本發明涉及激光沖擊強化加工領域，尤其涉及一種激光強化加工中測量激光加工點的裝置及方法。

背景技術：

激光沖擊強化(Laser Shocking Peening，LSP)技術，也稱激光噴丸技術。當高功率密度(GW/cm量級)、短脈沖(10～30ns量級)的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫(＞10K)、高壓(＞1GPa)等離子體。該等離子體繼續吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時，材料發生塑性變形并在表層產生平行于材料表面的拉應力。激光作用結束后，由于沖擊區域周圍材料的反作用，其力學效應表現為材料表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在，可引起裂紋的閉合效應，從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力，延長疲勞裂紋擴展壽命。

在現有的激光沖擊強化技術中，采用直尺和人工計算的方式測量激光加工點的位置信息，首先人工計算焦點與激光頭的距離，然后通過直尺測量出空間焦點相對激光頭的位置，進而確定激光加工點的位置，采用這種方法測量的效率和精度較低，誤差可達到1-3mm，從而影響激光焦點的集中程度，造成能量的浪費和產品質量的不穩定。

技術實現要素：

本發明主要解決現有技術中測量激光加工點的效率和精度較低的技術問題，提出一種激光強化加工中測量激光加工點的裝置及方法，以達到準確測量激光強化加工點位置、提高測量激光加工點的效率和精度目的。

本發明提供了一種激光強化加工中測量激光加工點的裝置，包括：激光器(101)、激光頭(103)、軌跡機器人(104)和尖錐(106)；

所述激光器(101)出射的激光通過光路系統(102)達到激光頭(103)；所述激光頭(103)的出射端朝向工件加工區域(107)；

所述軌跡機器人(104)機械手臂的關節轉動位置設置有角度傳感器，所述軌跡機器人(104)的機械手臂末端與尖錐(106)連接；所述尖錐(106)朝向工件加工區域(107)，并與激光頭(103)相對；所述尖錐(106)包括圓盤和設置在圓盤中心的柱狀凸起，在柱狀凸起頂端貼有像素紙。

進一步的，所述軌跡機器人(104)的機械手臂末端通過法蘭盤(105)連接尖錐(106)。

進一步的，所述法蘭盤(105)與尖錐(106)通過過盈配合。

對應的，本發明還提供了一種激光強化加工中測量激光加工點的方法，包括以下步驟：

步驟1，將激光器(101)打開到最小功率，激光器(101)出射的激光通過光路系統(102)達到激光頭(103)；

步驟2，在激光頭(103)上安裝發射引導光束的光源，使引導光束與激光頭(103)發射激光的中線平行，其中，引導光速為可見光圓柱光束，直徑不超過尖錐(106)的直徑；

步驟3，控制軌跡機器人(104)，并利用引導光束使尖錐(106)朝向激光頭(103)；

步驟4，通過控制軌跡機器人(104)來調節尖錐(106)的位置，當激光焦點與像素紙重合時，像素紙變色，此時變色部位為激光焦點；

步驟5，讀取軌跡機器人(104)各關節位置，并通過各關節位置得出激光焦點的空間坐標。

本發明提供的一種激光強化加工中測量激光加工點的裝置及方法，能夠準確測量激光強化加工點位置，提高測量激光加工點的效率和精度，與現有技術相比，具有以下優點：

1、測量精度高：本發明采用軌跡機器人測量激光加工點位置，軌跡機器人關節處配有高精度角度傳感器，軌跡機器人控制系統根據傳感器傳回的數據，通過計算得出空間坐標點位置，測量精度非常高。

2、測量準確：利用像素紙遇一定強度的特殊光照變色的原理，通過尖錐頂部粘貼的像素紙變色來確定激光加工點位置，測量值更準確。

3、測量出激光中線：本發明采用輔助引導光束在尖錐上的投影來確定激光中線的方向，這樣當加工件表面法線與激光中線垂直時，激光沖擊強化的能量利用率最好。

附圖說明

圖1是本發明提供的激光強化加工中測量激光加工點的裝置的結構示意圖；

圖2是尖錐的結構示意圖；

圖3是法蘭盤和尖錐的截面圖。

具體實施方式

為使本發明解決的技術問題、采用的技術方案和達到的技術效果更加清楚，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。

圖1是本發明提供的激光強化加工中測量激光加工點的裝置的結構示意圖。如圖1所示，本發明實施例提供的激光強化加工中測量激光加工點的裝置包括：激光器101、激光頭103、軌跡機器人104和尖錐106。

所述激光器101出射的激光通過光路系統102達到激光頭103，光路系統102例如為兩個延長線垂直的平面鏡，通過兩個平面鏡能夠將激光傳到激光頭103。所述激光頭103的出射端朝向工件加工區域107；所述軌跡機器人104機械手臂的關節轉動位置設置有角度傳感器，所述軌跡機器人104的機械手臂末端與尖錐106連接；所述尖錐106朝向工件加工區域107，并與激光頭103相對。具體的，所述軌跡機器人104的機械手臂末端通過法蘭盤105連接尖錐106，法蘭盤105與尖錐106通過螺釘108和定位銷連接。圖2是尖錐的結構示意圖。圖3是法蘭盤和尖錐的截面圖。參照圖1、2和3，所述法蘭盤105與尖錐106通過過盈配合。法蘭盤105，能夠調整尖錐106中心線與軌跡機器人104機械手臂末端連接面的垂直度。所述尖錐106包括圓盤和設置在圓盤中心的柱狀凸起，在柱狀凸起頂端貼有像素紙。像素紙是一種感光紙，在特殊光線達到一定強度的情況下，在紙上光照的部位將會變色，本發明利用像素紙尋找光線聚焦的點。

