本發(fā)明屬于激光加工應用領域，涉及激光立體成型和激光熔覆，尤其涉及激光熔覆中的可自動調(diào)節(jié)光斑和送粉位置的同軸送粉噴頭。

背景技術：

激光熔覆技術是指利用高能激光束將金屬粉末融化，并沉積到基體表面，形成與基體以冶金方式結合的金屬涂層。可以應用該技術對零件表面進行強化、修復零件的受損區(qū)域或者直接堆積制造出具有復雜結構的零件實體。激光熔覆技術一個最大的優(yōu)勢是能夠直接制造結構復雜的零件，但在實際操作中面臨許多難以解決的問題。結構復雜的零件上特征較多，結構尺寸也存在差異。如果選用較小的光斑進行加工，固然能夠保證加工精度，卻降低了加工效率；激光熔覆中存在的臺階效應，嚴重影響著加工零件的表面質(zhì)量，這一不利影響在對復雜曲面進行熔覆時表現(xiàn)的更為突出。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術缺陷，提供一種結構簡單，能夠連續(xù)改變激光熔覆光斑直徑大小和送粉位置，以及能夠保證粉末流匯聚焦點和激光束匯聚焦點相互重合的可自動調(diào)節(jié)光斑和送粉位置的同軸送粉噴頭。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供的一種可自動調(diào)節(jié)光斑和送粉位置的同軸送粉噴頭，包括：連接筒、噴頭主體、可變光路系統(tǒng)、可調(diào)送粉位置系統(tǒng)以及噴嘴；

所述連接筒上端與光纖激光器連接，下端與噴頭主體連接；

所述噴嘴由噴嘴內(nèi)筒和冷卻水套組成；所述的噴嘴內(nèi)筒上部設計有保護鏡片的安裝位置和與噴頭主體連接的法蘭連接部，在中部圓柱部分設計有均勻分布的保護氣體的進氣口，在錐形部分對稱的開有冷卻水進水口和和出水口，在外周均勻分布安裝耳；所述的冷卻水套，呈倒錐形，內(nèi)部具有環(huán)形的分水層；

所述噴頭主體為中空的圓柱體，噴頭主體兩側(cè)開有與圓柱軸線平行的槽口；噴頭主體上下兩端的安裝板上設計有伺服電機、滾珠絲杠副和導軌的安裝部位；并設有分別與連接筒及噴嘴內(nèi)筒連接的接口；

所述可變光路系統(tǒng)包括位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)兩部分；

所述的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩組完全相同的結構組成，兩組結構對稱安裝在噴頭主體的安裝板上；每組結構都可以獨立運動，分別用于調(diào)節(jié)透鏡A和透鏡B的位置；每組結構都包括圓柱導1、透鏡壓片、透鏡托架、導軌滑塊1、絲杠支撐座、伺服電機、連軸器、滾珠絲杠、滾珠絲杠螺母、導軌滑塊2；

所述伺服電機以螺栓固定在噴頭主體上端安裝板上，所述絲杠支撐座固定在噴頭主體下端的安裝板上；所述伺服電機與聯(lián)軸器相連；所述滾珠絲杠一端與聯(lián)軸器相連，另外一端與絲杠支撐座相連；滾珠絲杠上安裝有滾珠絲杠螺母；

所述圓柱導軌1兩端具有螺紋，通過螺母固定在噴頭主體上；所述的導軌滑塊1具有一個連接口，安裝在圓柱導軌1上；導軌滑塊1的連接口通過噴頭主體側(cè)方的槽口與透鏡托架的一端連接；所述的導軌滑塊2具有兩個連接口，安裝在對稱側(cè)的圓柱導軌1上面，其中一個連接口與滾珠絲杠螺母連接，另一個連接口通過圓柱筒側(cè)方的槽口與透鏡托架的另外一端連接；

