一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法。冲击强化平台由激光器，机器人，光路，水路，PC机组成，PC机上装有控制系统，控制系统对平台进行集成控制，根据加工对象选定或新建加工工艺参数，进行机器人运动轨迹规划。该方法的高效性体现在轨迹规划过程中对工艺参数、加工曲面的曲率变化、机器人运动的加速度等因素进行了综合考虑，使机器人运动完全匹配激光器出光频率，可让激光器以10HZ甚至20HZ的高频率进行工作，加工效率大幅提升，平台能够达到高速稳定的加工状态。加工过程中实时检测冲击能量值及设备运行的安全状态，若遇异常则自动告警。该控制方法确保了整个激光冲击强化过程的安全高效，达到国际领先水平。先水平。先水平。

【技术实现步骤摘要】
一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人运动轨迹规划、自动化控制和激光冲击强化工艺等技术，具体为根据激光冲击强化工艺优化加工轨迹，对加工对象进行表面冲击强化。

技术介绍

[0002]为提高零部件的应用可靠性和延长使用寿命，表面强化技术与方法得到了广泛应用。表面强化常用的方法有喷丸、锻打和挤压、表面滚压等，喷丸强，利用高速弹丸强烈撞击零部件表面，使其产生形变硬化层并引起残余压应力，残余压应力可以抵消一部分工作载荷(拉应力)，从而提高零件的抗疲劳强度；锻打和挤压能够在材料表面引入一定数值的压力，使物件具有较好的力学性能和使用寿命；表面滚压则是通过一定形式的滚压工具向材料表面施加一定数值压力，使其表面发生局部微小的塑性变形，达到改善表面粗糙度和均匀应力场分布的效果。随着航空航天、核能、交通、武器等高端设备的发展，对零件的表面性能要求也越来越高，传统的表面滚压、喷丸、锻打和挤压等强化技术渐渐难以满足高性能设备的生产要求，而激光冲击强化(Laser shock processing，LSP)技术能很好地解决这些问题，不同于传统表面强化技术，其典型的约束层与吸收保护层原理结构可以显著增加冲击波压力，进而对材料进行强化。这种强化方式具有高压(GPa级)、高能(GW量级)和超高应变率(>106s
‑
1)的特点。显著的提高了材料的疲劳寿命。因激光冲击强化技术具有上述优势，近年来发展迅速，目前主要应用于航空航天与国防军工领域。随着该技术的不断成熟，激光冲击强化技术在船舶制造业、核工业、石油化工行业、生物医疗、轨道交通、电网电力等领域展示出了无可比拟的技术优势，拥有着巨大的应用前景和商业价值。
[0003]目前，受限于激光器设备性能、实时控制技术和离线编程技术等诸多限制，激光冲击强化效率普遍较低，高频率的激光冲击方法的开发将会是提高生产效率的有效手段之一，在复杂自由曲面上的高速运动轨迹规划也一直是激光冲击强化的优化与革新重点所在，目前国内在激光强化过程的实时监测和过程控制方面也亟待突破。

