一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置。

背景技术

近些年激光增材制造已经有了长足的进步，但热应力控制问题和内部质量控制问题依然制约了激光增材制造零件往关键结构件上的使用。尽管后续对成形零部件采用热处理和热等静压处理可以消除残余热应力并使微小冶金缺陷闭合，但仍然无法解决成形过程中翘曲变形和较大冶金缺陷，其高周疲劳性能也未能达到锻造水平。目前为了提高机械零件的疲劳寿命，传统工艺是机械零件机加成型后，表面在进行喷丸处理，使零件表面发生塑性变形，形成残余应力，从而提高零件的疲劳强度。

目前技术途径未有多接口监控的激光熔融沉积与激光冲击强化复合加工装置相关技术装置。本技术涉及一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置，实现激光熔融沉积与激光冲击强化协同工作，在熔融沉积过程同步激光冲击在线调节内应力，提高制件抗疲劳性能。加工过程通过多接口的监测平台对熔池流畅和热场实时采集并有效捕捉激光冲击过程，实现加工过程的过程监控。

发明内容

本发明的目的是提供一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置，能够提高机械零件的疲劳寿命。

本发明所采用的技术方案是，一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置，包括有通过机械臂末端法兰相互连接的机械臂及随动托架平台，随动托架平台上安装有激光熔覆头、左限位开关、右限位开关、转盘轴承组件、伺服电机单元及旁轴多接口监控平台；转盘轴承组件上还连接有激光冲击强化头单元，激光冲击强化头单元位于左限位开关与右限位开关之间的限位区间，限位区域是0-180°；激光熔覆头的一侧壁通过第一连接件连接有同轴多接口监控平台；伺服电机单元与转盘轴承组件配合使用。

本发明的特征还在于，

随动托架平台包括有竖直设置的支架，支架的上端设置有竖直放置的法兰端，支架的下端设置有水平设置的圆环形沉槽；随动托架平台的法兰端与机械臂末端法兰通过螺钉固连；激光熔覆头竖直穿过圆环形沉槽圆心处，通过中间转接件与随动托架平台的法兰端连接；

左限位开关及右限位开关安装在圆环形沉槽的外壁上；

转盘轴承组件包括有内压板、外压板、转盘轴承、截面为“L”型的托架式大齿轮；转盘轴承安装在圆环形沉槽内，转盘轴承上方由内至外设置有内压板及外压板，内压板及外压板固定在圆环形沉槽的上缘处，托架式大齿轮包括有环形托架及安装在环形托架上的大齿轮；

外压板用于固定固定转盘轴承的外圈；

内压板包括有环形上压板，环形上压板用于固定转盘轴承内圈，环形上压板下方竖直设置有环形壁板，环形壁板与托架式大齿轮的环形托架连接；

所述伺服电机包括有伺服电机及“U”型连接件，伺服电机通过“U”型连接件与支架的底端连接；伺服电机的电机轴穿过“U”型连接件的侧壁后连接有小齿轮连接；小齿轮与托架式大齿轮的大齿轮啮合；

激光冲击强化头单元固接在托架式大齿轮中大齿轮的下表面；

旁轴多接口监控平台与随动托架平台的支架固接。

激光冲击强化头单元包括有激光冲击强化头及安装在大齿轮下表面的“T”型座，激光冲击强化头通过吊耳与“T”型座连接。

吊耳与“T”型座通过若干个螺钉固接。

旁轴多接口监控平台包括有监控传感器及钢管，钢管上套有十字型连接件，十字型连接件的一端端部连接有第一T型支架座，十字型连接件通过第一T型支架座与监控传感器连接；钢管一端端部连接有第二T型支架座，钢管通过第二T型支架座与随动托架平台的支架固接。

同轴多接口监控平台包括有光路分光单元，光路分光单元上连接有若干个监控传感器，光路分光单元第一连接件与激光熔覆头的一侧壁连接。

监控传感器为高温计或具有CCD传感器或 CMOS传感器属性的相机。

本发明的有益效果是：

（1）本发明装置可将典型材料的成熟激光冲击强化后处理工艺嵌入复合制造过程，形成复合制造工艺，一步实现分步效果，加工过程质量实时监测，优化加工工艺参数，从而提高成型件性能和生产工艺效率，可部分替代成形制造后再喷丸强化的工艺。

（2）本发明装置能提高机械零件的疲劳寿命。现有传统技术提高机械零件疲劳寿命的方法是在机械零件加工成型后，在其表面在进行喷丸处理，使表面产生预压应力，以此提高零件的疲劳强度。该加工方式存在加工工序多、效率低、过程质量无法实时监测的问题。本发明的目的是提供一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置，实现熔融沉积过程同步激光冲击在线调节内应力，提高零件的疲劳强度，同时可通过多传感器平台装置实时监测加工过程质量。