所述光路系統(tǒng)由擴束鏡、凸透鏡A和凸透鏡B組成，它們的中心在一條直線上，并且在調(diào)節(jié)過程中保證透鏡A和透鏡B之間的距離大于凸透鏡A（3.4）和凸透鏡B（3.5）的焦距之和；凸透鏡A和凸透鏡B都安裝在透鏡托架上，由透鏡壓片固定；當導軌滑塊運動時帶動凸透鏡，在噴頭主體的中空部分移動，改變光路。

所述位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)中為了保證透鏡移動的平穩(wěn)性，透鏡托架兩側(cè)分別導軌滑塊1和導軌滑塊2連接；為了簡化結構，同側(cè)的導軌滑塊1和導軌滑塊2共用一根圓柱導軌1。

所述的可變送粉位置系統(tǒng)包括：連桿系統(tǒng)和調(diào)節(jié)機構兩部分；

所述的連桿系統(tǒng)由多個四連桿機構組成。每個四連桿機構包括銷、擺桿、螺栓螺母連接副、連桿、擺桿、導向板、調(diào)節(jié)塊1和調(diào)節(jié)塊2；調(diào)節(jié)塊1和調(diào)節(jié)塊2通過螺栓螺母連接副固定于導向板的滑槽之中；連桿的一端與噴嘴內(nèi)筒上的連接耳以銷連接，另一端和調(diào)節(jié)塊2通過螺栓螺母連接副固定；擺桿一端與調(diào)節(jié)塊1通過銷連接，另外一端與導軌滑塊3通過銷連接；

所述導向板末端都固定有一個噴粉管；所述的導向板和與調(diào)節(jié)塊1及調(diào)節(jié)塊，調(diào)節(jié)塊2和連桿之間以螺栓螺母連接副固定，可以通過改變調(diào)節(jié)塊1與調(diào)節(jié)塊2之間的距離和連桿與導向板之間的夾角獲得不同結構參數(shù)的四連桿機構，使得送粉噴頭具有多個不同的粉末流匯聚焦距變化段可選，使得送粉位置更加多樣化；

所述調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩組對稱安裝在噴頭主體的兩側(cè)的相同結構組成，每一組結構都包括伺服電機、連軸器、滾珠絲杠、滾珠絲杠螺母、絲杠支撐座、圓柱導軌2、導軌滑塊3、橫桿1和橫桿2；伺服電機、連軸器、滾珠絲杠、滾珠絲杠螺母、絲杠支撐座、圓柱導軌2和導軌滑塊3的安裝方式與之前所述可變光系統(tǒng)的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)各對應裝置的連接方式相同；所述的導軌滑塊3同樣具有兩個連接接口，其中一個與橫桿1的一端連接，同時橫桿1和滾珠絲杠螺母連接；所述調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩組結構以橫桿2剛性連接，保證所有送粉管在調(diào)節(jié)過程中能夠同步運動。這樣通過滾珠絲杠副將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并帶動導軌滑塊3沿圓柱導軌2作直線運動，以此改變擺桿與噴頭主體軸線之間的夾角。

作為改進，所述連接筒的上端設有外螺紋，連接筒通過外螺紋與光纖激光器連接

作為改進，所述連接筒的下端有與噴頭主體連接的連接法蘭，連接筒通過連接法蘭與噴頭主體連接。

作為改進，所述噴嘴內(nèi)筒和冷卻水套通過焊接或螺紋連接的方式連接。

作為改進，所述進氣口的數(shù)量為三個。

本發(fā)明的有益效果在于：（1）本發(fā)明是第一款能夠同時調(diào)節(jié)送粉位置及光斑的直徑大小、精確控制光斑位置的同軸噴頭。連續(xù)變光斑直徑設計，解決了激光熔覆效率和加工精度之間的存在的矛盾；可變送粉位置的設計可以針對不同的粉末選取最佳送粉位置，保證粉末的匯聚性和穩(wěn)定性；能精確控制光斑位置，可以保證粉末流匯聚焦點和光斑的重合，提高金屬粉末的利用率；

