表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置及其實(shí)時(shí)監(jiān)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及激光加工材料表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置。本發(fā)明還涉及對(duì)應(yīng)的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光噴丸強(qiáng)化是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應(yīng)力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規(guī)噴丸技術(shù)相比，其殘余壓應(yīng)力層更深。激光噴丸的原理是利用脈沖激光(能量I?100J，脈寬I(KBOns)在約束狀態(tài)下(水膜或玻璃)跟吸收層(鋁箔或其他材料)產(chǎn)生等離子爆炸，可產(chǎn)生強(qiáng)度高達(dá)幾個(gè)吉帕斯卡的壓力，該壓力通過吸收層傳播至工件，可對(duì)工件表層產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力，由于吸收層的保護(hù)作用，工件表面不會(huì)受到熱灼燒。21世紀(jì)初，美國(guó)將激光噴丸技術(shù)應(yīng)用到FlOl、F119和F414發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)化和再制造上。
[0003]飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞斷裂是影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的主要因素之一，激光噴丸強(qiáng)化飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞斷裂主要發(fā)生在葉片邊緣，激光噴丸處理主要對(duì)葉片邊緣區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化。激光噴丸強(qiáng)化飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中，通常采用流動(dòng)水膜作為約束層，為了保證沖擊波壓力的穩(wěn)定以及激光噴丸效果的一致性，必須保證流動(dòng)水膜的均勻一致性。因此，需要發(fā)明一種監(jiān)控裝置以及監(jiān)控方法來監(jiān)控流動(dòng)水膜的狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可便捷且準(zhǔn)確地規(guī)劃出水膜噴涂路徑和流量控制的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，并提供一種可便捷且準(zhǔn)確地規(guī)劃出水膜噴涂路徑和流量控制的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法，以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水膜的狀態(tài)包括均勻性和控制水膜的厚度。
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明采用的設(shè)備技術(shù)方案是:一種表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，其包括以高能脈沖激光器的中心線為工作軸對(duì)稱設(shè)置于兩側(cè)的定位激光器和CCD顯示器、表面穿過定位激光器發(fā)出的可見激光束的中心線與工作軸的交點(diǎn)并附貼于工件待處理表面的反射膜、夾持工件并可自由調(diào)節(jié)其位置和方向的工件機(jī)械手、朝向工件待處理表面并噴出覆蓋在反射膜表面的流動(dòng)水膜的噴水頭、通過管路與噴水頭連接并連接水源的調(diào)節(jié)閥、夾持噴水頭的涂水機(jī)械手、通過數(shù)據(jù)線分別與CCD顯示器和涂水機(jī)械手以及工件機(jī)械手電性連接的工控機(jī)，所述可見激光束被反射膜反射至CCD顯示器。
[0006]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述可見激光束的軸線與工作軸相交成45度角。
[0007]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述定位激光器的側(cè)方設(shè)有正對(duì)工作軸與可見激光束軸線的交點(diǎn)的高清攝像頭。
[0008]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述定位激光器為氦氖激光器，其發(fā)出的可見激光束為平行激光束，功率為I?5毫瓦，激光束直徑為10微米。
