CN114231728A - 一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法，装置包括激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块、温度测量模块、控制装置和载物台。本发明相比于现有激光冲击强化装置及方法而言可实现作用在曲面零件表面的激光冲击波方向始终为法线方向，且在冲击强化过程中激光的焦距保持恒定，避免了因异形曲面轮廓而导致的曲面零件各部分激光冲击作用能量不一致等不利影响。曲面轨迹扫描、激光冲击强化、温度测量同时进行，并通过结合温度反馈信号与人工智能深度学习方法提高激光冲击表层强化的精度，实现均匀一致、有效改善零件表层残余压应力分布的强化效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光冲击表层强化技术领域，特别是指一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法。
背景技术
激光冲击强化技术是利用高峰值功率密度的脉冲激光作用于金属靶材表面的吸收层上，产生受约束的高压等离子体冲击波在材料表层产生微小***，使金属材料表层产生塑性变形以及位错结构，获得表层残余压应力，从而提高金属材料的表面硬度、抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力，对提升高端装备关键构件的抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能、抗冲击性能等具有重要意义。
目前激光冲击强化技术所使用的方法多为由激光器发射的激光束作用在零件表面的一个点位，零件安装在运动装置上并跟随其进行单方向移动以实现冲击点位的变化，例如：①申请公开号为CN110846486A的发明专利中公开了一种适用于板状试样激光喷丸强化装置，其设计装置多用于平面类零件的激光冲击强化，而对于异形曲面零件则难以达到均匀、恒定的冲击效果。为了提升对异形曲面零件的激光冲击强化效果，逐渐设计出一些新的装置与方法，例如：②申请公布号为CN110157895A的发明专利中公开了一种激光冲击强化装置及方法，采用光纤作为导光装置，同时配合关节式机械臂等运动夹持装置来实现激光束沿复杂路径对工件进行加工操作；以及③申请公开号为CN110732777A的发明专利中公开了一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法，通过使用两台机器人辅助完成空间协同运动，实现复杂曲面的激光冲击强化。但上述装置都大大增加了成本，同时上述发明中也未能实现针对零件异形曲面轨迹的扫描识别功能。④授权公告号为CN109136526B的发明专利中公开了一种激光冲击强化曲面结构的方法，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，但该方法对激光器的性能参数提出较高要求，影响其通用性，且缺少相关能量监测***进行闭环反馈调节。⑤申请公开号为CN110802226A的发明专利中公开了一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置及方法，采用在线监控***采集制造过程中的相关能场信息，但未详细介绍如何实现针对复杂曲面零件的精准化激光冲击强化方法。此外，一些测量及扫描技术也逐渐应用于曲面零件的激光冲击强化装置中，例如：⑥授权公告号为CN107525464B的发明专利中公开了两维激光光路齿轮测量装置，通过激光干涉测量***与相关部件的运动控制相结合，实现针对齿轮零件的特征测量。⑦授权公告号为CN109750151B的发明专利中公开了一种立体式激光冲击强化装置，先将工件扫描成三维模型，激光束沿着计算所得的路径，完成对工件的表面冲击强化；以及⑧申请公开号为CN110205478A的发明专利中公开了一种扫描式激光冲击强化装置，通过一维扫描振镜和运动夹持装置两者角度的配合，便于对复杂曲面的金属零件进行激光冲击强化加工。但上述专利中都未说明如何实现作用在曲面零件表面的激光入射冲击方向始终保持为曲面的法线方向，所涉及的装置也未能实现将轮廓扫描、激光冲击强化、实时温度测量三者同时进行。