（2）本發(fā)明完全放棄了采用離焦法改變光斑直徑大小的設計思路，采用由擴束鏡和兩個凸透鏡組成的可調(diào)節(jié)光路，可以有效實現(xiàn)連續(xù)改變光斑的直徑大小和精確控制光斑位置的目的。能夠根據(jù)需要適時的改變光斑直徑大小，是解決激光熔覆精度和熔覆效率的有效途徑；

1.送粉位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用連桿機構，結構簡單可靠，并且連桿機構的參數(shù)是可調(diào)的。不同的連桿參數(shù)之下，具有不同的粉末流匯聚焦距調(diào)節(jié)段，在每個調(diào)節(jié)段內(nèi)焦距連續(xù)變化。增加了噴嘴對性質(zhì)差異較大金屬粉末的適應性。

2.不僅總體結構簡單，而且各零部件形狀也較為簡單易于加工制造。噴頭主要部件之間為可拆卸連接，方便維修和更換易損部件。驅(qū)動件選擇了伺服電機，傳動部件為滾珠絲杠副，導向部件為直線導軌，保證了控制精度和運動精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總體結構圖；

圖2為本發(fā)明的可變光路系統(tǒng)結構圖；

圖3為本發(fā)明的光路調(diào)節(jié)原理示意圖；

圖4為本發(fā)明的可調(diào)送粉位置系統(tǒng)結構圖；

圖5為本發(fā)明的四連桿機構結構圖；

圖6為本發(fā)明的噴嘴結構圖；

圖中：1、連接筒，1.1、擴束鏡，2、噴頭主體，3、可變光路系統(tǒng)，3.1、圓柱導軌1,3.2、透鏡壓片，3.3、透鏡托架，3.4凸透鏡A,3.5凸透鏡B，3.6、導軌滑塊1,3.7、絲杠支撐座，3.8、伺服電機，3.9、聯(lián)軸器，3.10、滾珠絲杠，3.11、滾珠絲杠螺母，3.12、導軌滑塊2,3.13、內(nèi)六角螺釘，3.14、六角螺母，4、可調(diào)送粉位置系統(tǒng)，4.1、伺服電機，4.2、聯(lián)軸器，4.3、圓柱導軌2，4.4、滾珠絲杠，4.5、滾珠絲杠螺母，4.6、橫桿1,4.7、橫桿2,4.8、導軌滑塊3，4.9、滾珠絲杠支撐座，4.10、銷，4.11、擺桿，4.12、調(diào)節(jié)塊1，4.13、螺栓螺母連接副，4.14、連桿，4.15、導向板，4.16、調(diào)節(jié)塊2，4.17、噴粉管，5、噴嘴，5.1、保護氣進氣口，5.2、安裝耳，5.3、保護鏡片，5.4、連接法蘭，5.5、噴嘴內(nèi)筒，5.6、冷卻水進水口，5.7、冷卻水套，5.8、冷卻水出水口。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

應注意到的是：除非另外具體說明，否則本實施例中闡述的部件的相對布置、數(shù)值等不限于本發(fā)明的范圍。作為優(yōu)選的，在本具體實施例中，噴粉管4.17數(shù)量選擇為四個，特別的其數(shù)量只要能夠在噴粉過程中形成完整的環(huán)形粉簾都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，數(shù)量不具體限制；相應的連接耳5.2和四連桿機構的數(shù)目都設計為四個，與噴粉管4.17數(shù)目相對應；作為優(yōu)選的，保護氣體的進氣口5.1設計為三個。

如圖1所示，一種可自動調(diào)節(jié)光斑和送粉位置的同軸送粉噴頭，包括：連接筒、噴頭主體、可變光路系統(tǒng)、可調(diào)送粉位置系統(tǒng)以及噴嘴。

