一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法
阅读说明：本技术 一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法 (double-robot linkage interference-free laser shock strengthening method ) 是由 张峥 吴瑞煜 张永康 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法,该方法通过使用两台6自由度的机器人,编程控制12轴联动完成空间协同运动,实现复杂曲面上无干涉、等强度的激光冲击强化。无干涉包含两方面,一是零件与机器人之间的空间运动无干涉,二是激光束光路与零件、机器人均无干涉。等强度包含两方面,一是激光束聚焦于零件曲面上的焦距恒定,二是区域内激光束入射角恒定。本发明所提供的激光冲击强化方法具有空间自由度高、工艺稳定性良好的优点,适合处理复杂曲面类零件,如风扇叶片、压气机叶片等。(The invention discloses a double-robot linkage interference-free laser shock strengthening method, which uses two robots with 6 degrees of freedom to program and control 12 shafts to complete spatial cooperative motion, so as to realize the laser shock strengthening without interference and with equal intensity on a complex curved surface, wherein the interference-free robot comprises two aspects, is the spatial motion between a part and a robot without interference, a laser beam light path does not interfere with the part and the robot, the equal intensity comprises two aspects, is the constant focal length of a laser beam focused on the curved surface of the part, and the constant incident angle of the laser beam in an area.)
技术领域
本发明涉及航空制造技术领域，尤其涉及一种用于航空制造领域上的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法。
背景技术
激光冲击强化技术是美国航空发动机核心制造技术之一，已成功应用于各类军民飞机发动机的风扇、各级压气机叶片上，有效的提升了抗外物损伤能力和高周疲劳性能，取得了巨大的成功。叶片类零件具有复杂曲面和苛刻的形面精度，对激光冲击强化质量和工艺稳定性有极高要求。因此，国内外研究者研发了一系列设备及方法，力求叶片强化后形面精度仍满足工差设计要求。
美国通用电气公司的专利“连续运动激光冲击硬化设备及其方法-CN 1727501 B”中提出了连续运动激光冲击设备及其方法，说明了激光器和连续运动控制的逻辑和硬件设计，但并未详细说明喷水嘴的运动控制及水帘施加方法，尤其是如何保证激光束和水流的无干涉，这是保证激光冲击强化质量的关键难度。中国科学院沈阳自动化研究所的专利“整体叶盘激光冲击强化装备-CN 103882188 B”中提出了详细的装备设计，其中硬件系统中包含激光器、光路系统、轨迹机器人和送水机器人，该专利侧重于设备设计，对轨迹和送水两台机器人的运动控制和防止干涉未进行说明。
针对激光冲击强化技术设备复杂、工艺要求高、干涉严重等难题，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法，该方法采用两台机器人分别夹持和涂水待加工零件，具体包括如下步骤：
步骤S1：根据脉冲激光束的焦平面距离，确定加工区域；根据零件的外形尺寸和工艺需求，确定安全平面。
具体的，所述步骤S1中的焦平面是由激光系统外光路的参数决定的，焦平面即为激光冲击强化的加工区域。所述步骤S1中的安全平面指机器人在此区域内运动是安全无干涉的。
作为本发明的优选方案，所述步骤S1中的安全平面设为2至3个零件的最大尺寸。
步骤S2：编程时依次设置5个子程序段：零件装卸子程序、冲击待命子程序、水射流待命子程序、设定空间位移轨迹子程序和退至安全平面子程序。
进一步的，所述步骤S2中的子程序分别为：
零件装卸子程序：是指将工具机器人旋转至工作台外的位置，安全操作且便于装卸零件，也是激光冲击强化的起始点；
冲击待命子程序：是指用于调整工具机器人姿态和空间位置，设定激光束与零件的相对位置；
水射流待命子程序：是指用于调整涂水机器人姿态和空间位置，设定水射流、水帘和零件表面的相对位置；
设定空间位移轨迹子程序：是指根据零件外形包络线设定与之匹配的运动轨迹，补偿非均匀曲面与激光束相交产生的激光束焦距和入射角度的变化；