上述专利在实际生产中均有一定局限性，主要体现在装置成本高、对激光器的性能要求高等方面；此外，现有专利均未详细说明如何实现作用在曲面零件表面的激光入射冲击方向始终保持为曲面的法线方向，以及如何实现将轮廓扫描、激光冲击强化、实时温度测量三者同时进行以达到均匀、恒定的冲击强化效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法，可以实现作用在曲面零件表面的激光入射冲击方向始终保持为曲面的法线方向，将轮廓扫描、激光冲击强化、实时温度测量三者同时进行以达到均匀、恒定的冲击强化效果。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，包括：可提供激光束的激光发生模块；可改变激光束传导方向的激光光路传导模块，可沿X轴方向运动；可对激光束入射角度实时连续调整的激光入射角度调控模块，可沿Y轴方向运动及作回转运动；可保持激光冲击强化过程中激光焦距位置不变的激光聚焦模块，可作回转运动；用于识别曲面零件的异形曲面轮廓，获取曲面轮廓数据信息的曲面轨迹扫描模块，可沿Y轴方向运动；用于实时监控激光冲击强化过程中曲面零件表面强化区域的温度值及热量分布的温度测量模块，可沿Y轴方向运动；控制装置；可让曲面零件旋转运动及沿Z轴方向运动的载物台；所述激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块及温度测量模块均安装在载物台上；所述控制装置通讯连接激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块及温度测量模块；于工作时，所述控制装置控制温度测量模块及激光发生模块开启工作，并接收曲面轨迹扫描模块所获取的曲面轮廓数据信息，计算出与曲面零件的表面始终保持垂直的激光入射角度，接着将计算出的激光入射角度传递给激光入射角度调控模块，所述激光入射角度调控模块根据所接收的激光入射角度实时连续调整激光入射角度；所述控制装置根据曲面轮廓数据信息和所接收的温度测量模块的温度反馈信号进行人工智能学习, 以调整往后多次反复的激光冲击波冲击强化加工时的冲击方向。
所述激光发生模块包括激光器、激光电源及激光冷却***，安装固定在所述载物台上，所述激光电源电性连接激光器及激光冷却***。
所述激光光路传导模块包括固定式反射镜和可移动式反射镜，所述固定式反射镜安装在载物台上，所述载物台设有第一直线滑台及第一滑轨，所述可移动式反射镜安装在第一直线滑台上，所述第一直线滑台可沿X轴方向运动地安装在第一滑轨上，所述固定式反射镜的中心与可移动式反射镜的中心相对位置与X轴方向始终保持一致。
所述激光入射角度调控模块包括旋转式反射镜、聚焦透镜及齿轮传动组，所述载物台设有第二直线滑台及第二滑轨，所述旋转式反射镜及聚焦透镜均可作回转运动地安装在齿轮传动组上，所述齿轮传动组安装在第二直线滑台，所述第二直线滑台可沿Y轴方向运动地安装在第二滑轨上。
所述齿轮传动组包括相互外啮合的主动轮、双联齿轮及从动轮。
所述双联齿轮是由第一齿轮及第二齿轮同轴连成一体，所述第一齿轮与所述主动轮外啮合，所述第二齿轮与所述从动轮外啮合，所述旋转式反射镜安装固定在所述主动轮上，可跟随主动轮作回转运动，所述聚焦透镜安装固定在所述从动轮上，可跟随从动轮作回转运动。
所述第一齿轮齿数为所述第二齿轮齿数的一半，所述第二齿轮、所述主动轮和所述从动轮的齿数相同，所述旋转式反射镜与聚焦透镜同向旋转。
所述激光聚焦模块包括聚焦透镜，安装固定在所述从动轮上，可跟随从动轮作回转运动。
所述曲面轨迹扫描模块包括激光测量仪，所述激光测量仪安装在第二直线滑台上，可沿Y轴方向运动。
