[发明专利]激光喷丸强化曲面的路径规划装置及其路径规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置。本发明还涉及一种激光喷丸强化曲面的路径规划方法。

背景技术

激光喷丸强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深。激光喷丸的原理是利用脉冲激光（能量1~100J，脉宽10~30ns）在约束状态下（水膜或玻璃）跟吸收层（铝箔或其他材料）产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧。21世纪初，美国将激光喷丸技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。

飞机发动机叶片的疲劳断裂是影响发动机正常工作的主要因素之一，激光喷丸强化飞机发动机叶片具有无可比拟的优势。发动机叶片的疲劳断裂主要发生在叶片边缘，激光喷丸处理主要对叶片边缘区域进行强化。为了充分利用激光的能量和保证整个强化过程中功率密度的均匀一致性，必须使激光束垂直入射到待处理表面，由于飞机发动机叶片是不规则小曲率曲面，通常采用六轴联动机械手装夹工件进行加工，对机械手进行路径规划时，编程方式可采用离线编程软件或手动对焦。采用离线编程软件进行路径规划时，对模型的精度、工件的制造精度以及工件的定位精度极高，这些因素的累积误差使得离线编程软件编制的轨迹与实际要求的轨迹误差很大，而且没有有效的手段来检测与消除这些误差；因此手动对焦的方式是最常用的路径规划方式，然而常规的手动对焦主要靠眼睛观察，对焦的误差也较大，而且很难保证激光束垂直入射到曲面的入射点，需要发明一种合适的方法来进行路径规划。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种在激光喷丸强化工艺中可以方便快捷地对加工曲面进行加工过程的路径规划的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，并提供一种方便快捷地对加工曲面进行加工路径规划的激光喷丸强化曲面的路径规划方法。

为了克服现有技术不足，本发明采用的设备技术方案是：一种激光喷丸强化曲面的路径规划装置，其包括高能脉冲激光器、以高能脉冲激光器发出的高能激光束中心线为工作轴对称设于两侧的定位激光器和CCD显示器、位于高能脉冲激光器前侧的高能激光束位置的凸透镜、具有垂直于工作轴的校准平面的校正块、贴装于校准平面的校正反射膜、通过夹具夹持校正块或工件并可自由调节其位置和方向的机械手、通过数据线分别与高清摄像头、CCD显示器和机械手电性连接的工控机、用于贴装于工件的待加工曲面所布置的轨迹点的多个定位反射膜；工作轴与定位激光器发出的可见激光束的中心轴相交于校正反射膜的中部并使可见激光束反射到CCD显示器的接收部。

作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述校正反射膜中心的法线与工作轴重合；所述定位激光器的侧方设有高清摄像头，高清摄像头正对工作轴与可见激光束轴线的交点。

作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述高能高功率密度脉冲激光器的功率密度为10⁹W/cm²~10¹⁰W/cm²，脉冲能量为1~100J，脉冲宽度为5~30ns，激光重复频率为5~20Hz。

作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述定位激光器为氦氖激光器，发出的激光束为可见激光束，可见激光束为平行激光束，功率为5毫瓦，激光束直径为1mm。

作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述校正反射膜和定位反射膜均为一面沾有胶水的铜膜，铜模的形状为圆形、其直径为1.2mm的，铜膜的厚度为50微米。

作为本发明激光喷丸强化曲面的路径规划装置的技术方案的一种改进，所述工件的曲面为小曲率曲面，曲率半径大于200mm。

为了克服现有技术不足，本发明对应采用的方法技术方案是：一种激光喷丸强化曲面中路径规划的方法，其使用上述的激光喷丸强化曲面的路径规划装置，并包括以下步骤：

A、校准：通过机械手调节校正块使其校准平面垂直于工作轴，并使定位激光器发射的可见激光束整体落入校正反射膜范围内且使可见激光束的中心线与工作轴的交点落于校正反射膜，记录反射激光束的中心在CCD显示器的位置P，将校正块拆除；