变为直线运动，并带动导轨滑块3沿圆柱导轨2作直线运动，以此改变摆杆与喷头主体轴线之间的夹角。作为改进，所述连接筒的上端设有外螺纹，连接筒通过外螺纹与光纤激光器连接作为改进，所述连接筒的下端有与喷头主体连接的连接法兰，连接筒通过连接法兰与喷头主体连接。作为改进，所述喷嘴内筒和冷却水套通过焊接或螺纹连接的方式连接。作为改进，所述进气口的数量为三个。本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术是第一款能够同时调节送粉位置及光斑的直径大小、精确控制光斑位置的同轴喷头。连续变光斑直径设计，解决了激光熔覆效率和加工精度之间的存在的矛盾；可变送粉位置的设计可以针对不同的粉末选取最佳送粉位置，保证粉末的汇聚性和稳定性；能精确控制光斑位置，可以保证粉末流汇聚焦点和光斑的重合，提高金属粉末的利用率；（2）本专利技术完全放弃了采用离焦法改变光斑直径大小的设计思路，采用由扩束镜和两个凸透镜组成的可调节光路，可以有效实现连续改变光斑的直径大小和精确控制光斑位置的目的。能够根据需要适时的改变光斑直径大小，是解决激光熔覆精度和熔覆效率的有效途径；1.送粉位置调节系统采用连杆机构，结构简单可靠，并且连杆机构的参数是可调的。不同的连杆参数之下，具有不同的粉末流汇聚焦距调节段，在每个调节段内焦距连续变化。增加了喷嘴对性质差异较大金属粉末的适应性。2.不仅总体结构简单，而且各零部件形状也较为简单易于加工制造。喷头主要部件之间为可拆卸连接，方便维修和更换易损部件。驱动件选择了伺服电机，传动部件为滚珠丝杠副，导向部件为直线导轨，保证了控制精度和运动精度。附图说明图1为本专利技术的总体结构图；图2为本专利技术的可变光路系统结构图；图3为本专利技术的光路调节原理示意图；图4为本专利技术的可调送粉位置系统结构图；图5为本专利技术的四连杆机构结构图；图6为本专利技术的喷嘴结构图；图中：1、连接筒，1.1、扩束镜，2、喷头主体，3、可变光路系统，3.1、圆柱导轨1,3.2、透镜压片，3.3、透镜托架，3.4凸透镜A,3.5凸透镜B，3.6、导轨滑块1,3.7、丝杠支撑座，3.8、伺服电机，3.9、联轴器，3.10、滚珠丝杠，3.11、滚珠丝杠螺母，3.12、导轨滑块2,3.13、内六角螺钉，3.14、六角螺母，4、可调送粉位置系统，4.1、伺服电机，4.2、联轴器，4.3、圆柱导轨2，4.4、滚珠丝杠，4.5、滚珠丝杠螺母，4.6、横杆1,4.7、横杆2,4.8、导轨滑块3，4.9、滚珠丝杠支撑座，4.10、销，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头，其特征在于：与光纤激光器相连的连接筒（1）、喷头主体（2）、可变光路系统（3）、可调送粉位置系统（4）以及喷嘴（5）；所述连接筒（1）上端与光纤激光器连接，下端与喷头主体（2）连接；所述喷嘴（5）由喷嘴内筒（5.5）和冷却水套（5.7）组成；喷嘴内筒（5.5）上部设有保护镜片（5.3）的安装位置和与喷头主体（2）连接的法兰连接部（5.4），在中部的圆柱部分设有均匀分布的进气口（5.1），在锥形部分对称的开有冷却水进水口（5.6）和出水口（5.8），在外周设计有连接耳（5.2）；所述冷却水套（5.7）呈倒锥形，内部具有环形的分水层；所述喷头主体（2）为中空的圆柱体，喷头主体（2）两侧开有与圆柱轴线平行的槽口，喷头主体（2）上下两端均设有安装板，并设有分别与连接筒（1）及喷嘴内筒（5.5）连接的接口；所述可变光路系统（3）包括位置调节系统和光路系统；所述位置调节系统由两组相同的结构组成，两组结构对称安装在喷头主体（2）的安装板上；每组结构都可以独立运动，每组结构都包括圆柱导轨1(3.1)、透镜压片(3.2)、透镜托架(3.3)、导轨滑块1(3.6)、丝杠支撑座(3.7)、伺服电机（3.8）、连轴器（3.9）、滚珠丝杠（3.10）、滚珠丝杠螺母（3.11）和导轨滑块2(3.12)；所述伺服电机(3.8)固定在喷头主体(2)上端的安装板上，所述丝杠支撑座（3.7）固定在喷头主体(2)下端的安装板上；所述伺服电机（3.8）与联轴器（3.9）相连；所述滚珠丝杠（3.10）一端与联轴器（3.9）连接，另外一端与丝杠支撑座（3.7）连接；滚珠丝杠（3.10）上安装有滚珠丝杠螺母（3.11）；所述圆柱导轨1（3.1）固定在喷头主体（2）上；所述导轨滑块1（3.6）安装在圆柱导轨1（3.1）上，导轨滑块1（3.6）与透镜托架（3.3）的一端连接；所述导轨滑块2（3.12）安装在相对应的圆柱导轨1（3.6）上，导轨滑块2分别与滚珠丝杠螺母（3.11）和透镜托架（3.3）的另外一端连接； 