機器人夾持金屬板材的激光噴丸成形精度動態自適應控制裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及機械制造領域，具體涉及一種基于機器人手臂運動的金屬板料激光噴丸成形精度動態自適應控制裝置。其組成主要有激光器1、導光與外光路調節系統2、沖擊激光頭3、工裝夾具運動系統4、約束層噴射系統5、動態光學監測系統6及上述控制系統，中央集成控制系統7等組成。其成形方法的特征在于由激光器1發出的激光束通過導光與外光路調節系統2傳輸到激光沖擊頭內3，光束經過調整傳輸到裝夾在工裝夾具運動系統4的金屬板料18表面，金屬板料18噴丸表面覆蓋著約束層噴射系統5制造的約束層，能量吸收層22吸收激光誘導產生沖擊波作用在板料表面，并使金屬板料18產生快速的塑性變形或應力釋放成形。本發明專利技術能實現三維立體沖擊，既能進行大板的復雜成形，又可以進行局部微細成形，可實現定量精確成形，重復性好、易實現自動化生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及機械制造領域，具體涉及一種基于機器人手臂運動的金屬板料激光噴丸成形精度動態自適應控制方法及裝置。該裝置適用于金屬板料的成形，特別適合于常規方法難以成形或根本無法成形的材料成形，如結構鋼、欽合金、復合材料等，也可用于桿件，殼體薄壁件的校形。
技術介紹
金屬板料塑性成形方法很多，包括沖壓成形、噴丸成形、爆炸成形、數字化漸進成形、無模多點成形等。最傳統且常見的沖壓成形方法，其缺點是模具費用高，生產周期長，而且只能對低碳薄板(如1Cr18Ni9Ti、10F、20等)、鋁合金(如LY12M、LY12C等)、以及紫銅及部分黃銅，由于受應變率的影響，成形極限受到限制。動態塑性成形方法中噴丸成形和爆炸成形最為典型，其中噴丸成形是利用鋼丸高速沖擊材料表面，使工件產生塑性成形。其優點是可在材料表層形成一定深度分布殘余壓應力，改善了工件的抗疲勞性能，缺點是工件表面由于鋼丸的沖擊作用而變得粗糙，且沖擊過程涉及參數過多而難以精確控制；爆炸成形是通過烈性炸藥爆炸產生的沖擊波成形，危險性巨大，且不能精確成形。美國加州大學HACKELL LOYD和HARRIS FRITZ申請的專利“CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING”(專利號:WO0105549)，提出用激光錘擊金屬板材表面產生殘余應力，再利用殘余應力釋放產生微曲度進行的微變形成形，通過各點每次錘擊的微曲度的累積或在同一點實施多次沖擊，就可取得更大尺寸的彎曲。具體實施方式為:首先在金屬材料表面固定一層激光能量吸收層，其由聚乙酸乙烯脂塑料和聚氯乙烯塑料組成，然后在能量吸收層表面用1mm厚的水作為惰性約束層。用能量分布60—200J/cm2，脈沖寬度10ns-20ns的高功率釹玻璃激光裝置產生的激光束(波長1.06μm)錘擊金屬表面的能量吸收層，能量吸收層吸收激光后產生等離子體。等離子體爆炸產生10,000—100,000個大氣壓范圍的沖擊壓力，這使沖擊壓力超過了金屬的彈性極限，從而使金屬材料表面形成層深超過1mm的壓應力層。應力使金屬表層產生應變，導致金屬產生彎曲變形。該方法通過逐點錘擊產生的應力分布來控制大面積的彎曲，這在實際應用中很難精確控制。江蘇大學張永康等人申請的專利技術專利“一種激光沖擊精密成形方法及裝置”(專利授權號:ZL01134063.0),利用強脈沖激光束(功率密度大于1GW/cm2,脈沖寬度8-30ns)沖擊工件表面的柔性貼膜,使其表層氣化電離并形成沖擊波,使成形材料發生明顯塑性變形,這是宏觀材料變形,然后通過逐點沖擊和有序的沖擊點分布獲得大面積復雜形狀。