如圖6所示，所述的噴嘴5由噴嘴內(nèi)筒5.5和冷卻水套5.7組成；所述的噴嘴內(nèi)筒5.5上部設計有保護鏡片5.3的安裝位置和與噴頭主體2連接的法蘭連接部5.4，在中部的圓柱部分設計有均布的三個保護氣體進氣口5.1，在錐形部分對稱的開有冷卻水進水口5.6和和出水口5.8，在外周均布四個安裝耳5.2；所述的冷卻水套5.7，呈倒錐形，內(nèi)部有環(huán)形分水層；所述的噴嘴頭5.5和冷卻水套5.7通過焊接或螺紋連接的方式連接，一起構成噴嘴5。

所述的噴頭主體2為中空的圓柱體，在圓柱體兩側(cè)開有與圓柱軸線平行的槽口；其上下兩端設計有能夠為噴頭其它部件提供安裝位置的安裝板，并且設計有分別與連接筒1和噴嘴內(nèi)筒5.5之間的連接接口。

如圖2所示，所述可變光路系統(tǒng)3主要包括光路系統(tǒng)和位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分。所述的光路系統(tǒng)由擴束鏡1.1、凸透鏡A 3.4和凸透鏡B 3.5組成，它們的中心在一條直線上；擴束鏡1.1安裝于連接筒1.1之中，固定不動。調(diào)節(jié)過程中保證透鏡A 3.4和透鏡B 3.5之間的距離大于凸透鏡A 3.4的焦距。

所述的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩組完全相同的結構組成，對稱安裝于噴頭主體2的安裝板上。每組都可以獨立運動，分別用于調(diào)節(jié)透鏡A 3.4和透鏡B 3.5的位置。每一組都由圓柱導軌1 3.1、透鏡壓片3.2、透鏡托架3.3、導軌滑塊1 3.6、絲杠支撐座3.7、伺服電機3.8、連軸器3.9、滾珠絲杠3.10、滾珠絲杠螺母3.11和導軌滑塊2 3.12組成。所述伺服電機3.8以螺栓固定在噴頭主體2的上連接板上，伺服電機3.8與聯(lián)軸器3.9相連；所述滾珠絲杠3.10一端與聯(lián)軸器3.9連接，另外一端與固定在噴嘴主體2下連接板上的絲杠支撐座3.7連接，其上安裝有絲杠螺母3.11；所述的圓柱導軌1 3.1兩端具有螺紋，通過螺栓固定在噴頭主體2上；所述的導軌滑塊1 3.6具有一個連接口，安裝在圓柱導軌1 3.1上，導軌滑塊1 3.6的連接口通過圓柱筒側(cè)方的槽口與透鏡托架3.3的一端連接；所述導軌滑塊2 3.12具有兩個連接口，安裝在對稱側(cè)的圓柱導軌1 3.6上面，其中一個連接口與滾珠絲杠螺母3.11連接，另一個連接口通過圓柱筒側(cè)方的槽口與透鏡托架3.3的另外一端連接；凸透鏡A和B都安裝在透鏡托架上3.3，由透鏡壓片3.2壓緊，透鏡托架3.3和透鏡壓片3.2以螺栓連接。當導軌滑塊1 3.6和導軌滑塊2 3.12運動時帶動凸透鏡A、B在噴頭主體2的中空部分移動，改變光路。

所述的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)中為了保證透鏡移動的平穩(wěn)性，透鏡托架3.3兩側(cè)分別與一個導軌滑塊1和導軌滑塊2連接；為了簡化結構同側(cè)的導軌滑塊1和導軌滑塊2共用一根圓柱導軌1。

