表面流動水膜的實時監控裝置及其實時監控方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及激光加工材料表面強化技術領域，尤其涉及一種表面流動水膜的實時監控裝置。本發明還涉及對應的表面流動水膜的實時監控方法。
【背景技術】
[0002]激光噴丸強化是一種新型的材料表面強化技術，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規噴丸技術相比，其殘余壓應力層更深。激光噴丸的原理是利用脈沖激光(能量I?100J，脈寬I(KBOns)在約束狀態下(水膜或玻璃)跟吸收層(鋁箔或其他材料)產生等離子爆炸，可產生強度高達幾個吉帕斯卡的壓力，該壓力通過吸收層傳播至工件，可對工件表層產生高幅殘余壓應力，由于吸收層的保護作用，工件表面不會受到熱灼燒。21世紀初，美國將激光噴丸技術應用到FlOl、F119和F414發動機葉片的強化和再制造上。
[0003]飛機發動機葉片的疲勞斷裂是影響發動機正常工作的主要因素之一，激光噴丸強化飛機發動機葉片具有無可比擬的優勢。發動機葉片的疲勞斷裂主要發生在葉片邊緣，激光噴丸處理主要對葉片邊緣區域進行強化。激光噴丸強化飛機發動機葉片中，通常采用流動水膜作為約束層，為了保證沖擊波壓力的穩定以及激光噴丸效果的一致性，必須保證流動水膜的均勻一致性。因此，需要發明一種監控裝置以及監控方法來監控流動水膜的狀態。
【發明內容】
[0004]針對現有技術不足，本發明要解決的技術問題是提供一種可便捷且準確地規劃出水膜噴涂路徑和流量控制的表面流動水膜的實時監控裝置，并提供一種可便捷且準確地規劃出水膜噴涂路徑和流量控制的表面流動水膜的實時監控方法，以動態監測水膜的狀態包括均勻性和控制水膜的厚度。
[0005]為了克服現有技術不足，本發明采用的設備技術方案是:一種表面流動水膜的實時監控裝置，其包括以高能脈沖激光器的中心線為工作軸對稱設置于兩側的定位激光器和CCD顯示器、表面穿過定位激光器發出的可見激光束的中心線與工作軸的交點并附貼于工件待處理表面的反射膜、夾持工件并可自由調節其位置和方向的工件機械手、朝向工件待處理表面并噴出覆蓋在反射膜表面的流動水膜的噴水頭、通過管路與噴水頭連接并連接水源的調節閥、夾持噴水頭的涂水機械手、通過數據線分別與CCD顯示器和涂水機械手以及工件機械手電性連接的工控機，所述可見激光束被反射膜反射至CCD顯示器。
[0006]作為本發明表面流動水膜的實時監控裝置的技術方案的一種改進，所述可見激光束的軸線與工作軸相交成45度角。
[0007]作為本發明表面流動水膜的實時監控裝置的技術方案的一種改進，所述定位激光器的側方設有正對工作軸與可見激光束軸線的交點的高清攝像頭。
[0008]作為本發明表面流動水膜的實時監控裝置的技術方案的一種改進，所述定位激光器為氦氖激光器，其發出的可見激光束為平行激光束，功率為I?5毫瓦，激光束直徑為10微米。
[0009]作為本發明表面流動水膜的實時監控裝置的技術方案的一種改進，所述反射膜為銅膜，其厚度為100?150微米。
[0010]作為本發明表面流動水膜的實時監控裝置的技術方案的一種改進，工件的表面為平面或曲面，曲面的曲率半徑大于200_。
[0011]作為本發明表面流動水膜的實時監控裝置的技術方案的一種改進，所述可見激光束輻照在反射膜的入射點中心法向與工作軸重合。
[0012]為了克服現有技術不足，本發明對應采用的方法技術方案是:一種表面流動水膜的實時監控方法，其使用上述的表面流動水膜的實時監控裝置，并包括以下步驟:
A、設置測量點:將貼有反射膜的工件裝夾到工件機械手，按預設的加工路徑布置多個水膜厚度測量點，按順序記為S1、S2、S3、……、Sn;
B、將工件機械手的位置調整至第一個測量點SI，打開定位激光器并記錄下反射激光束在CCD顯示器中的坐標Pl;打開噴水頭，調整涂水機械手以及調節閥使反射膜表面獲得一層均勻的水膜，在CCD顯示器中記錄下經折射的反射激光束的坐標P2;
C、計算出Pl與P2的距離d，通過可見激光束與工作軸之間的入射夾角計算獲得水膜厚度T;
D、通過反復調整涂水機械手和調節閥并計算Pl至P2的距離，獲得指定厚度的均勻水膜，記錄下涂水機械手的坐標Rl以及調節閥的流量；
E、重復步驟B至D，對所有測量點S1、S2、S3、……、Sn的水膜狀態進行調整使其形成指定厚度的均勻水膜，記錄下每個測量點的涂水機械手的坐標R2、R3、……、Rn;通過Rl、R2、R3、……、Rn坐標，利用曲線擬合軟件獲得涂水機械手的五軸運動軌跡。