附图说明

图1是本发明一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置的结构示意图；

图2是本发明复合加工装置的右侧视图；

图3是本发明复合加工装置的图1的俯视图；

图4是本发明复合加工装置的图1的仰视图；

图5是本发明复合加工装置的转盘轴承组件的截面图；

图6是本发明复合加工装置中的电机局部示意图；

图7是本发明复合加工装置中的激光冲击强化头局部示意图；

图8是本发明复合加工装置中的监控传感器处的结构示意图；

图9是本发明复合加工装置工作原理示意图；

图10是本发明复合加工装置一种轨迹图。

图中，1.机械臂，2.机械臂末端法兰，3.激光熔覆头，4.左限位开关，5.伺服电机，6.同轴多接口监控平台，7.随动托架平台，8.右限位开关，9.转盘轴承组件，10.激光冲击强化头，11.旁轴多接口监控平台，12.中间转接件，13.内压板，14.外压板，15.转盘轴承，16.托架式大齿轮，17.“U”型连接件，18.小齿轮，19.螺钉，20.吊耳，21.“T”型座，22.激光熔覆头的光纤连接端，23. 激光冲击强化头的光纤连接端，24.第一连接件，25.第一T型支架座，26.钢管，27. 十字型连接件，28.监控传感器，29.第二T型支架座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种多接口监控的激光熔覆与冲击强化复合加工装置，如图1-8所示，包括有通过机械臂末端法兰2相互连接的机械臂1及随动托架平台7，随动托架平台7上安装有激光熔覆头3、左限位开关4、右限位开关8、转盘轴承组件9、伺服电机单元及旁轴多接口监控平台11；转盘轴承组件9上还连接有激光冲击强化头单元，激光冲击强化头单元位于左限位开关4与右限位开关8之间的限位区间，限位区域是0-180°；激光熔覆头3的一侧壁通过第一连接件24连接有同轴多接口监控平台6；激光熔覆头3侧面配置可接同轴光学设备的法兰接口（或螺纹接口）。同轴多接口监控平台6通过一个第一转接件24固连在激光熔覆头3侧面法兰接口（或螺纹接口）上；伺服电机单元与转盘轴承组件9配合使用。激光熔覆头的光纤连接端22通过光纤连接至激光器；激光熔覆头3作用将激光、金属粉末以及保护气沿设定路径进行整合输出，最终熔化金属粉末。激光冲击强化头的光纤连接端23通过光纤连接至激光器。激光冲击强化头10作用为利用高功率密度的短脉冲激光照射金属表面，最终产生残余压应力，提高金属材料抗疲劳寿命。

随动托架平台7包括有竖直设置的支架，支架的上端设置有竖直放置的法兰端，支架的下端设置有水平设置的圆环形沉槽；随动托架平台7的法兰端与机械臂末端法兰2通过螺钉固连；激光熔覆头3竖直穿过圆环形沉槽圆心处，通过中间转接件12与随动托架平台7的法兰端连接。中间转接件12两端均为法兰端面。一端与激光熔覆头3本体的多孔壁面通过螺钉固连。另一端与随动托架平台7的法兰端面通过螺钉固连。

左限位开关4及右限位开关8安装在圆环形沉槽的外壁上；

转盘轴承组件9包括有内压板13、外压板14、转盘轴承15、截面为“L”型的托架式大齿轮16；转盘轴承15安装在圆环形沉槽内，转盘轴承15上方由内至外设置有内压板13及外压板14，内压板13及外压板14固定在圆环形沉槽的上缘处，用于固定转盘轴承15及托架式大齿轮16；托架式大齿轮16包括有环形托架及安装在环形托架上的大齿轮；

外压板14用于固定转盘轴承15的外圈；

转盘轴承15包括外圈、内圈和滚动体。其中外圈与随动托架平台7圆形凹槽内表面配合，保持相对静止。内圈与截面为“L”型托架式大齿轮16凹面配合，保持相对静止。

内压板13包括有环形上压板，环形上压板用于固定转盘轴承15内圈，环形上压板下方竖直设置有环形壁板，环形壁板与托架式大齿轮16的环形托架连接；环形壁板与环形托架通过凹凸结构用于固定托架式大齿轮16；

伺服电机包括有伺服电机5及“U”型连接件17，伺服电机5通过“U”型连接件17与所述支架的底端连接；伺服电机5的电机轴穿过“U”型连接件17的侧壁后连接有小齿轮18连接，小齿轮18内孔与电机轴末端过渡配合，并通过顶丝固定；小齿轮18与托架式大齿轮16的大齿轮啮合；