該方法成形材料包括金屬、復合材料、塑料等多種材料；可對工件進行局部脹形、彎曲、拉伸、板料校平、桿件校直校曲,是集多種成形方式為一體的無模復雜成形方法。由于該方法需要通過控制激光沖擊的各點沖擊力(即每點的工藝參數不同,如激光脈沖能量、光束直徑、重復頻率等)和沖擊路徑獲得精確的工件輪廓,由于各點的工藝參數不一樣,很難通過調整各點的工藝參數達到精確的各點沖擊力,并且會導致成形的效率降低。張永康等人的另一申請專利技術專利“一種基于液晶掩模技術的激光微細加工方法和裝置”(專利申請號:200510094160.8),則利用液晶顯示屏作為掩模，由激光發生器控制裝置控制激光發生器按優化好的參數產生的激光脈沖,經擴束系統照射到液晶屏上,液晶屏上顯示圖象部位阻斷激光通過,使通過顯示屏后的激光束成為與顯示屏圖像成反轉關系的鏤空圖形光斑,照射到工件表面并燒蝕出所需要的圖形凹坑,其使用僅僅局限在微細加工領域,并且通過激光燒蝕出的圖形凹坑會萌生裂紋,是潛在的疲勞源。江蘇大學姜銀方申請的專利技術專利“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”(專利公開號：CN 101249588A)，該方法采用雙面激光沖擊，通過改變激光能量、光束直徑、重復頻率等激光參數來調整沖擊壓力的大小，通過激光錯位沖擊分別同時沖擊工件凹和凸正反表面，通過調整工件的位置，控制兩激光沖擊頭的運動軌跡，完成工件凹凸細微結構形狀的塑性成形，并在工件兩面都形成殘余壓應力。從實現板料變形方式來看，該方法具有效率高，使用范圍廣等特點。但該方法的工件正反表面均需貼設柔性貼膜構成一體式的透明約束層和能量吸收層組成，尤其是采用流水作為透明約束層時，這將不利于檢測反饋系統動態監測板料的變形情況，實現實時動態檢測。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種能克服上述缺點，可實現使各種常用金屬成形材料，特別是常規方法難以成形的激光噴丸成形精度動態自適應控制裝置。本專利技術通過以下技術方案實現:它由激光器、導光與外光路調節系統、工裝夾具運動系統、約束層噴射系統、沖擊激光頭、動態光學監測系統、集成控制系統等組成。由激光器發出的激光束通過導光與外光路調節系統傳輸到激光沖擊頭內，光束經過調整傳輸到裝夾在工裝夾具運動系統的金屬板料表面，金屬板料噴丸表面覆蓋著約束層噴射系統制造的約束層，能量吸收層吸收激光誘導產生沖擊波作用在板料表面，并使金屬板料產生快速的塑性成形或殘余應力釋放小曲率成形。激光噴丸板料正面涂有厚度均勻的能量吸收層，背面噴涂一種用于實現動態光學監測系統監測的顯影劑，顯影劑形成密布的細小微點分布于在板料的背面表面。板料產生變形時，由于顯影劑微點顆粒的相對位置和應力狀態會時刻發生變化，此變化直接反應了板料表面的應力應變的動態變化過程，同時顯影劑的顯影輪廓也直接反映了板料的變形過程和變形量的大小。動態光學監測系統是由兩只強光探照燈和兩臺高速攝像系統構成。進行監測時，高亮探燈發射的光照射在板料背面表面，金屬板料背面顯影劑微點受到強光照射發生漫反射，其中一部分反射光被高速攝像系統捕捉，在成形過程中，形成動態應力應變和動態變形過程的信息。動態光學監測系統將此信息反饋到集成控制系統，通過調整相關參數，實現動態監測和板料噴丸成形的精度動態自適應控制。根據動態光學檢測系統的監測和反饋，通過改變激光脈寬、能量、光束直徑、重復頻率等激光參數來調整沖擊壓力的大小，通過控制沖擊位置和各點沖擊力的大小，可實現板料的精確成形。