所述激光测量仪的测量精度高于0.1μm，最大采样频率设置高于50kHz。
所述载物台内配备可夹持曲面零件作旋转运动以及沿Z轴方向运动的三爪卡盘，所述载物台设有第三直线滑台及第三滑轨，所述三爪卡盘安装在第三直线滑台上，所述第三直线滑台可沿Z轴方向运动地安装在第三滑轨上。
所述温度测量模块包括红外热像仪，所述红外热像仪安装在第二直线滑台上，可沿Y轴方向运动。
一种激光冲击表层强化曲面零件的方法，应用上述激光冲击表层强化曲面零件的装置，包括以下步骤：步骤1：将待加工曲面零件装夹在载物台上，以实现作旋转运动；步骤2：控制曲面轨迹扫描模块沿Y轴方向运动，让载物台使曲面零件沿Z轴方向运动；步骤3：所述曲面轨迹扫描模块以设定的采样频率采集测量曲面零件的曲面轮廓数据信息，采集测量过程中，让载物台使曲面零件以设定的转速旋转，通过调整曲面零件在Z轴方向上的运动，实时调节激光测量仪与零件表面的距离，使采集测量过程中被测的曲面零件全部位于曲面轨迹扫描模块的测量区域内，同时调整曲面轨迹扫描模块在Y轴方向上的进给运动，逐步小段扫描异形的曲面零件，获得小段曲面轮廓数据信息，并将其传输至控制装置；步骤4：由控制装置基于所获得的小段曲面轮廓数据信息计算出该小段曲面轮廓的曲率方向，并计算出与曲面零件的表面始终保持垂直的激光入射角度；步骤5：控制装置通过控制激光入射角度调控模块作回转运动及沿Y轴方向运动，使激光入射角度可跟随曲面零件曲面轮廓的变化进行实时连续调整，实现作用在曲面零件表面的激光冲击波的冲击方向始终为法线方向，同时，在激光冲击强化过程中，控制装置通过控制激光聚焦模块作回转运动及控制载物台让曲面零件沿Z轴方向运动，实现激光作用在曲面零件上的焦距位置保持不变；步骤6：激光冲击强化过程中，所述载物台使异形的曲面零件旋转，所述曲面轨迹扫描模块、激光入射角度调控模块及温度测量模块在激光冲击强化过程中沿Y轴方向运动，可针对曲面零件实现轮廓扫描、激光冲击强化、强化区域温度采集三者同时进行；步骤7：温度测量模块实时采集激光冲击强化过程中的曲面零件表面的温度反馈信号，若激光作用在曲面零件表面的温度值出现突跃式增大或减小，则表明激光冲击强化处于非稳定工作状态，需要进行相应调整；步骤8：在完成第一遍激光冲击强化处理后，借助曲面轨迹扫描模块采集的曲面轮廓数据信息与温度测量模块采集的温度反馈信号，进行人工智能深度学习，以调整往后多次反复的激光冲击波冲击强化加工时的冲击方向。
所述激光发生模块通过控制所发出激光的脉冲宽度、单次脉冲最大输出能量及光斑直径，实现调节激光冲击波与曲面零件表面之间的作用强度大小。
采用上述技术方案后，本发明相比于现有激光冲击强化装置及方法而言，基于曲面轨迹扫描模块识别曲面零件的异形的曲面轮廓数据信息，并通过激光入射角度调控模块进行入射角度的实时连续调整，可实现作用在曲面零件表面的激光冲击波方向始终为法线方向，且在冲击强化过程中激光的焦距保持恒定，避免了因异形曲面轮廓而导致的曲面零件各部分激光冲击作用能量不一致等不利影响；此外本发明的曲面轨迹扫描、激光冲击强化、温度测量同时进行，并通过结合温度反馈信号与人工智能深度学习方法提高激光冲击表层强化的精度，实现均匀一致、有效改善零件表层残余压应力分布的强化效果。
附图说明
图1为本发明具体实施例的结构示意图；
图2为本发明具体实施例激光入射角度调控装置工作示意图；
图3为激光入射角度为45°时激光入射角度调控装置的工作示意图；
图4为激光入射角度为30°时激光入射角度调控装置的工作示意图；
附图标号说明：
激光器1、激光电源2、激光冷却***3、固定式反射镜4、可移动式反射镜5、旋转式反射镜6、聚焦透镜7、主动轮8、从动轮9、第一齿轮10、第二齿轮11、激光测量仪12、三爪卡盘13、红外热像仪14、控制装置15、载物台16、曲面零件17、第一直线滑台01、第一滑轨02、第二直线滑台03、第二滑轨04、第三直线滑台05、第三滑轨06。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。下文中的X轴、Y轴、Z轴方向均以附图中标示的X轴/Y轴/Z轴为标准。