[0009]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述反射膜為銅膜，其厚度為100?150微米。
[0010]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，工件的表面為平面或曲面，曲面的曲率半徑大于200_。
[0011]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述可見激光束輻照在反射膜的入射點(diǎn)中心法向與工作軸重合。
[0012]為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明對(duì)應(yīng)采用的方法技術(shù)方案是:一種表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法，其使用上述的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，并包括以下步驟:
A、設(shè)置測(cè)量點(diǎn):將貼有反射膜的工件裝夾到工件機(jī)械手，按預(yù)設(shè)的加工路徑布置多個(gè)水膜厚度測(cè)量點(diǎn)，按順序記為S1、S2、S3、……、Sn;
B、將工件機(jī)械手的位置調(diào)整至第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)SI，打開定位激光器并記錄下反射激光束在CCD顯示器中的坐標(biāo)Pl;打開噴水頭，調(diào)整涂水機(jī)械手以及調(diào)節(jié)閥使反射膜表面獲得一層均勻的水膜，在CCD顯示器中記錄下經(jīng)折射的反射激光束的坐標(biāo)P2;
C、計(jì)算出Pl與P2的距離d，通過可見激光束與工作軸之間的入射夾角計(jì)算獲得水膜厚度T;
D、通過反復(fù)調(diào)整涂水機(jī)械手和調(diào)節(jié)閥并計(jì)算Pl至P2的距離，獲得指定厚度的均勻水膜，記錄下涂水機(jī)械手的坐標(biāo)Rl以及調(diào)節(jié)閥的流量；
E、重復(fù)步驟B至D，對(duì)所有測(cè)量點(diǎn)S1、S2、S3、……、Sn的水膜狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整使其形成指定厚度的均勻水膜，記錄下每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的涂水機(jī)械手的坐標(biāo)R2、R3、……、Rn;通過Rl、R2、R3、……、Rn坐標(biāo)，利用曲線擬合軟件獲得涂水機(jī)械手的五軸運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0013]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，其中步驟B具體為，通過工控機(jī)將工件機(jī)械手的位置調(diào)整至第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)SI，打開定位激光器使可見激光束輻照到反射膜，形成反射激光束并由CCD顯示器接收，記錄下反射激光束在CCD顯示器中的坐標(biāo)Pl;打開噴水頭，調(diào)整涂水機(jī)械手的坐標(biāo)以及調(diào)節(jié)閥的流量直至在反射膜表面獲得一層均勻的水膜，可見激光束由空氣入射到水膜發(fā)生折射，然后經(jīng)反射膜反射，由水膜入射到空氣中再次發(fā)生折射，在CXD顯示器中記錄下反射激光束的坐標(biāo)P2。
[0014]作為本發(fā)明表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法的技術(shù)方案的一種改進(jìn)，步驟C中，可見激光束與工作軸之間的入射夾角為45度，由幾何運(yùn)算可得，水膜的厚度T=0.75*d。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，使平行可見激光束與工作軸成一定角度，入射到工件表面，利用激光束從空氣入射到水發(fā)生折射的原理來測(cè)量激光噴丸強(qiáng)化中流動(dòng)水膜的厚度，并通過涂水機(jī)械手來改變水膜的狀態(tài)包括穩(wěn)定性和厚度等，記錄激光噴丸過程路徑取點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的涂水機(jī)械手的五軸坐標(biāo)，從而可以通過曲線擬合獲取涂水軌跡曲線，保證激光噴丸強(qiáng)化過程對(duì)應(yīng)配合進(jìn)行指定厚度并保持均勻性的涂水，工件路徑變化過程維持水膜厚度均勻且恒定。