圖3給出了實現(xiàn)連續(xù)改變光斑直徑大小和精確控制光斑位置的原理示意圖。擴束鏡1.1有兩個作用：其一是減小激光束的發(fā)散角，改善光束的匯聚性，其二是激光束進行擴束，使激光束直徑變大，適于后續(xù)光路的調(diào)節(jié)。對比（b）和（c）,可以看出在保持凸透鏡A 3.4和凸透鏡B 3.5的之間相對位置不變的情況下，改變凸透鏡A 3.4和凸透鏡B 3.5與擴束鏡1.1之間的相對位置就可以在保持光斑直徑大小不變的情況下改變光斑的位置；對比（a）和（c）可以看出，在改變凸透鏡A 3.4和凸透鏡B 3.5的之間相對位置，就可以連續(xù)的改變光斑直徑的大小，同時適當?shù)恼{(diào)節(jié)凸透鏡A 3.4和凸透鏡B 3.5與擴束鏡1.1之間的相對位置，就可以在連續(xù)改變光斑直徑大小的同時保持光斑的位置不變。

如圖4所示所述的可調(diào)送粉位置系統(tǒng)4包括連桿系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分。所述的連桿系統(tǒng)有四個四連桿機構組成。如圖5所示，所述的四連桿機構由銷4.10、擺桿4.11、調(diào)節(jié)塊1 4.12、螺栓螺母連接副4.13、連桿4.14、導向板4.15、和調(diào)節(jié)塊2 4.16組成。調(diào)節(jié)塊1 4.12和調(diào)節(jié)塊2 4.16以螺栓螺母連接副4.13固定于導向板4.15的滑槽之中，連桿4.14的一端與噴嘴內(nèi)筒上的安裝耳5.2以銷4.10連接，另一端和調(diào)節(jié)塊2 4.16以螺母連接副4.13固定；擺桿4.11一端與調(diào)節(jié)塊1 4.12銷連接，另外一端與導軌滑塊3 4.8以銷4.10連接。

所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)由兩組對稱安裝在噴頭主體2兩側(cè)的相同結構組成。每一組都由伺服電機4.1、連軸器4.2、圓柱導軌2 、4.3、滾珠絲杠4.4、滾珠絲杠螺母4.5、橫桿1 4.6、橫桿2 4.7、導軌滑塊3 4.8和絲杠支撐座4.9組成。所述的伺服電機4.1、連軸器4.2、滾珠絲杠4.4、滾珠絲杠螺母4.5、絲杠支撐座4.9、圓柱導軌2 4.3和導軌滑塊3 4.8的安裝方式與之前所述可變光系統(tǒng)的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)各對應裝置的連接方式相同；所述的導軌滑塊3 4.8同樣具有兩個連接接口，分別與橫桿1 4.6和橫桿2 4.7的一端連接；橫桿1 4.6和滾珠絲杠螺母4.5連接。所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩組相同結構以橫桿4.7剛性連接，保證四個送粉管在調(diào)節(jié)過程中能夠同步運動。這樣通過滾珠絲杠4.4和滾珠絲杠螺母4.5組成的滾珠絲杠副將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并帶動導軌滑塊3 4.8沿圓柱導軌2 4.3作直線運動，以此改變擺桿4.11與噴頭主體2軸線之間的夾角。

所述的在每個所述的導向板4.15末端都固定有一個噴粉管4.17；所述的導向板4.15和與調(diào)節(jié)塊1 4.12、調(diào)節(jié)塊2 4.16和連桿4.14之間以螺栓螺母連接副4.13固定，可以通過改變調(diào)節(jié)塊1 4.12與調(diào)節(jié)塊2 4.16之間的距離和連桿4.14與導向板4.15之間的夾角獲得不同結構參數(shù)的四連桿機構，使得送粉噴嘴具有多個不同的粉末流匯聚焦距變化段可選。

所述的連接筒1在上部有外螺紋可以與光纖激光器連接，下端有與噴頭主體2連接的連接法蘭，其內(nèi)部安裝有擴束鏡1.1。

故本發(fā)明能夠連續(xù)的改變光斑直徑和送粉位置，并且能夠改變光斑位置使之與粉末流匯聚焦點重合，很好的解決了激光熔覆中熔覆效率和熔覆精度之間的矛盾，有助于復雜曲面激光熔覆工藝的實現(xiàn)。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其它的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何細微修改、等同替換和改進，均應包含在本發(fā)明技術方案的保護范圍之內(nèi)。