一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置及方法制造方法及圖紙

一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置及方法，該裝置包括激光器、動態聚焦及矯形系統、掃描振鏡系統、成形工件、計算機、激光控制卡和運動控制卡，所述激光控制卡和激光器相連，用于控制激光器的開啟和激光的各項參數，運動控制卡同時和動態聚焦及矯形系統以及掃描振鏡系統相連，激光控制卡和運動控制卡均受控于計算機，給定特定的噴丸路徑以后，計算機控制動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統作出相應的運動，激光器發出的高能脈沖激光束經過動態聚焦及矯形系統后發生截面形狀變化和聚焦位置的變化，再經過掃描振鏡系統后指向特定的出射方向，從而通過動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統的連續運動實現激光在大型工件上的掃描噴丸。

【技術實現步驟摘要】
一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置及方法
本專利技術涉及機械制造領域，尤其涉及一種基于高能脈沖激光的激光噴丸光路裝置及方法，其通過激光掃描聚焦和靶面光斑矯形能有效適用于難移動的大型板件的激光噴丸成形。
技術介紹
大型板件成形在航空和國防領域有著廣泛的應用，如飛機的機翼、蒙皮、渦輪發動機葉片等等。為了使這些大型工件能夠在嚴苛的環境中穩定而有效地工作，它們通常被設計成各種復雜的形狀。在生產過程中，在滿足它們復雜外形的同時，也要保證有足夠的力學性能。對于這類板件，傳統的加工方法是機械噴丸成形。這是利用高速彈丸流撞擊金屬表面，使受撞擊的表面及其下層金屬產生塑形變形而延伸，從而造成板材凸起產生彎曲變形的一種成形方法。此方法又發展出了預應力噴丸成形和熱輔助噴丸成形等方法，提高了變形的能力。但是，機械噴丸成形存在以下缺點。首先，機械噴丸產生的預應力較小，變形能力有限；第二，機械噴丸工藝影響因素眾多，難以精確控制，精確仿真存在困難；第三，加工現場環境惡劣，加工完成后彈丸清理過程繁瑣。相比之下，激光噴丸成形更有優越性，可以產生比機械噴丸更大更深的殘余壓應力，大約為機械噴丸的3～5倍，在擁有更強變形能力的同時也增強了對工件表面的強化作用，提高了工件的抗疲勞和抗腐蝕性能。而且，激光噴丸工作環境相對良好，生產過程也更為簡單。激光噴丸成形其中一個技術要點在于噴丸路徑的實現。現有專利“中厚板材激光噴丸成形的方法和裝置”(專利號ZL200510040116.9)提出了一套應用于中厚板材激光噴丸成形系統，其根據生成曲面的形狀通過計算機優化出各項工藝參數，設計好噴丸路徑，控制激光器、導光系統和工作臺的工作進行噴丸。在路徑的實現上，其光路保持不動，利用五軸聯動數控機床控制工件運動，使得激光依路徑在工件上各點實施沖擊。這種設計的缺點在于要讓工件運動，對于更大型的工件，機床運動的難度和耗能將大大增加，若工件過大，將無法固定在機床上實施加工。另一個專利“一種基于激光沖擊波效應的板材雙面精密成形方法及裝置”(專利號200810019757.X)在路徑實現上，沒有采用工件運動的方法，而是采用飛行掃描，通過入射激光導光系統的運動，包括上下和左右的平移，使入射激光按照預定的路徑對豎直板面進行掃描噴丸。該方法的缺點在于整個導光系統運動的實現。首先，要使整個導光系統的運動覆蓋到整個目標靶面，將要占很大的空間，柔性也較差。其次，整個導光系統大范圍的運動難以保證運動過程中各點的位置精度，運動中的振動也可能會對導光系統中的部件產生不良影響。美國MIC公司的專利“FLEXIBLEBEAMDELIVERYSYSTEMFORHIGHPOWERLASERSYSTEMS”(專利號US20110253690A1)在路徑實現上，利用一個萬向節反射鏡的運動改變出射激光的方向，使入射激光按路徑進行掃描，另配合一個望遠鏡聚焦系統調節靶面上的光斑大小，激光的形狀還能通過場旋轉鏡和柱面鏡組的運動來矯正。其優點在于，只需要控制幾個較小部件的運動就可以使激光在靶面上進行噴丸掃描，提高了系統的穩定性。但是，其缺點在于，第一，導光系統中望遠鏡系統和斯托克斯透鏡組相互獨立，鏡片數量較多，構成不夠簡單；其二，萬向節反射鏡運動機構復雜，保證運動精度較為困難。