其成形裝置的特征在于工裝夾具運動系統由機械人手臂、夾具座組成，夾具座可根據成形板料的不同尺寸、成形方式更換不同的夾具。夾具夾持方式可分為單側夾持，雙側夾持，四周夾持等多種類別。工裝夾具運動系統與約束層噴射系統相互配合，滿足不同位置噴丸的需要。激光噴丸成形精度動態自適應控制裝置的激光沖擊頭內設有聚焦鏡組，其包含聚焦鏡、可旋轉反射鏡、三棱鏡等。通過調整激光沖擊頭內各光學元件，可實現對光斑尺寸和焦距的調整。本專利技術提出一種金屬板料激光噴丸成形精度動態自適應控制技術，它利用強脈沖激光束(功率密度大于109W/cm2,脈沖寬度8-30ns)輻照工件表面吸收層，使其表層氣化電離并形成沖擊波，作用于板料。通過動態監測系統反饋及時自適應調整相關沖擊參數，實現板料正向塑性成形和表面殘余應力釋放反向小曲率變形，通過逐點沖擊和有序的沖擊點分布獲得大面積復雜形狀。該方法能有效地對金屬材料、無機材料、高分子材料及復合材料等多種材料進行局部脹形、彎曲、拉伸、板料校平、桿件校直校曲，是集多種成形方式為一體的無模復雜成形。本專利技術具有如下技術優勢:(1)本專利技術兼有沖擊塑本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于機器人手臂運動的金屬板料激光噴丸成形精度動態自適應控制裝置，其組成主要有激光器1、導光與外光路調節系統2、沖擊激光頭3、工裝夾具運動系統4、約束層噴射系統5、動態光學監測系統6及中央集成控制系統7組成；由激光器1發出的激光束通過導光與外光路調節系統2傳輸到激光沖擊頭內3，激光束經過調整傳輸到裝夾在工裝夾具運動系統4的金屬板料18表面，金屬板料18噴丸表面覆蓋著約束層噴射系統5制造的約束層，能量吸收層22吸收激光誘導產生沖擊波作用在板料表面，并使金屬板料18產生快速的塑性成形或殘余應力釋放小曲率成形。

【技術特征摘要】
1.一種基于機器人手臂運動的金屬板料激光噴丸成形精度動態自適應控制裝置，其組成主要有激光器1、導光與外光路調節系統2、沖擊激光頭3、工裝夾具運動系統4、約束層噴射系統5、動態光學監測系統6及中央集成控制系統7組成；由激光器1發出的激光束通過導光與外光路調節系統2傳輸到激光沖擊頭內3，激光束經過調整傳輸到裝夾在工裝夾具運動系統4的金屬板料18表面，金屬板料18噴丸表面覆蓋著約束層噴射系統5制造的約束層，能量吸收層22吸收激光誘導產生沖擊波作用在板料表面，并使金屬板料18產生快速的塑性成形或殘余應力釋放小曲率成形。2.如權利要求1所述的控制裝置，其特征在于，金屬板料18正面涂有厚度均勻的能量吸收層22，背面噴涂用于實現動態光學監測系統6監測的顯影劑，顯影劑形成密布細小的顯影微點23分布于在金屬板料的18背面表面，金屬板料18產生變形時，由于顯影微點23的相對位置和應力應變狀態會時刻發生變化，此變化直接反應了金屬板料18表面的應力應變的動態變化過程，同時顯影劑顯影微點23構成的顯影輪廓也直接反映了金屬板料18的變形過程和變形量的大小。3.如權利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于，動態光學監測系統6是由兩臺高速攝像系統20和兩只強光探燈21構成，進行監...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張永康，裴旭，王冠，黃志剛，
申請(專利權)人：廣東工業大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44