请参阅图1至图4所示，本发明揭示了一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，包括：激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块、温度测量模块、控制装置15及载物台16，其中，所述载物台16可以通过搭配数控***实现四轴联动。
所述激光发生模块可提供激光束；所述激光光路传导模块可改变激光束传导方向，可沿X轴方向运动；所述激光入射角度调控模块可对激光束入射角度实时连续调整，可沿Y轴方向运动及作回转运动；所述激光聚焦模块可保持激光冲击强化过程中激光焦距位置不变，可作回转运动；所述曲面轨迹扫描模块用于识别曲面零件17的异形曲面轮廓，获取曲面轮廓数据信息，可沿Y轴方向运动；所述温度测量模块用于实时监控激光冲击强化过程中曲面零件17表面强化区域的温度值及热量分布，可沿Y轴方向运动；所述载物台16可让曲面零件17旋转运动及沿Z轴方向运动；所述激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块及温度测量模块均安装在载物台16上；所述控制装置15通讯连接激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块及温度测量模块；于工作时，所述控制装置15控制温度测量模块及激光发生模块开启工作，并接收曲面轨迹扫描模块所获取的曲面轮廓数据信息，计算出与曲面零件17的表面始终保持垂直的激光入射角度，接着将计算出的激光入射角度传递给激光入射角度调控模块，所述激光入射角度调控模块根据所接收的激光入射角度实时连续调整激光入射角度；所述控制装置15根据曲面轮廓数据信息和所接收的温度测量模块的温度反馈信号进行人工智能学习, 以调整往后多次反复的激光冲击波冲击强化加工时的冲击方向。
进一步，所述激光发生模块可以包括激光器1、激光电源2及激光冷却***3，安装固定在所述载物台16上，所述激光电源2电性连接激光器1及激光冷却***3。
于实际使用中，所述激光器1可以为YAG纳秒激光器，所发出的激光波长为1064nm，单次脉冲最大输出能量0-12J，脉冲宽度为8-25ns，重复频率1-10Hz，光斑直径为3-5mm；其中，所述激光电源2需满足所述激光器1的供电要求；所述激光冷却***3可以采用恒控温冷水机，控温温度范围5-35℃。
进一步，所述激光光路传导模块可以包括固定式反射镜4和可移动式反射镜5，所述固定式反射镜4安装在载物台16上，所述载物台16设有第一直线滑台01及第一滑轨02，所述可移动式反射镜5安装在第一直线滑台01上，所述第一直线滑台01可沿X轴方向运动地安装在第一滑轨02上，所述固定式反射镜4的中心与可移动式反射镜5的中心相对位置与X轴方向始终保持一致；其中，所述固定式反射镜4及可移动式反射镜5均可以选用硅平面反射镜。
进一步，所述激光入射角度调控模块可以包括旋转式反射镜6、聚焦透镜7及齿轮传动组，所述载物台16设有第二直线滑台03及第二滑轨04，所述旋转式反射镜6及聚焦透镜7均可作回转运动地安装在齿轮传动组上，所述齿轮传动组安装在第二直线滑台03，所述第二直线滑台03可沿Y轴方向运动地安装在第二滑轨04上，水平入射激光到达旋转式反射镜6的中心后，其激光反射路径能经过聚焦透镜7射出。
再者，所述齿轮传动组可以包括相互外啮合的主动轮8、双联齿轮及从动轮9。
其中，所述双联齿轮可以是由第一齿轮10及第二齿轮11同轴连成一体，所述第一齿轮10与所述主动轮8外啮合，所述第二齿轮11与所述从动轮9外啮合，所述旋转式反射镜6安装固定在所述主动轮8上，可跟随主动轮8作回转运动，所述聚焦透镜7安装固定在所述从动轮9上，可跟随从动轮9作回转运动。
进一步，所述第一齿轮10齿数可以为所述第二齿轮11齿数的一半，所述第二齿轮11、所述主动轮8和所述从动轮9的齿数相同，所述旋转式反射镜6与聚焦透镜7同向旋转，因此可获得所述主动轮8、所述双联齿轮和所述从动轮9的角速度比为1:2:2，从而实现所述旋转式反射镜6与所述聚焦透镜7在相同时间内的旋转角度比为1:2，且两者同向旋转。
