一種激光沖擊強(qiáng)化自動化控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬表面激光強(qiáng)化處理領(lǐng)域，具體地說是一種適合復(fù)雜金屬零件激光 沖擊強(qiáng)化自動化控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光沖擊強(qiáng)化作為一種新型的金屬表面強(qiáng)化的技術(shù)，在諸多技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的 應(yīng)用前景。該技術(shù)能夠有效的提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力，相比于現(xiàn)有的 冷擠壓、噴丸等金屬材料表面強(qiáng)化手段，該技術(shù)具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強(qiáng)、強(qiáng)化效 果顯著、自動化程度高以及綠色無污染等突出優(yōu)點，自產(chǎn)生之日起就得到了廣泛的關(guān)注和 研究。
[0003] 國內(nèi)從20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究，主要是針對一些基 礎(chǔ)理論進(jìn)行探索性研究和對各種鋼材和鋁合金材料進(jìn)行一些簡單試驗研究，以及簡單的試 驗裝置的開發(fā)。目前，尚需研究適合工業(yè)推廣應(yīng)用的裝置，制定出正確的生產(chǎn)工藝，以及不 斷探索精確控制激光沖擊強(qiáng)化的方法，并對影響沖擊后殘余應(yīng)力分布、大小、深度的因素進(jìn) 行系統(tǒng)深入的研究分析。
[0004] 現(xiàn)如今，國內(nèi)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化剛剛起步并具有良好的研究基礎(chǔ)，但要 使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)作為一種成熟的工藝在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。但是，目前對激 光沖擊強(qiáng)化的研究僅停留在理論水平，很難將其合理的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，自動化生產(chǎn)的能 力較低，無法對激光工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化合理控制，相關(guān)的工藝研究以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不夠 完善。因此，提高激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的效率，降低激光沖擊強(qiáng)化成本，已經(jīng)成為限制激光沖 擊強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展的技術(shù)鴻溝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述技術(shù)不足，本發(fā)明的目的提供一種適合復(fù)雜金屬零件激光沖擊強(qiáng)化自動 化控制的系統(tǒng)和方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種激光沖擊強(qiáng)化自動化控制方法，包括以下步驟：
[0008] 1)根據(jù)加工要求在力學(xué)分析軟件中建立零件模型并得到殘余應(yīng)力分布；
[0009] 2)將殘余應(yīng)力分布導(dǎo)入CAE分析軟件，自動生成作用在零件表面的加工運(yùn)動軌 跡；同時工控機(jī)根據(jù)激光沖擊波壓力與激光噴丸工藝參數(shù)之間的關(guān)系選擇激光沖擊波壓力 設(shè)定值對應(yīng)的工藝參數(shù)；
[0010] 3)將加工運(yùn)動軌跡和工藝參數(shù)導(dǎo)入力學(xué)分析軟件進(jìn)行仿真得到模擬加工后的應(yīng) 變值；
[0011] 4)如果應(yīng)變值在設(shè)定范圍內(nèi)，則工控機(jī)將工藝參數(shù)發(fā)送至激光器，并將加工運(yùn)動 軌跡發(fā)送至機(jī)器人，實現(xiàn)激光的自動加工；否則返回至步驟1)，直至應(yīng)變值在設(shè)定范圍內(nèi) 為止。
[0012] 所述根據(jù)加工要求在力學(xué)分析軟件中建立零件模型包括以下步驟：在力學(xué)分析軟 件中輸入激光沖擊強(qiáng)化性能指標(biāo)、初始條件、邊界條件、材料屬性、材料工藝參數(shù)以及零件 尺寸得到零件模型。
[0013] 所述工藝參數(shù)包括激光能量、激光脈寬、脈沖頻率、光斑大小。
[0014] 一種激光沖擊強(qiáng)化自動化控制系統(tǒng)，包括工控機(jī)以及通過現(xiàn)場總線與其連接的激 光器、機(jī)器人；
[0015] 工控機(jī)用于分析零件的殘余應(yīng)力分布、根據(jù)殘余應(yīng)力分布得到機(jī)器人的加工運(yùn)動 軌跡，同時根據(jù)激光沖擊波壓力選擇工藝參數(shù)，并將仿真和驗證后的加工運(yùn)動軌跡、工藝參 數(shù)分別輸出至機(jī)器人和激光器；
[0016] 激光器用于根據(jù)工控機(jī)發(fā)送的工藝參數(shù)發(fā)射激光；
[0017] 機(jī)器人用于根據(jù)工控機(jī)發(fā)送的加工運(yùn)動軌跡實現(xiàn)零件的激光加工。
[0018] 所述機(jī)器人包括六軸聯(lián)動的軌跡機(jī)器人和三軸聯(lián)動的送水機(jī)器人。
[0019] 還包括用于視頻監(jiān)視的攝像機(jī)，其攝像頭與工控機(jī)連接。
[0020] 本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：
[0021] 1.本發(fā)明涉及成套航空發(fā)動機(jī)整體葉盤激光沖擊強(qiáng)化裝備的自動化開放式分布 控制系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)整體葉盤的激光沖擊強(qiáng)化，實現(xiàn)殘余應(yīng)力定量的精確控制，有效的提 高整體葉盤的使用壽命及抗異物損傷的能力。