技术实现思路

[0004]为克服上述零件激光冲击强化过程中遇到的问题，本专利技术提出一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，通过轨迹规划与工艺参数相匹配、平台的设备集成控制、实时在线能量监测的方法，实现了高效的激光冲击强化加工过程。
[0005]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术涉及一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，包括以下步骤：
[0007]平台参数初始化：控制系统输出指令对平台的设备进行初始化参数设置；
[0008]加工轨迹规划：选定加工对象，确定加工参数，根据加工参数进行加工轨迹规划；
[0009]工件的强化加工过程控制：根据加工工艺参数，控制系统输出指令控制光路、水路的运行状态，并完成激光器的开启及能量、频率设置；控制机器人运动到目标位置，与激光
器协调工作，完成工件的强化加工；
[0010]加工过程中的能量及设备状态实时监测：控制过程中实时检测冲击能量值及设备运行的安全状态，并将主要加工数据进行记录，若遇异常则自动告警。
[0011]控制系统输出指令对平台的设备进行初始化参数设置，包括以下步骤：
[0012]步骤1.1：控制系统输出指令控制光路平台带动聚焦透镜在激光光路上移动，用于改变工件被击打时的光斑直径大小；
[0013]步骤1.2：控制约束层送水装置开闭，调节送水流量大小；
[0014]步骤1.3：控制系统输出指令控制激光器完成预燃、放电、开光闸、能量、频率、脉宽参数设置。
[0015]根据加工对象的加工工艺参数，完成轨迹机器人的加工轨迹规划，包括以下步骤：
[0016]步骤2.1：根据加工对象，从控制系统配备的工艺数据库中，选定或新建加工工艺参数，工艺参数包含光斑大小D，搭接率P，激光出光频率H，能量大小E；
[0017]步骤2.2：根据加工区域计算机器人运动轨迹点及激光入射姿态，计算机器人末端加持待加工对象依次进过各个运动轨迹点的过程中，在每段直线段起始端点的机器人运动速度V和达到匀速运动状态的时间t以及规划机器人末端姿态完成分段激光冲击加工；
[0018]所述计算机器人运动速度V由光斑大小D，搭接率P，激光出光频率H计算得到：
[0019]V＝D*(1
‑
P)*H
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(1)
[0020]机器人达到匀速运动状态的时间t计算公式如下：
[0021]t＝V/a
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(2)
[0022]工件的强化加工过程，包括以下步骤：
[0023]步骤3.1：根据强化区域和工件的表面形态，确定约束水冲击位置；
[0024]步骤3.2：控制系统控制光路、水路的打开、激光器的开启及能量、频率设置；
[0025]步骤3.3：机器人末端加持待加工对象按照轨迹点依次运动到指定目标位置，与激光器、约束层送水装置协调运动，完成工件的强化加工；其中在强化加工过程中，对于要入射姿态非垂直的加工位置p
i
所产生的能量影响进行能量补偿。
[0026]所述机器人末端与激光器、约束层送水装置协调运动，包括以下步骤：
[0027]控制系统接收到开始加工指令后控制机器人按规划轨迹进行运动，运动过程中通过激光器与机器人的信号交互，根据t的大小在控制系统中调节激光器触发激光器出光的时机，使机器人运动与激光强化位置相匹配，使得强化工件表面状态均匀稳定；
[0028]其中，加工前通过移动约束层送水装置，使得送水位置跟随激光强化位置。
[0029]所述对于入射姿态非垂直的加工位置所p
i
产生的能量影响进行能量补偿，包括以下步骤：
[0030]由于干涉、遮挡等情况的存在，激光强化的入射角度θ
i
并不总等于90
°
，根据区域法向及机器人末端实际姿态计算入射角度θ
i
；
[0031]p
i
点的设置能量E
i
、表面强化所需理论能量E0和入射角θ
i
的关系为：
[0032]E
i
＝E0/sin(θ
i
)。
[0033]所述加工过程中的能量及设备状态实时监测，控制过程中检查能量大小及安全状态，若遇异常停止加工，自动关闭激光器，机器人停止运动，包括以下步骤：
[0034]步骤4.1：实时检查激光输出的加工能量值E
Mi
，与E
i
比较,得偏差E
err
＝E
Mi
‑
E
i
,若
E
err
大于准许误差则告警；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：平台参数初始化：控制系统输出指令对平台的设备进行初始化参数设置；加工轨迹规划：选定加工对象，确定加工参数，根据加工参数进行加工轨迹规划；工件的强化加工过程控制：根据加工工艺参数，控制系统输出指令控制光路、水路的运行状态，并完成激光器的开启及能量、频率设置；控制机器人运动到目标位置，与激光器协调工作，完成工件的强化加工；加工过程中的能量及设备状态实时监测：控制过程中实时检测冲击能量值及设备运行的安全状态，并将主要加工数据进行记录，若遇异常则自动告警。2.根据权利要求1所述的一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，其特征在于，控制系统输出指令对平台的设备进行初始化参数设置，包括以下步骤：步骤1.1：控制系统输出指令控制光路平台带动聚焦透镜在激光光路上移动，用于改变工件被击打时的光斑直径大小；步骤1.2：控制约束层送水装置开闭，调节送水流量大小；步骤1.3：控制系统输出指令控制激光器完成预燃、放电、开光闸、能量、频率、脉宽参数设置。3.根据权利要求1所述的一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，其特征在于，根据加工对象的加工工艺参数，完成轨迹机器人的加工轨迹规划，包括以下步骤：步骤2.1：根据加工对象，从控制系统配备的工艺数据库中，选定或新建加工工艺参数，工艺参数包含光斑大小D，搭接率P，激光出光频率H，能量大小E；步骤2.2：根据加工区域计算机器人运动轨迹点及激光入射姿态，计算机器人末端加持待加工对象依次进过各个运动轨迹点的过程中，在每段直线段起始端点的机器人运动速度V和达到匀速运动状态的时间t以及规划机器人末端姿态完成分段激光冲击加工。4.根据权利要求3所述的一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，其特征在于，所述计算机器人运动速度V由光斑大小D，搭接率P，激光出光频率H计算得到：V＝D*(1
‑
P)*H
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(1)机器人达到匀速运动状态的时间t计算公式如下：t＝V/a
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(2)。5.根据权利要求1所述的一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，其特征在于，工件的强化加工过程，包括以下步骤：步骤3.1：根据强化区域和工件的表面形态，确定约束水冲击位置；步骤3.2：控制系统控制光路、水路的打开、激光器的开启及能量、频率设置；步骤3.3：机器人末端加持待加工对象按照轨迹点依次运动到指定目标位置，与激光器、约束层送水装置协调运动，完成工件的强化加工；其中在强化加工过程中，对于要入射姿态非垂直的加工位置p
i
所产生的能量影响进行能量补偿。6.根据权利要求5所述的一种基于工艺参数匹配的高效激光冲击强化控制方法，其特征在于，所述机器人末端与激光器、约束层送水装置协调运动，包括以下步骤：控制系统接收到开始加工指令后控制机器人按规划轨迹进行运动，运动过程中通过激光器与机器人的信...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘殿海，李论，赵吉宾，周波，乔红超，朱光，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：