[0013]作為本發明表面流動水膜的實時監控方法的技術方案的一種改進，其中步驟B具體為，通過工控機將工件機械手的位置調整至第一個測量點SI，打開定位激光器使可見激光束輻照到反射膜，形成反射激光束并由CCD顯示器接收，記錄下反射激光束在CCD顯示器中的坐標Pl;打開噴水頭，調整涂水機械手的坐標以及調節閥的流量直至在反射膜表面獲得一層均勻的水膜，可見激光束由空氣入射到水膜發生折射，然后經反射膜反射，由水膜入射到空氣中再次發生折射，在CXD顯示器中記錄下反射激光束的坐標P2。
[0014]作為本發明表面流動水膜的實時監控方法的技術方案的一種改進，步驟C中，可見激光束與工作軸之間的入射夾角為45度，由幾何運算可得，水膜的厚度T=0.75*d。
[0015]本發明的有益效果是:本發明的表面流動水膜的實時監控裝置，使平行可見激光束與工作軸成一定角度，入射到工件表面，利用激光束從空氣入射到水發生折射的原理來測量激光噴丸強化中流動水膜的厚度，并通過涂水機械手來改變水膜的狀態包括穩定性和厚度等，記錄激光噴丸過程路徑取點所對應的涂水機械手的五軸坐標，從而可以通過曲線擬合獲取涂水軌跡曲線，保證激光噴丸強化過程對應配合進行指定厚度并保持均勻性的涂水，工件路徑變化過程維持水膜厚度均勻且恒定。
[0016]本發明的表面流動水膜的實時監控方法采用微米直徑的平行激光束與工作軸成一定角度，并通過比較反射光的位置，以及采用五軸聯動涂水機器人，可以實時監控流動水膜的厚度，保證了整個強化過程中流動水膜的平穩性以及均勻一致性，本發明特別適用于激光噴丸強化飛機發動機葉片以及汽輪機葉片等小曲率曲面。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明一種表面流動水膜的實時監控裝置的涂水狀態構造示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面對本發明的實施方式進行具體描述。
[0019]如圖1所示，圖中展示了本發明一種表面流動水膜的實時監控裝置，其包括以高能脈沖激光器的中心線為工作軸15對稱設置于兩側的定位激光器2和CCD顯示器1、表面穿過定位激光器2發出的可見激光束3的中心線與工作軸15的交點并附貼于工件6待處理表面的反射膜5、夾持工件6并可自由調節其位置和方向的工件機械手12、朝向工件6待處理表面并噴出覆蓋在反射膜5表面的流動水膜7的噴水頭8、通過管路1與噴水頭8連接并連接水源的調節閥9、夾持噴水頭8的涂水機械手11、通過數據線13分別與CCD顯示器I和涂水機械手11以及工件機械手12電性連接的工控機14，所述可見激光束3被反射膜5反射至CCD顯示器I。本發明的表面流動水膜的實時監控裝置，使平行可見激光束3與工作軸15成一定角度，入射到工件表面，利用激光束從空氣入射到水發生折射的原理來測量激光噴丸強化中流動水膜的厚度，并通過涂水機械手11來改變水膜的狀態包括穩定性和厚度等，記錄激光噴丸過程路徑取點所對應的涂水機械手11的五軸坐標，從而可以通過曲線擬合獲取涂水軌跡曲線，保證激光噴丸強化過程對應配合進行指定厚度并保持均勻性的涂水，工件路徑變化過程維持水膜厚度均勻且恒定。
[0020]具體過程是:首先關閉噴水頭8，將激光束輻照到反射膜5，記錄反射光在CCD顯示器I的位置;然后打開噴水頭8，激光束入射到水膜7并反射，由于折射，在CCD顯示器I中位置發生偏移，通過兩點的距離計算出水膜厚度，并通過涂水機械手11調整水膜狀態。采用本發明可以實時監控激光噴丸強化曲面中水膜的狀態，可以便捷且準確地規劃出水膜噴涂路徑和流量控制，以動態監測水膜的狀態包括均勻性和控制水膜的厚度，保證了整個強化過程中流動水膜的平穩性以及均勻一致性，特別適用于激光噴丸強化飛機發動機葉片以及汽輪機葉片等小曲率曲面。
[0021]激光噴丸強化裝置設有高能脈沖激光器，其發出的激光束經凸透鏡聚焦后可對工件6的表面進行激光噴丸強化處理。激光噴丸強化的激光束是高功率密度脈沖激光束，激光束的功率密度為109W/cm2?1010W/cm2，脈沖能量為I?100J，脈沖寬度為5?30ns，激光重復頻率為5?20Hz。激光噴丸強化過程所需的流動水膜7的厚度為I?2mm。工控機14可以獲得CCD顯示器I的圖像;工控機14可以控制涂水機械手11五軸聯動;工控機14可以控制工件機械手12五軸聯動，從而對整個加工過程進行遠程操控。
[0022]更佳地，所述可見激光束3的軸線與工作軸15相交成45度角，可以方便地計算水膜的厚度，便于對應不同的工件位置快速調節水膜的噴涂狀態獲得所需的水膜厚度。
[0023]更佳地，所述定位激光器2的側方設有正對工作軸15與可見激光束3軸線的交點的高清攝像頭4，從而可以采用視頻監控觀測流動水膜的狀態，工控機14可以獲得高清攝像頭4的視頻，確保遠程操控能夠細致觀察水膜的狀態，一般控制水膜的效