本發明裝置的工作過程：激光器101發出的激光束，通過安裝在激光器101正前方的光路系統102直接傳輸到工件加工區域107或者通過光路系統102和激光頭103傳輸到工件加工區域107，對加工工件起到強化作用。六自由度的軌跡機器人104能夠帶動尖錐106移動，通過反復實踐，找到激光加工點位置。軌跡機器人104在找到加工點位置之后，利用軌跡機器人104關節上的角度傳感器傳出的數據，經過控制系統的計算，得出軌跡機器人104末端尖錐106尖部的空間坐標，即激光加工點位置。進一步，將此空間坐標傳給激光加工設備的工件移動裝置，工件移動裝置根據坐標移動待加工件，使待加工件表面加工位置正好處于激光加工點。

本發明實施例還提供一種激光強化加工中測量激光加工點的方法，在加工工件之前，待加工工件尚未進入加工區域，此時啟動激光強化加工中測量激光加工點的裝置對激光聚焦焦點(激光加工點)的位置坐標進行測量。尖錐106尖部粘貼一張像素紙，使尖錐106指向激光頭103。激光器101的光束能夠通過光路系統102達到激光頭103進而打到像素紙上。

本發明實施例提供的激光強化加工中測量激光加工點的方法，具體包括以下步驟：

步驟1，將激光器101打開到最小功率，激光器101出射的激光通過光路系統102達到激光頭103。

步驟2，在激光頭103上安裝發射引導光束的光源，調整光源使引導光束與激光頭103發射激光的中線平行，其中，引導光速為附加小型可隨時拆除的設備,該設備發出細小的可見光圓柱光束，直徑不超過尖錐106的直徑。

步驟3，尖錐106初始時尖部上粘貼一塊像素紙，之后根據激光頭上安裝的引導光束發出的圓柱光,控制軌跡機器人104，由于引導光束與激光頭103中心線平行,因此可以利用引導光束使尖錐106朝向激光頭103；尖錐大致位置確定后關閉引導光束。

步驟4，通過控制軌跡機器人104不斷調節尖錐106的位置，當激光焦點與像素紙重合時，像素紙變色，此時變色部位為激光焦點，即待加工工件的加工點。具體的，像素紙當很弱的激光經過激光頭103聚焦后，焦點位置可使像素紙變色，像素紙變色后平移焦點位置至尖錐106的尖部，此時尖錐106的尖部就是激光焦點。

步驟5，當尖錐106尖部像素紙變色時，軌跡機器人104自帶控制系統讀取軌跡機器人104各關節位置，并通過各關節位置得出激光焦點的空間坐標。

本發明的方法借助機器人測量系統得到測點的位置。測量激光加工點位置信息包含6個維度(x、y、z、rx、ry、rz)，精度為0.1mm。驅動機器人進行激光沖擊強化加工的數據是加工點的位置和法矢，即一個六維數據點集(x、y、z、rx、ry、rz)。這種測控加工一體化的方法要求在測量過程中不僅給出測點的位置(x,y,z)，還要通過相應程序計算得出測點的姿態,即法矢(rx，ry，rz)，以便為后續加工程序做準備。其中，法矢的測量原理：根據微分幾何原理,曲面上不在直線上的三點距離足夠近時,其形成的平面可以近似作為該點切平面。因此，機器人在測量加工點時,首先通過步驟5讀取激光加工點的位置(x0，y0，z0)，再在激光加工點附近任意選取不在一條直線上的三點，三點位置距離激光加工點越近越好，此三點稱為密測點，分別測出這三個點的(x1，y1，z1)(x2，y2，z2)(x3，y3，z3)，通過這三個密測點的位置坐標計算出此三點所在的平面，那么該三點形成平面的法矢可近似作為測點的法矢，即法矢(rx，ry，rz)。

另外，由于當待加工工件表面法線與激光中線垂直時，激光沖擊強化的能量利用率最好，并且確定激光中線方向可以使像素紙受光變色時光斑更小，可以增加測量加工點位置精度。所以本發明采用輔助引導光束在尖錐上的投影來確定激光中線的方向。具體的，在設備測量加工點之前，首先設置引導光束與中線方向平行，然后將尖錐106的尖部指向引導光束的光源，引導光束為可見光，照射在尖錐106的面上形成一個圓錐光斑，通過人工調整軌跡機器人104，使圓錐光斑成為正圓錐，此時尖錐106的中線方向就是引導線的中線方向，也就是激光頭中線的方向，此時記錄軌跡機器人104傳感器信息，通過系統計算得出激光頭中線的方向。

本實施例的激光強化加工中測量激光加工點的方法，通過引導光束找到激光加工點的大致位置，移動尖錐106到激光加工點附近，尖錐106上貼有像素紙，激光打到像素紙上，會在像素紙上留下痕跡，通過像素紙上的痕跡點判斷激光加工點與尖錐106是否重合，在這過程中，不斷調整尖錐106位置，直到與激光加工點重合。然后在機器人自帶控制系統中讀出尖錐的坐標位置，繼而得出激光加工點位置。測量過程中不僅獲取了測點位置,還得到姿態信息，位姿數據被后續加工利用，使得測量和加工緊密結合。

本發明基于聲壓特征的激光強化加工中測量激光加工點的方法可由本發明任意實施例提供的激光強化加工中測量激光加工點的裝置來實現。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。