技術實現思路
本專利技術針對上述現有技術中存在的不足，提供一種用于大型工件激光噴丸的光路裝置及方法，能夠通過光路中幾個部件較小的運動實現激光對大型板件的掃描噴丸，并充分簡化光路，從而方便地實現工藝設計好的噴丸路徑，同時矯正激光在工件表面形成的光斑的形狀，使其滿足工藝要求。為達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案如下：一種用于大型工件激光噴丸的光路裝置，包括激光器、動態聚焦及矯形系統、掃描振鏡系統、成形工件(靶面)、計算機、激光控制卡和運動控制卡，所述激光控制卡和激光器相連，用于控制激光器的開啟和激光的各項參數，所述運動控制卡同時和動態聚焦及矯形系統以及掃描振鏡系統相連，所述激光控制卡和運動控制卡均受控于計算機，給定特定的噴丸路徑以后，計算機控制動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統作出相應的運動，激光器發出的高能脈沖激光束經過動態聚焦及矯形系統后發生截面形狀變化和聚焦位置的變化，再經過掃描振鏡系統后指向特定的出射方向，從而通過動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統的連續運動實現激光在大型工件上的掃描噴丸。所述的動態聚焦及矯形系統，包括兩個凹柱面透鏡和一個球面凸透鏡。三面透鏡按激光束發射的方向依次排布，其軸線都位于激光束的光軸上。兩個凹柱面透鏡的柱面母線保持正交，且均可獨立地沿光軸方向平移，還可以同步地繞光軸旋轉。所述的掃描振鏡系統，包括x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡。所述的x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡，是可以繞自身轉軸轉動的平面反射鏡。其中x方向掃描振鏡可繞自身的y方向的轉軸轉動，z方向掃描振鏡可繞自身的x方向的轉軸轉動。其轉動由伺服電機或具有相同功能的部件驅動，受到運動控制卡的控制。激光束打在成形工件的原點位置時，激光束依次落在x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡的中心上。x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡的轉動將改變激光束出射的方向，此時應保持激光束全部落在x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡的有效反射范圍內。所述運動控制卡，用于控制兩個凹柱面透鏡以及x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡的運動。計算機是本專利技術的操作界面，激光控制卡和運動控制卡均受控于計算機。本專利技術提供的一種用于大型工件激光噴丸的光路方法，采用上述的光路裝置來實現，其工作流程如下：(1)首先在計算機上輸入噴丸路徑。掃描過程中的某一時刻，計算機按工藝路徑確定該時刻在成形工件上掃描位置的坐標；(2)計算機根據坐標計算兩個凹柱面透鏡以及x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡應有的位姿，控制運動控制卡，運動控制卡控制兩個凹柱面透鏡以及x方向掃描振鏡和z方向掃描振鏡運動到相應位姿；(3)激光控制卡控制脈沖激光束從激光器發出，先通過動態聚焦及矯形系統，脈沖激光束的截面形狀和聚焦位置發生變化，再通過掃描振鏡系統，脈沖激光束的傳播方向改變，打到成形工件上的相應坐標；(4)按工藝路徑進行下一個點的噴丸。本專利技術的有益效果如下：(1)通過幾個緊湊的部件的運動實現了大型工件的激光噴丸，裝置所占空間小，運動能量消耗小，柔性較好；(2)光路裝置布置簡單，運動簡單而且運動范圍小，精度容易保證，工件靶面上的光斑搭接率和掃描速度都能方便調節；(3)通過柱面透鏡組改變了入射激光的截面形狀，從而將在工件靶面上的噴丸光斑矯正為圓形，滿足工藝要求。