激光冲击强化头单元固接在托架式大齿轮16中大齿轮的下表面；

旁轴多接口监控平台11与随动托架平台7的支架固接。

激光冲击强化头单元包括有激光冲击强化头10及安装在大齿轮下表面的“T”型座21，激光冲击强化头10通过吊耳20与“T”型座21连接。激光冲击强化头的光纤连接端23通过光纤连接至激光器，激光冲击强化头10作用为利用高功率密度的短脉冲激光照射金属表面，最终产生残余压应力，提高金属材料抗疲劳寿命。

吊耳20与“T”型座21通过若干个螺钉19固接。

旁轴多接口监控平台11包括有监控传感器28及钢管26，钢管26上套有十字型连接件27，十字型连接件27的一端端部连接有第一T型支架座25，十字型连接件27通过第一T型支架座25与监控传感器28连接；钢管26一端端部连接有第二T型支架座29，钢管26通过第二T型支架座29与随动托架平台7的支架固接。十字型连接件27是个十字交叉带孔的钢管紧固连接件，通过零件本体的螺钉锁紧钢管。监控传感器28通过转接板适配第一T型支架座25的底座接口，进而与T型支架座固连。

通过第一T型支架座25、第二T型支架座29、十字型连接件27与钢管26的锁紧螺钉，实现调节钢管26在第一T型支架座25、第二T型支架座29、十字型连接件27伸缩及旋转的状态。最终实现监控传感器的多自由度调节，满足视窗要求。同时根据需要，十字型连接件27和钢管26可自由搭配，实现多个监控传感器的安装固定，实现多属性数据信息采集。该装置可根据实际需求连接监控传感器，结构牢固可靠，具有适配性广、多自由度、多接口等特点。

同轴多接口监控平台6包括有光路分光单元，光路分光单元上连接有若干个监控传感器，光路分光单元本身具有多个螺纹接口（或法兰接口），用于固连所需的监控传感器。光路分光单元通过第一连接件24与激光熔覆头3的一侧壁连接。上述监控传感器为高温计或具有CCD传感器或 CMOS传感器属性的相机。

监控传感器28为高温计或具有CCD传感器或 CMOS传感器属性的相机。

本发明装置的工作原理：

多接口监控的激光熔覆与激光冲击强化复合加工装置通过机械臂1提供动力源，按照既定轨迹可往复运动，如图9-10所示。激光冲击强化头10以激光熔覆头3为中心，绕托架式大齿轮16做旋转往复运动。

为了保证激光熔覆与激光冲击强化复合加工（随动加工），加工过程保证激光熔覆在前，激光冲击强化头10在后面。按照图10示轨迹，当从左往右，由起点开始机械臂1带动激光熔覆头3向右直线运动，激光冲击强化头10在左端，当激光熔覆头3运动到轨迹线终点，激光熔覆头3停止运动，激光停止出光。这时伺服电机5通过小齿轮18驱动大齿轮转动，最终带动激光冲击强化头10旋转到最右端。旋转起点和终点触发左右限位开关限制转动范围，防止和其他部件碰撞。至此完成一条轨迹线的符合加工。当从右往左，由起点开始机械臂1带动激光熔覆头3向左直线运动，激光冲击强化头10在右端，当激光熔覆头3运动到轨迹线终点，激光熔覆头3停止运动，激光停止出光。这时伺服电机5通过小齿轮18驱动大齿轮转动，最终带动激光冲击强化头10旋转到最左端。旋转起点和终点触发左右限位开关限制转动范围，防止和其他部件碰撞。至此完成一条轨迹线的符合加工。如此往复运动，实现激光熔覆与冲击强化复合加工，解决复合加工（随动加工）问题。

激光熔覆头3的光学接口可接入同轴多接口监控平台6，平台可安装多因子监测传感器，实现同轴多参数数据监测。旁轴多接口监控平台11，固定在随动托架平台7上，平台可安装多因子监测传感器，实现旁轴多参数数据监测。

此外，根据熔覆与强化复合加工工艺要求的不同，激光熔覆头3在往复直线运动的同时，激光冲击强化头10还可同步旋转运动复合加工，完成其他预定轨迹的复合加工。

本装置在激光熔融沉积的每一道每一层的过程中同步激光冲击强化在线调节内应力，实现制件激光熔融沉积层张应力转变为压应力，同时细化晶粒，提高制件抗疲劳性能。同时利用同轴和旁轴监控平台的多传感器实现加工过程的缺陷检测，实现增材缺陷在线智能识别。