退至安全平面子程序：是指执行各区域冲击强化后，两台机器人依次退至安全平面，再执行后续运动和姿态调整指令，防止光路和机器人之间的干涉。
步骤S3：根据零件的外形特点和强化需求，设计强化区域的形状和位置。
进一步的，所述步骤S3还包括：按照强化区域的顺序，依次设置Area1，Area2，…AreaN；每个强化区域可设置：不少于一个冲击待命子程序、不少于一个水射流待命子程序、不少于一个设定空间轨迹位移子程序和一个退出安全平面子程序。
步骤S4：根据零件的外形特点和强化需求，每个处理区域可设置多个水射流待命子程序。
进一步的，所述步骤S4中水射流待命子程序是用于涂水机器人姿态调整和水帘控制，遵循水帘由零件表面均匀过渡至激光冲击区域的原则，需要考虑重力和光路干涉的影响，保证水约束层持续稳定施加。
步骤S5：总程序的执行逻辑是：零件装卸子程序-Area1【冲击待命子程序-水射流待命子程序-设定空间位移轨迹子程序-退至安全平面命子程序】-Area2【冲击待命子程序-水射流待命子程序-设定空间位移轨迹子程序-退至安全平面命子程序】…AreaN【冲击待命子程序-水射流待命子程序-设定空间位移轨迹子程序-退至安全平面命子程序】-零件装卸子程序。
作为本发明的优选方案，两台所述机器人分别为用于夹持各类零件的工具机器人和用于给加工区域实施涂水的涂水机器人。所述工具机器人采用六自由度、承载能力为10至400kg、空间重复定位精度为±0.1mm的工业机器人。所述涂水机器人采用六自由度、载荷能力1至30kg，空间重复定位精度为±0.1mm的工业机器人。
本发明的工作过程和原理是：本发明采用子程序分段设计，通过分区域分功能的协同控制避免了双机器人的运动干涉、机器人与激光束之间的光路干涉，同时保证激光束焦距和入射角恒定，有效地保证了激光冲击强化的质量和工艺稳定性，适合叶片类复杂曲面零件的表面强化处理。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法可避免复杂曲面零件进行激光冲击强化时的运动和光路干涉，保持激光束焦距和入射角恒定，保证激光冲击强化质量和工艺稳定性。
(2)本发明所提供的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法通过编程控制12轴联动完成空间协同运动，实现复杂曲面上无干涉、等强度的激光冲击强化。
(3)本发明所提供的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法采用双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法，针对双机器人之间的运动干涉、机器人与激光束干涉问题进行了编程优化，可以完全避免激光冲击强化中的干涉问题，保证激光冲击强化质量和工艺稳定性，对提升叶片类零件的可靠性具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明所提供的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方案的俯视图。
图2是本发明所提供的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方案的侧视图。
图3是本发明所提供的风扇叶片水射流待命位置示意图。
图4是本发明所提供的风扇叶片保持脉冲激光焦距和入射角恒定的示意图。
图5是本发明所提供的双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法的流程图。
上述附图中的标号说明：
1-工具机器人，2-涂水机器人，3-外光路系统，4-脉冲激光束，5-焦平面，6-安全平面；7-叶片，8-加工区域；10-水约束层，11-截面曲线，12-位移曲线；13-待处理横截面，14-入射角，15-旋转和平移组合运动。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1至图5所示，本实施例公开了一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法，该方法采用两台机器人分别夹持和涂水待加工零件，具体包括如下步骤：
步骤S1：根据脉冲激光束4的焦平面5距离，确定加工区域8；根据零件的外形尺寸和工艺需求，确定安全平面6。
具体的，所述步骤S1中的焦平面5是由激光系统外光路的参数决定的，焦平面5即为激光冲击强化的加工区域8。所述步骤S1中的安全平面6指机器人在此区域内运动是安全无干涉的。
作为本发明的优选方案，所述步骤S1中的安全平面6设为2至3个零件的最大尺寸。
步骤S2：编程时依次设置5个子程序段：零件装卸子程序、冲击待命子程序、水射流待命子程序、设定空间位移轨迹子程序和退至安全平面6子程序。
进一步的，所述步骤S2中的子程序分别为：
零件装卸子程序：是指将工具机器人1旋转至工作台外的位置，安全操作且便于装卸零件，也是激光冲击强化的起始点；
冲击待命子程序：是指用于调整工具机器人1姿态和空间位置，设定激光束与零件的相对位置；
水射流待命子程序：是指用于调整涂水机器人2姿态和空间位置，设定水射流、水帘和零件表面的相对位置；
设定空间位移轨迹子程序：是指根据零件外形包络线设定与之匹配的运动轨迹，补偿非均匀曲面与激光束相交产生的激光束焦距和入射角14的变化；
退至安全平面6子程序：是指执行各区域冲击强化后，两台机器人依次退至安全平面6，再执行后续运动和姿态调整指令，防止光路和机器人之间的干涉。
