一種激光沖擊強化自動化控制系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬表面激光強化處理領域，具體地說是一種適合復雜金屬零件激光 沖擊強化自動化控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 激光沖擊強化作為一種新型的金屬表面強化的技術，在諸多技術領域具有廣泛的 應用前景。該技術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化手段，該技術具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強、強化效 果顯著、自動化程度高以及綠色無污染等突出優(yōu)點，自產生之日起就得到了廣泛的關注和 研究。
[0003] 國內從20世紀90年代初開始進行激光沖擊強化技術的研究，主要是針對一些基 礎理論進行探索性研究和對各種鋼材和鋁合金材料進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)推廣應用的裝置，制定出正確的生產工藝，以及不 斷探索精確控制激光沖擊強化的方法，并對影響沖擊后殘余應力分布、大小、深度的因素進 行系統(tǒng)深入的研究分析。
[0004] 現(xiàn)如今，國內激光沖擊強化技術的產業(yè)化剛剛起步并具有良好的研究基礎，但要 使激光沖擊強化技術作為一種成熟的工藝在實際工程中得到廣泛的應用。但是，目前對激 光沖擊強化的研究僅停留在理論水平，很難將其合理的應用于工業(yè)生產，自動化生產的能 力較低，無法對激光工藝參數(shù)進行數(shù)字化合理控制，相關的工藝研究以及技術標準也不夠 完善。因此，提高激光沖擊強化設備的效率，降低激光沖擊強化成本，已經成為限制激光沖 擊強化技術發(fā)展的技術鴻溝。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對上述技術不足，本發(fā)明的目的提供一種適合復雜金屬零件激光沖擊強化自動 化控制的系統(tǒng)和方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] -種激光沖擊強化自動化控制方法，包括以下步驟：
[0008] 1)根據(jù)加工要求在力學分析軟件中建立零件模型并得到殘余應力分布；
[0009] 2)將殘余應力分布導入CAE分析軟件，自動生成作用在零件表面的加工運動軌 跡；同時工控機根據(jù)激光沖擊波壓力與激光噴丸工藝參數(shù)之間的關系選擇激光沖擊波壓力 設定值對應的工藝參數(shù)；
[0010] 3)將加工運動軌跡和工藝參數(shù)導入力學分析軟件進行仿真得到模擬加工后的應 變值；
[0011] 4)如果應變值在設定范圍內，則工控機將工藝參數(shù)發(fā)送至激光器，并將加工運動 軌跡發(fā)送至機器人，實現(xiàn)激光的自動加工；否則返回至步驟1)，直至應變值在設定范圍內 為止。
[0012] 所述根據(jù)加工要求在力學分析軟件中建立零件模型包括以下步驟：在力學分析軟 件中輸入激光沖擊強化性能指標、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] 一種激光沖擊強化自動化控制系統(tǒng)，包括工控機以及通過現(xiàn)場總線與其連接的激 光器、機器人；
[0015] 工控機用于分析零件的殘余應力分布、根據(jù)殘余應力分布得到機器人的加工運動 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動軌跡、工藝參 數(shù)分別輸出至機器人和激光器；
[0016] 激光器用于根據(jù)工控機發(fā)送的工藝參數(shù)發(fā)射激光；
[0017] 機器人用于根據(jù)工控機發(fā)送的加工運動軌跡實現(xiàn)零件的激光加工。
[0018] 所述機器人包括六軸聯(lián)動的軌跡機器人和三軸聯(lián)動的送水機器人。
[0019] 還包括用于視頻監(jiān)視的攝像機，其攝像頭與工控機連接。
[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)動機整體葉盤激光沖擊強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化，實現(xiàn)殘余應力定量的精確控制，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)明能夠實現(xiàn)控制的數(shù)字化、自動化、實時性，通過工控機/PLC集成控制，現(xiàn) 場總線將激光器、軌跡機器人、送水機器人、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 產生。
[0023] 3.本發(fā)明實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫提取、激光沖擊強化模型的建立、加工軌跡自動規(guī)劃、仿真 模型的導入與生成、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是激光沖擊強化裝備功能體系圖；
[0026] 圖3是激光沖擊強化裝備軟件功能示意圖；
[0027] 圖4是激光沖擊強化控制系統(tǒng)硬件示意圖；
[0028] 圖5是激光沖擊強化控制系統(tǒng)機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是激光沖擊強化流程示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0032] 本發(fā)明實現(xiàn)了自動化控制的激光沖擊強化可控的操作系統(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/PLC集成控制，現(xiàn)場總線 將激光器、軌跡機器人、送水機器人、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、激光沖擊強化模型的建立、加工軌 跡自動規(guī)劃、仿真模型的導入與生成、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] 該激光沖擊強化控制系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要包括激光器、軌跡機器人、送水機器 人、工控機；工控機上裝有軟件系統(tǒng)，主要包括機器人運動軌跡規(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系如圖2所示。如圖3所示， 機器人運動軌跡規(guī)劃軟件采用結構力學CAE分析軟件，能夠自動生成作用在金屬板料表面 的加工運動軌跡，通過限定加工區(qū)域與光斑搭接率等要求自動得到機器人單點運動軌跡； 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，與實際要求進行對比，如果 符合技術要求，則采用該工藝生產，若超出允許范圍，則需要調整參數(shù)重新設定；加工過程 監(jiān)控軟件能夠實現(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的激光器工藝參數(shù)；工控機能夠實現(xiàn)工藝參數(shù)的提取、激光 沖擊強化模型的建立、加工軌跡自動規(guī)劃、仿真模型的導入與生成、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/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)對設備的操作，人機交換控制如圖4所示。
[0034] 面向整體葉盤的激光沖擊強化成套裝備是通過以下方法實現(xiàn)的：
[0035] 首先在通用力學分析軟件中建立分析模型，根據(jù)強化后預期達到的力學效應，得 到滿足力學性能強化要求的殘余應力分布；將上述殘余應力分布導入結構力學CAE分析軟 件，自動生成作用在金屬板料表面的加工運動軌跡；根據(jù)激光沖擊波壓力與激光噴丸工藝 參數(shù)之間的關系式，由計算機控制系統(tǒng)自動選擇優(yōu)化的激光沖擊波壓力對應的激光沖擊強 化激光能量、激光脈寬、脈沖頻率、光斑大??；通過工控機/PLC集成控制，現(xiàn)場總線將激光 器、六軸聯(lián)動的軌跡機器