进一步，所述激光聚焦模块可以包括聚焦透镜7，安装固定在所述从动轮9上，可跟随从动轮9作回转运动；其中，所述聚焦透镜可以选用硒化锌聚焦镜，使得激光器1所发出的激光束经由固定式反射镜4反射到可移动式反射镜5，再由可移动式反射镜5反射到旋转式反射镜6，接着由旋转式反射镜6反射到聚焦透镜7上，最后通过聚焦透镜7让激光束聚焦作用到曲面零件17的表面进行冲击强化加工。
进一步，所述曲面轨迹扫描模块可以包括激光测量仪12，所述激光测量仪12安装在第二直线滑台03上，可沿Y轴方向运动；其中，所述激光测量仪12将激光的发射方向调整为沿Z轴负方向，即沿Z轴方向从上往下。
其中，所述激光测量仪12的测量精度高于0.1μm，最大采样频率设置高于50kHz。
进一步，所述载物台16内可以配备可夹持曲面零件17作旋转运动以及沿Z轴方向运动的三爪卡盘13，所述载物台16设有第三直线滑台05及第三滑轨06，所述三爪卡盘13安装在第三直线滑台05上，所述第三直线滑台05可沿Z轴方向运动地安装在第三滑轨06上。
于扫描曲面零件的曲面轨迹时，所述三爪卡盘13夹持曲面零件17作旋转运动以及沿Z轴方向运动以实时调节所述激光测量仪12与曲面零件17表面的距离，使测量过程中被测的曲面零件17的几何特征全部位于所述激光测量仪12的测量区域内，所述第二直线滑台03沿Y轴方向运动以使所述激光测量仪12分段扫描曲面零件17的表面，获得分段的曲面轮廓数据信息。
于实际使用中，所述三爪卡盘13以500rpm的转速带动曲面零件17旋转，所述激光测量仪12先移动到曲面零件17回转中心轴线的正上方，再从曲面零件17的一侧沿Y轴方向以0.1mm/r的进给速度移动，所述激光测量仪12以设定的采样频率20kHz逐步小段扫描曲面零件17，获得小段曲面轨迹轮廓数据，并将其传输至控制装置15，所述控制装置15接收激光测量仪12采集的小段曲面轨迹轮廓数据，经过数据处理获得该小段轮廓的曲率方向，并根据曲率方向计算出与其表面始终保持垂直方向所需的激光入射角度。
激光冲击强化过程中，所述三爪卡盘13以1rpm的转速带动曲面零件旋转，安装在所述第二直线滑台03上的激光入射角度调控装置基于所获得的小段轮廓曲率方向进行实时调整，所述第二直线滑台03带动聚焦透镜7从曲面零件17的一侧沿Y轴方向以1mm/r的进给速度移动，本发明可针对曲面零件17实现轮廓扫描、激光冲击强化、强化区域温度采集三者同时进行的工作模式，设定工艺路径为从所述曲面零件17的一端开始，直至曲面零件17的终端，最终使强化的区域覆盖整个曲面零件17的曲面轮廓，从而实现了对曲面零件17的激光冲击表层强化作用。
进一步，所述温度测量模块可以包括红外热像仪14，所述红外热像仪14安装在第二直线滑台03上，可沿Y轴方向运动。
所述红外热像仪14基于焦平面探测器和数字读出电路技术，具备高帧频、高灵敏度、高测量精度、高解析度和高采集速率等特点，可在激光冲击强化过程中实时测量曲面零件17的表面温度，温度量程为0-3000℃，光谱范围为2.0-5.7µm，响应时间为1µs，在激光冲击强化过程中，若所述红外热像仪14测得的激光作用在曲面零件17表面的温度值出现突跃式增大或减小，则表明激光冲击强化处于非稳定工作状态。
其中，所述激光测量仪12、红外热像仪14及齿轮传动组同步运动。
具体而言，所述红外热像仪14以设定的采样频率25kHz实时采集激光冲击强化过程中的温度反馈信号，通过分析测得的每次激光作用在曲面零件17表面的峰值温度是否出现突跃式增大或减小，则可得知激光冲击强化过程的工况是否处于稳定工作状态，进一步提高了其表层强化精度；激光冲击过程中，若峰值温度的变化范围超过10℃，则表明激光冲击处于非稳定工作状态。在完成第一遍激光冲击强化处理后，借助激光测量仪12采集的曲面轮廓数据信息与红外热像仪19采集的温度反馈数据，进行人工智能深度学习，在峰值温度变化超过允许值的地方调控主动轮8的转动，最终使得聚焦透镜7的运动轨迹与曲面零件17的曲面轮廓趋近一致，从而为接下来的多次重复激光冲击强化加工提供更高的精度保障（通过上述学习的目的是为了对上述已经加工过一遍的曲面产品进行多次重复加工），实现均匀一致、有效改善零件表层残余压应力分布的强化效果。