附圖說明圖1是本專利技術所提供的用于大型工件激光噴丸的光路裝置示意圖；圖2是本專利技術掃描振鏡系統示意圖；圖3是本專利技術動態聚焦原理示意圖；圖4是本專利技術一實施例動態聚焦效果示意圖；圖5是本專利技術柱面透鏡組原理示意圖；圖6是本專利技術柱面透鏡組效果示意圖。圖中：1.激光器、2.脈沖激光束、3.第一凹柱面透鏡、4.第二凹柱面透鏡、5.球面凸透鏡、6.動態聚焦及矯形系統、7.掃描振鏡系統、8.成形工件(靶面)、9.工件夾具、10.計算機、11.激光控制卡、12.運動控制卡、13.x方向掃描振鏡、14.z方向掃描振鏡、15.未動態聚焦光斑、16.有動態聚焦光斑、17.無矯形系統光斑、18.有矯形系統光斑。具體實施方式下面結合說明書本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置，其特征在于，包括激光器(1)、動態聚焦及矯形系統(6)、掃描振鏡系統(7)、成形工件(8)、計算機(10)、激光控制卡(11)和運動控制卡(12)，所述激光控制卡和激光器相連，用于控制激光器的開啟和激光的各項參數，所述運動控制卡同時和動態聚焦及矯形系統以及掃描振鏡系統相連，所述激光控制卡和運動控制卡均受控于計算機，給定特定的噴丸路徑以后，計算機控制動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統作出相應的運動，激光器發出的高能脈沖激光束經過動態聚焦及矯形系統后發生截面形狀變化和聚焦位置的變化，再經過掃描振鏡系統后指向特定的出射方向，從而通過動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統的連續運動實現激光在大型工件上的掃描噴丸。

【技術特征摘要】
1.一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置，其特征在于，包括激光器(1)、動態聚焦及矯形系統(6)、掃描振鏡系統(7)、成形工件(8)、計算機(10)、激光控制卡(11)和運動控制卡(12)，所述激光控制卡和激光器相連，用于控制激光器的開啟和激光的各項參數，所述運動控制卡同時和動態聚焦及矯形系統以及掃描振鏡系統相連，所述激光控制卡和運動控制卡均受控于計算機，給定特定的噴丸路徑以后，計算機控制動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統作出相應的運動，激光器發出的高能脈沖激光束經過動態聚焦及矯形系統后發生截面形狀變化和聚焦位置的變化，再經過掃描振鏡系統后指向特定的出射方向，從而通過動態聚焦及矯形系統和掃描振鏡系統的連續運動實現激光在大型工件上的掃描噴丸。2.根據權利要求1所述的用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置，其特征在于，所述動態聚焦及矯形系統(6)包括兩個凹柱面透鏡(3，4)和一個球面凸透鏡(5)，三面透鏡按激光束(2)發射的方向依次排布，其軸線都位于激光束的光軸上，兩個凹柱面透鏡的柱面母線保持正交，且均能獨立地沿光軸方向平移和同步繞光軸旋轉。3.根據權利要求2所述的用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置，其特征在于，所述掃描振鏡系統包括x方向掃描振鏡(13)和z方向掃描振鏡(14)，其中x方向掃描振鏡(13)能夠繞自身的y方向的轉軸轉動，z方向掃描振鏡(14)能夠繞自身的x方向的轉軸轉動，其轉動受到運動控制卡(12)的控制，當激光束(2)打在成形工件(8)的原點位置時，激光束(2)依次落在x方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡永祥，余雄超，姚振強，李志，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31