[0016]本發(fā)明的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法采用微米直徑的平行激光束與工作軸成一定角度，并通過比較反射光的位置，以及采用五軸聯(lián)動(dòng)涂水機(jī)器人，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控流動(dòng)水膜的厚度，保證了整個(gè)強(qiáng)化過程中流動(dòng)水膜的平穩(wěn)性以及均勻一致性，本發(fā)明特別適用于激光噴丸強(qiáng)化飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以及汽輪機(jī)葉片等小曲率曲面。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明一種表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的涂水狀態(tài)構(gòu)造示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行具體描述。
[0019]如圖1所示，圖中展示了本發(fā)明一種表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，其包括以高能脈沖激光器的中心線為工作軸15對(duì)稱設(shè)置于兩側(cè)的定位激光器2和CCD顯示器1、表面穿過定位激光器2發(fā)出的可見激光束3的中心線與工作軸15的交點(diǎn)并附貼于工件6待處理表面的反射膜5、夾持工件6并可自由調(diào)節(jié)其位置和方向的工件機(jī)械手12、朝向工件6待處理表面并噴出覆蓋在反射膜5表面的流動(dòng)水膜7的噴水頭8、通過管路1與噴水頭8連接并連接水源的調(diào)節(jié)閥9、夾持噴水頭8的涂水機(jī)械手11、通過數(shù)據(jù)線13分別與CCD顯示器I和涂水機(jī)械手11以及工件機(jī)械手12電性連接的工控機(jī)14，所述可見激光束3被反射膜5反射至CCD顯示器I。本發(fā)明的表面流動(dòng)水膜的實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，使平行可見激光束3與工作軸15成一定角度，入射到工件表面，利用激光束從空氣入射到水發(fā)生折射的原理來測(cè)量激光噴丸強(qiáng)化中流動(dòng)水膜的厚度，并通過涂水機(jī)械手11來改變水膜的狀態(tài)包括穩(wěn)定性和厚度等，記錄激光噴丸過程路徑取點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的涂水機(jī)械手11的五軸坐標(biāo)，從而可以通過曲線擬合獲取涂水軌跡曲線，保證激光噴丸強(qiáng)化過程對(duì)應(yīng)配合進(jìn)行指定厚度并保持均勻性的涂水，工件路徑變化過程維持水膜厚度均勻且恒定。
[0020]具體過程是:首先關(guān)閉噴水頭8，將激光束輻照到反射膜5，記錄反射光在CCD顯示器I的位置;然后打開噴水頭8，激光束入射到水膜7并反射，由于折射，在CCD顯示器I中位置發(fā)生偏移，通過兩點(diǎn)的距離計(jì)算出水膜厚度，并通過涂水機(jī)械手11調(diào)整水膜狀態(tài)。采用本發(fā)明可以實(shí)時(shí)監(jiān)控激光噴丸強(qiáng)化曲面中水膜的狀態(tài)，可以便捷且準(zhǔn)確地規(guī)劃出水膜噴涂路徑和流量控制，以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水膜的狀態(tài)包括均勻性和控制水膜的厚度，保證了整個(gè)強(qiáng)化過程中流動(dòng)水膜的平穩(wěn)性以及均勻一致性，特別適用于激光噴丸強(qiáng)化飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以及汽輪機(jī)葉片等小曲率曲面。
[0021]激光噴丸強(qiáng)化裝置設(shè)有高能脈沖激光器，其發(fā)出的激光束經(jīng)凸透鏡聚焦后可對(duì)工件6的表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理。激光噴丸強(qiáng)化的激光束是高功率密度脈沖激光束，激光束的功率密度為109W/cm2?1010W/cm2，脈沖能量為I?100J，脈沖寬度為5?30ns，激光重復(fù)頻率為5?20Hz。激光噴丸強(qiáng)化過程所需的流動(dòng)水膜7的厚度為I?2mm。工控機(jī)14可以獲得CCD顯示器I的圖像;工控機(jī)14可以控制涂水機(jī)械手11五軸聯(lián)動(dòng);工控機(jī)14可以控制工件機(jī)械手12五軸聯(lián)動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。
[0022]更佳地，所述可見激光束3的軸線與工作軸15相交成45度角，可以方便地計(jì)算水膜的厚度，便于對(duì)應(yīng)不同的工件位置快速調(diào)節(jié)水膜的噴涂狀態(tài)獲得所需的水膜厚度。
[0023]更佳地，所述定位激光器2的側(cè)方設(shè)有正對(duì)工作軸15與可見激光束3軸線的交點(diǎn)的高清攝像頭4，從而可以采用視頻監(jiān)控觀測(cè)流動(dòng)水膜的狀態(tài)，工控機(jī)14可以獲得高清攝像頭4的視頻，確保遠(yuǎn)程操控能夠細(xì)致觀察水膜的狀態(tài)，一般控制水膜的效