本发明还揭示了一种激光冲击表层强化曲面零件的方法，应用上述激光冲击表层强化曲面零件的装置，包括以下步骤：
步骤1：将待加工曲面零件17装夹在载物台16上，以实现作旋转运动；
步骤2：控制曲面轨迹扫描模块沿Y轴方向运动，让载物台16使曲面零件17沿Z轴方向运动；
步骤3：所述曲面轨迹扫描模块以设定的采样频率采集测量曲面零件17的曲面轮廓数据信息，采集测量过程中，让载物台16使曲面零件17以设定的转速旋转，通过调整曲面零件17在Z轴方向上的运动，实时调节激光测量仪12与零件表面的距离，使采集测量过程中被测的曲面零件17全部位于曲面轨迹扫描模块的测量区域内，同时调整曲面轨迹扫描模块在Y轴方向上的进给运动，逐步小段扫描异形的曲面零件17，获得小段曲面轮廓数据信息，并将其传输至控制装置15；
步骤4：由控制装置15基于所获得的小段曲面轮廓数据信息计算出该小段曲面轮廓的曲率方向，并计算出与曲面零件17的表面始终保持垂直的激光入射角度；
步骤5：控制装置15通过控制激光入射角度调控模块作回转运动及沿Y轴方向运动，使激光入射角度可跟随曲面零件17曲面轮廓的变化进行实时连续调整，实现作用在曲面零件17表面的激光冲击波的冲击方向始终为法线方向，同时，在激光冲击强化过程中，控制装置15通过控制激光聚焦模块作回转运动及控制载物台16让曲面零件17沿Z轴方向运动，实现激光作用在曲面零件17上的焦距位置保持不变；
步骤6：激光冲击强化过程中，所述载物台16使异形的曲面零件17旋转，所述曲面轨迹扫描模块、激光入射角度调控模块及温度测量模块在激光冲击强化过程中沿Y轴方向运动，可针对曲面零件17实现轮廓扫描、激光冲击强化、强化区域温度采集三者同时进行；
步骤7：温度测量模块实时采集激光冲击强化过程中的曲面零件17表面的温度反馈信号，若激光作用在曲面零件17表面的温度值出现突跃式增大或减小，则表明激光冲击强化处于非稳定工作状态，需要进行相应调整；
步骤8：在完成第一遍激光冲击强化处理后，借助曲面轨迹扫描模块采集的曲面轮廓数据信息与温度测量模块采集的温度反馈信号，进行人工智能深度学习，以调整往后多次反复的激光冲击波冲击强化加工时的冲击方向；从而为接下来的多次重复激光冲击强化加工提供更高的精度保障，实现均匀一致、有效改善零件表层残余压应力分布的强化效果。
在上述的步骤5中，所述控制装置控制主动轮8的转动，从而带动旋转式反射镜6作回转运动，基于激光入射角度调控模块，安装在从动轮9上的聚焦透镜7也相应作回转运动，并可实现所述旋转式反射镜6与所述聚焦透镜7在相同时间内的旋转角度比为1:2，且两者同向旋转；如图3及图4所示工作示意图，所述旋转式反射镜6及聚焦透镜7的配合，使得激光入射角度由45°变换到30°。因此激光入射角度可跟随曲面零件17的曲面轮廓变化进行实时连续调整，从而实现作用在曲面零件17表面的激光冲击波方向始终为法线方向。同时，在激光冲击强化过程中，控制装置通过调整曲面零件17在Z轴方向上的运动，实现激光作用在曲面零件17上的焦距位置保持不变。
进一步，所述激光发生模块通过控制所发出激光的脉冲宽度、单次脉冲最大输出能量及光斑直径，实现调节激光冲击波与曲面零件17表面之间的作用强度大小。
综上所述，本发明让曲面轮廓扫描与激光冲击强化功能同时实施，提高了针对曲面零件17的激光表层强化精度；最终将高能激光诱导等离子体冲击波施加于曲面零件17表层，从而起到表层强化作用。