所述透镜托架（3.3）两侧分别与一个导轨滑块1（3.6）和导轨滑块2（3.12）连接；同侧的导轨滑块1（3.6）和导轨滑块2（3.12）共用一根圆柱导轨1（3.1）；所述光路系统包括扩束镜（1.1）、凸透镜A（3.4）和凸透镜B（3.5），它们的中心在一条直线上；所述凸透镜A（3.4）和凸透镜B（3.5）都安装在透镜托架（3.3）之上，由透镜压片（3.2）固定；所述扩束镜（1.1）安装于连接筒（1）之中；所述可调送粉位置系统(4)包括连杆系统和调节系统两部分；所述连杆系统由多个四连杆机构组成；所述四连杆机构包括销（4.10）、摆杆（4.11）、调节块1（4.12）、螺栓螺母连接副（4.13）、连杆（4.14）、导向板（4.15）和调节块2（4.16）；所述调节块1（4.12）和调节块2（4.16）通过螺栓螺母连接副（4.13）固定于导向板（4.15）；所述连杆（4.14）的一端与喷嘴内筒（5.5）的安装耳（5.2）通过销（4.10）连接，另一端和调节块2（4.16）通过螺栓螺母连接副（4.13）固定；所述摆杆（4.11）一端与调节块1（4.12）通过销（4.10）连接，另外一端与导轨滑块3（4.8）通过销（4.10）连接；所述导向板（4.15）末端固定有喷粉管（4.17）；所述调节系统由两组对称安装在喷头主体（2）两侧的相同结构组成，每一组结构包括伺服电机（4.1）、连轴器（4.2）、圆柱导轨2（4.3）、滚珠丝杠（4.4）、滚珠丝杠螺母（4.5）、横杆1（4.6）、横杆2（4.7）、导轨滑块3（4.8）和滚珠丝杠支撑座（4.9）；所述伺服电机（4.1）、连轴器（4.2）、滚珠丝杠（4.4）、滚珠丝杠螺母（4.5）、丝杠支撑座（4.9）、圆柱导轨2（4.3）和导轨滑块3（4.8）的安装方式与所述可变光系统（3）的位置调节系统各对应装置的连接方式相同；所述导轨滑块3（4.8）分别与横杆1（4.6）和横杆2（4.7）的一端连接；所述横杆1（4.6）和滚珠丝杠螺母（4.5）连接；所述调节系统的两组结构通过横杆2（4.7）刚性连接。...

【技术特征摘要】
1.一种可自动调节光斑和送粉位置的同轴送粉喷头，其特征在于：与光纤激光器相连的连接筒（1）、喷头主体（2）、可变光路系统（3）、可调送粉位置系统（4）以及喷嘴（5）；所述连接筒（1）上端与光纤激光器连接，下端与喷头主体（2）连接；所述喷嘴（5）由喷嘴内筒（5.5）和冷却水套（5.7）组成；喷嘴内筒（5.5）上部设有保护镜片（5.3）的安装位置和与喷头主体（2）连接的法兰连接部（5.4），在中部的圆柱部分设有均匀分布的进气口（5.1），在锥形部分对称的开有冷却水进水口（5.6）和出水口（5.8），在外周设计有连接耳（5.2）；所述冷却水套（5.7）呈倒锥形，内部具有环形的分水层；所述喷头主体（2）为中空的圆柱体，喷头主体（2）两侧开有与圆柱轴线平行的槽口，喷头主体（2）上下两端均设有安装板，并设有分别与连接筒（1）及喷嘴内筒（5.5）连接的接口；所述可变光路系统（3）包括位置调节系统和光路系统；所述位置调节系统由两组相同的结构组成，两组结构对称安装在喷头主体（2）的安装板上；每组结构都可以独立运动，每组结构都包括圆柱导轨1(3.1)、透镜压片(3.2)、透镜托架(3.3)、导轨滑块1(3.6)、丝杠支撑座(3.7)、伺服电机（3.8）、连轴器（3.9）、滚珠丝杠（3.10）、滚珠丝杠螺母（3.11）和导轨滑块2(3.12)；所述伺服电机(3.8)固定在喷头主体(2)上端的安装板上，所述丝杠支撑座（3.7）固定在喷头主体(2)下端的安装板上；所述伺服电机（3.8）与联轴器（3.9）相连；所述滚珠丝杠（3.10）一端与联轴器（3.9）连接，另外一端与丝杠支撑座（3.7）连接；滚珠丝杠（3.10）上安装有滚珠丝杠螺母（3.11）；所述圆柱导轨1（3.1）固定在喷头主体（2）上；所述导轨滑块1（3.6）安装在圆柱导轨1（3.1）上，导轨滑块1（3.6）与透镜托架（3.3）的一端连接；所述导轨滑块2（3.12）安装在相对应的圆柱导轨1（3.6）上，导轨滑块2分别与滚珠丝杠螺母（3.11）和透镜托架（3.3）的另外一端连接；所述透镜托架（3.3）两侧分别与一个导轨滑块1（3.6）和导轨滑块2（3.12）连接；同侧的导轨滑块1（3.6）和导轨滑块2（3.12）共用一根圆柱导轨1（3.1）；所述光路系统包括扩束镜（1.1）、凸透镜A（3.4）和凸透镜B（3.5），它们的中心在一条直线上；所述凸透镜A（3.4）和...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝敬宾，马国帅，刘昊，李中凯，李聪聪，梁超，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32