[0022] 2.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)控制的數(shù)字化、自動化、實時性，通過工控機(jī)/PLC集成控制，現(xiàn) 場總線將激光器、軌跡機(jī)器人、送水機(jī)器人、檢測與輔助功能控制連接起來，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié) 的信息交換和系統(tǒng)各部件的協(xié)同工作，并通過對系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測避免重要部件重大故障的 產(chǎn)生。
[0023] 3.本發(fā)明實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫提取、激光沖擊強(qiáng)化模型的建立、加工軌跡自動規(guī)劃、仿真 模型的導(dǎo)入與生成、參數(shù)優(yōu)化策略的制定、工藝參數(shù)的選取與優(yōu)化。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0025] 圖2是激光沖擊強(qiáng)化裝備功能體系圖；
[0026] 圖3是激光沖擊強(qiáng)化裝備軟件功能示意圖；
[0027] 圖4是激光沖擊強(qiáng)化控制系統(tǒng)硬件示意圖；
[0028] 圖5是激光沖擊強(qiáng)化控制系統(tǒng)機(jī)器人軌跡生成流程圖；
[0029] 圖6是軌跡代碼生成過程示意圖；
[0030] 圖7是激光沖擊強(qiáng)化流程示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0032] 本發(fā)明實現(xiàn)了自動化控制的激光沖擊強(qiáng)化可控的操作系統(tǒng)，自行開發(fā)的開放式分 布控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制的數(shù)字化、自動化、實時性，通過工控機(jī)/PLC集成控制，現(xiàn)場總線 將激光器、軌跡機(jī)器人、送水機(jī)器人、實時監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的信息交換和 系統(tǒng)各部件的協(xié)同工作，并通過對系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測避免重要部件重大故障的產(chǎn)生。同時， 通過對加工工藝實驗數(shù)據(jù)的記錄，實現(xiàn)了激光沖擊加工參數(shù)優(yōu)化，采用SQL Server作為后 臺數(shù)據(jù)庫，采用分布式C/S模式，實現(xiàn)工藝參數(shù)的提取、激光沖擊強(qiáng)化模型的建立、加工軌 跡自動規(guī)劃、仿真模型的導(dǎo)入與生成、參數(shù)優(yōu)化策略的制定、工藝參數(shù)的選取與優(yōu)化，如圖1 所示為該控制系統(tǒng)的流程圖。
[0033] 該激光沖擊強(qiáng)化控制系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要包括激光器、軌跡機(jī)器人、送水機(jī)器 人、工控機(jī)；工控機(jī)上裝有軟件系統(tǒng)，主要包括機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃軟件、加工過程仿真軟 件、加工過程監(jiān)控軟件和工藝數(shù)據(jù)庫等，軟硬件之間的控制關(guān)系如圖2所示。如圖3所示， 機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃軟件采用結(jié)構(gòu)力學(xué)CAE分析軟件，能夠自動生成作用在金屬板料表面 的加工運(yùn)動軌跡，通過限定加工區(qū)域與光斑搭接率等要求自動得到機(jī)器人單點運(yùn)動軌跡； 加工過程仿真軟件采用Abaqus有限元模擬軟件，能夠建立零件模型、模擬加工過程，輸入 零件模型、受力、工藝等參數(shù)輸出激光沖擊后得到的性能指標(biāo)，與實際要求進(jìn)行對比，如果 符合技術(shù)要求，則采用該工藝生產(chǎn)，若超出允許范圍，則需要調(diào)整參數(shù)重新設(shè)定；加工過程 監(jiān)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對加工過程的實時監(jiān)控，防止加工過程異常情況的出現(xiàn)；工藝數(shù)據(jù)庫包 括激光沖擊波壓力值以及對應(yīng)的激光器工藝參數(shù)；工控機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)工藝參數(shù)的提取、激光 沖擊強(qiáng)化模型的建立、加工軌跡自動規(guī)劃、仿真模型的導(dǎo)入與生成、參數(shù)優(yōu)化策略的制定、 工藝參數(shù)的選取與優(yōu)化。通過工控機(jī)/PLC集成控制，實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的通訊與邏輯控制， 操作人員只需通過操作界面就可實現(xiàn)對設(shè)備的操作，人機(jī)交換控制如圖4所示。
[0034] 面向整體葉盤的激光沖擊強(qiáng)化成套裝備是通過以下方法實現(xiàn)的：
[0035] 首先在通用力學(xué)分析軟件中建立分析模型，根據(jù)強(qiáng)化后預(yù)期達(dá)到的力學(xué)效應(yīng)，得 到滿足力學(xué)性能強(qiáng)化要求的殘余應(yīng)力分布；將上述殘余應(yīng)力分布導(dǎo)入結(jié)構(gòu)力學(xué)CAE分析軟 件，自動生成作用在金屬板料表面的加工運(yùn)動軌跡；根據(jù)激光沖擊波壓力與激光噴丸工藝 參數(shù)之間的關(guān)系式，由計算機(jī)控制系統(tǒng)自動選擇優(yōu)化的激光沖擊波壓力對應(yīng)的激光沖擊強(qiáng) 化激光能量、激光脈寬、脈沖頻率、光斑大?。煌ㄟ^工控機(jī)/PLC集成控制，現(xiàn)場總線將激光 器、六軸聯(lián)動的軌跡機(jī)器