本发明相比于现有激光冲击强化装置及方法而言，基于曲面轨迹扫描模块识别曲面零件17的异形的曲面轮廓数据信息，并通过激光入射角度调控模块进行入射角度的实时连续调整，可实现作用在曲面零件17表面的激光冲击波方向始终为法线方向，且在冲击强化过程中激光的焦距保持恒定，避免了因异形曲面轮廓而导致的曲面零件17各部分激光冲击作用能量不一致等不利影响；此外本发明的曲面轨迹扫描、激光冲击强化、温度测量同时进行，并通过结合温度反馈信号与人工智能深度学习方法提高激光冲击表层强化的精度，实现均匀一致、有效改善零件表层残余压应力分布的强化效果。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (14)
1.一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于，包括：
可提供激光束的激光发生模块；
可改变激光束传导方向的激光光路传导模块，可沿X轴方向运动；
可对激光束入射角度实时连续调整的激光入射角度调控模块，可沿Y轴方向运动及作回转运动；
可保持激光冲击强化过程中激光焦距位置不变的激光聚焦模块，可作回转运动；
用于识别曲面零件的异形曲面轮廓，获取曲面轮廓数据信息的曲面轨迹扫描模块，可沿Y轴方向运动；
用于实时监控激光冲击强化过程中曲面零件表面强化区域的温度值及热量分布的温度测量模块,可沿Y轴方向运动；
控制装置；
可让曲面零件旋转运动及沿Z轴方向运动的载物台；
所述激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块及温度测量模块均安装在载物台上；
所述控制装置通讯连接激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块及温度测量模块；
于工作时，所述控制装置控制温度测量模块及激光发生模块开启工作，并接收曲面轨迹扫描模块所获取的曲面轮廓数据信息，计算出与曲面零件的表面始终保持垂直的激光入射角度，接着将计算出的激光入射角度传递给激光入射角度调控模块，所述激光入射角度调控模块根据所接收的激光入射角度实时连续调整激光入射角度；所述控制装置根据曲面轮廓数据信息和所接收的温度测量模块的温度反馈信号进行人工智能学习, 以调整往后多次反复的激光冲击波冲击强化加工时的冲击方向。
2.如权利要求1所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述激光发生模块包括激光器、激光电源及激光冷却***，安装固定在所述载物台上，所述激光电源电性连接激光器及激光冷却***。
3.如权利要求1所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述激光光路传导模块包括固定式反射镜和可移动式反射镜，所述固定式反射镜安装在载物台上，所述载物台设有第一直线滑台及第一滑轨，所述可移动式反射镜安装在第一直线滑台上，所述第一直线滑台可沿X轴方向运动地安装在第一滑轨上，所述固定式反射镜的中心与可移动式反射镜的中心相对位置与X轴方向始终保持一致。
4.如权利要求1所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述激光入射角度调控模块包括旋转式反射镜、聚焦透镜及齿轮传动组，所述载物台设有第二直线滑台及第二滑轨，所述旋转式反射镜及聚焦透镜均可作回转运动地安装在齿轮传动组上，所述齿轮传动组安装在第二直线滑台，所述第二直线滑台可沿Y轴方向运动地安装在第二滑轨上。
5.如权利要求4所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述齿轮传动组包括相互外啮合的主动轮、双联齿轮及从动轮。
6.如权利要求5所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述双联齿轮是由第一齿轮及第二齿轮同轴连成一体，所述第一齿轮与所述主动轮外啮合，所述第二齿轮与所述从动轮外啮合，所述旋转式反射镜安装固定在所述主动轮上，可跟随主动轮作回转运动，所述聚焦透镜安装固定在所述从动轮上，可跟随从动轮作回转运动。
7.如权利要求6所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述第一齿轮齿数为所述第二齿轮齿数的一半，所述第二齿轮、所述主动轮和所述从动轮的齿数相同，所述旋转式反射镜与聚焦透镜同向旋转。
8.如权利要求5所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述激光聚焦模块包括聚焦透镜，安装固定在所述从动轮上，可跟随从动轮作回转运动。
9.如权利要求4所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述曲面轨迹扫描模块包括激光测量仪，所述激光测量仪安装在第二直线滑台上，可沿Y轴方向运动。
10.如权利要求9所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述激光测量仪的测量精度高于0.1μm，最大采样频率设置高于50kHz。
11.如权利要求9所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述载物台内配备可夹持曲面零件作旋转运动以及沿Z轴方向运动的三爪卡盘，所述载物台设有第三直线滑台及第三滑轨，所述三爪卡盘安装在第三直线滑台上，所述第三直线滑台可沿Z轴方向运动地安装在第三滑轨上。
12.如权利要求4所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述温度测量模块包括红外热像仪，所述红外热像仪安装在第二直线滑台上，可沿Y轴方向运动。
13.一种激光冲击表层强化曲面零件的方法，应用如权利要求1至12任一项所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待加工曲面零件装夹在载物台上，以实现作旋转运动；
步骤2：控制曲面轨迹扫描模块沿Y轴方向运动，让载物台使曲面零件沿Z轴方向运动；
步骤3：所述曲面轨迹扫描模块以设定的采样频率采集测量曲面零件的曲面轮廓数据信息，采集测量过程中，让载物台使曲面零件以设定的转速旋转，通过调整曲面零件在Z轴方向上的运动，实时调节激光测量仪与零件表面的距离，使采集测量过程中被测的曲面零件全部位于曲面轨迹扫描模块的测量区域内，同时调整曲面轨迹扫描模块在Y轴方向上的进给运动，逐步小段扫描异形的曲面零件，获得小段曲面轮廓数据信息，并将其传输至控制装置；
步骤4：由控制装置基于所获得的小段曲面轮廓数据信息计算出该小段曲面轮廓的曲率方向，并计算出与曲面零件的表面始终保持垂直的激光入射角度；
步骤5：控制装置通过控制激光入射角度调控模块作回转运动及沿Y轴方向运动，使激光入射角度可跟随曲面零件曲面轮廓的变化进行实时连续调整，实现作用在曲面零件表面的激光冲击波的冲击方向始终为法线方向，同时，在激光冲击强化过程中，控制装置通过控制激光聚焦模块作回转运动及控制载物台让曲面零件沿Z轴方向运动，实现激光作用在曲面零件上的焦距位置保持不变；
步骤6：激光冲击强化过程中，所述载物台使异形的曲面零件旋转，所述曲面轨迹扫描模块、激光入射角度调控模块及温度测量模块在激光冲击强化过程中沿Y轴方向运动，可针对曲面零件实现轮廓扫描、激光冲击强化、强化区域温度采集三者同时进行；
步骤7：温度测量模块实时采集激光冲击强化过程中的曲面零件表面的温度反馈信号，若激光作用在曲面零件表面的温度值出现突跃式增大或减小，则表明激光冲击强化处于非稳定工作状态，需要进行相应调整；
步骤8：在完成第一遍激光冲击强化处理后，借助曲面轨迹扫描模块采集的曲面轮廓数据信息与温度测量模块采集的温度反馈信号，进行人工智能深度学习，以调整往后多次反复的激光冲击波冲击强化加工时的冲击方向。
14.如权利要求13所述的一种激光冲击表层强化曲面零件的装置，其特征在于：所述激光发生模块通过控制所发出激光的脉冲宽度、单次脉冲最大输出能量及光斑直径，实现调节激光冲击波与曲面零件表面之间的作用强度大小。
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