步骤S3：根据零件的外形特点和强化需求，设计强化区域的形状和位置。
进一步的，所述步骤S3还包括：按照强化区域的顺序，依次设置Area1，Area2，…AreaN；每个强化区域可设置：不少于一个冲击待命子程序、不少于一个水射流待命子程序、不少于一个设定空间轨迹位移子程序和一个退出安全平面6子程序。
步骤S4：根据零件的外形特点和强化需求，每个处理区域可设置多个水射流待命子程序。
进一步的，所述步骤S4中水射流待命子程序是用于涂水机器人2姿态调整和水帘控制，遵循水帘由零件表面均匀过渡至激光冲击区域的原则，需要考虑重力和光路干涉的影响，保证水约束层10持续稳定施加。
步骤S5：总程序的执行逻辑是：零件装卸子程序-Area1【冲击待命子程序-水射流待命子程序-设定空间位移轨迹子程序-退至安全平面6命子程序】-Area2【冲击待命子程序-水射流待命子程序-设定空间位移轨迹子程序-退至安全平面6命子程序】…AreaN【冲击待命子程序-水射流待命子程序-设定空间位移轨迹子程序-退至安全平面6命子程序】-零件装卸子程序。
作为本发明的优选方案，两台所述机器人分别为用于夹持各类零件的工具机器人1和用于给加工区域8实施涂水的涂水机器人2。所述工具机器人1采用六自由度、承载能力为10至400kg、空间重复定位精度为±0.1mm的工业机器人。所述涂水机器人2采用六自由度、载荷能力1至30kg，空间重复定位精度为±0.1mm的工业机器人。
本发明的工作过程和原理是：本发明采用子程序分段设计，通过分区域分功能的协同控制避免了双机器人的运动干涉、机器人与激光束之间的光路干涉，同时保证激光束焦距和入射角14恒定，有效地保证了激光冲击强化的质量和工艺稳定性，适合叶片7类复杂曲面零件的表面强化处理。
实施例2：
本实施例是使用两台6自由度的工业机器人来实现的，在此实例中：
一台为6自由度的工具机器人1，载荷能力10～400kg，空间重复定位精度±0.1mm，设计了专用夹持叶片7榫槽的夹具固定风扇叶片7。
另一台为6自由度的涂水机器人2，载荷能力1～30kg，空间重复定位精度±0.1mm，利用定制的内通管路实施涂水；
通过编程控制12轴联动完成空间协同运动，实现复杂曲面上无干涉、等强度的激光冲击强化。
无干涉包含两方面，一是零件与机器人之间的空间运动无干涉，二是激光束光路与零件、机器人均无干涉。
等强度包含两方面，一是激光束聚焦于零件曲面上的焦距恒定，二是区域内激光束入射角14恒定。
本发明实例以典型的钛合金风扇叶片7作为零件进行编程说明，该叶片7尺寸约为90mm×120mm，厚度范围0.5～3mm，形面公差要求±0.05mm，材料为Ti-6Al-4V。
该方法包含以下步骤：
1)根据脉冲激光束4的焦平面5距离，确定加工区域8；根据零件的外形尺寸和工艺需求，确定安全平面6。
如图1所示，完成叶片7激光冲击强化需要工具机器人1和涂水机器人2同时工作，加工用脉冲激光束4由外光路系统3发射而出形成激光束，本实例中激光能量晶体为ND:YLF,波长1053nm，焦平面5距离外光路出光口1.3～1.5m。俯视图中的安全平面6距离焦平面50.6m，便于机器人无干涉的姿态调整。
如图2所示，根据风扇叶片7的外形尺寸和夹具尺寸，确定加工区域8为距离零件四周360mm以外的上下左右4个平面以内(侧视图)，安全平面6距离加工区域8上下边界360～500mm。
2)编程依次设置5个子程序段：a)零件装卸、b)冲击待命、c)水射流待命、d)设定空间位移轨迹、e)退至安全平面6；
其中:
a)零件装卸：是指将工具机器人1旋转至工作台外的位置，安全操作且便于装卸零件，也是激光冲击强化的起始点；
如图1所示，工具机器人1和涂水机器人2均可向上旋转45～90°(俯视图)，设定图1中虚线位置，即机器人旋转60°处为零件装卸点。零件装卸点处于安全平面6以外的区域，远离焦平面5，无激光聚焦风险，同时也避免了2台机器人的互相干涉，因此设置为零件装卸位置，即风扇叶片7激光冲击强化程序的起始点。
b)冲击待命：是用于调整工具机器人1姿态和空间位置，设定激光束与零件的相对位置；
如图3所示，风扇叶片7的强化区域包含进气边(图3左上)，排气边(图3右上)，叶尖(图3左下)和叶根(图3右下)，而且为保证叶片7变形量符合公差，叶片7为双面激光冲击强化。
图3每个强化区域均需要预先调整工件机器人位置，使得激光束处于叶片7待处理区域内，此子程序为冲击待命。
c)水射流待命：是用于调整涂水机器人2姿态和空间位置，设定水射流、水帘和零件表面的相对位置；
激光冲击强化的前提条件是零件表层有稳定的水约束层10。
如图3所示，激光束照射于叶片7表面时，需要保持水约束层10的稳定施加，即形成水帘。在曲面上施加水流受到重力和曲面边界的影响，不能直接将水射流与激光束共聚焦，而必须将水射流焦点偏移，使得水流冲量经过一定距离的流动缓冲，形成如图3中稳定水帘。在不同工位下，水射流与激光焦点都未重合：
图3左上为进气边加工，进气边处于左边，涂水机器人2必须处于右边，从右向左过渡缓慢施加水帘，此时无干涉。
图3右上为排气边加工，排气边处于右边，涂水机器人2必须处于左边，从左向右过渡缓慢施加水帘，此时有干涉问题。因为涂水机器人2固定于右边，必须采用特定的旋转手臂工位才能施加由左向右的水帘，同时需要检测激光束与机械臂的干涉。
图3左下为叶根加工，叶根处于叶片7根部，是叶身向榫槽过渡区，由于使用榫槽夹持叶片7，因此必须采用自下向上的水帘施加方式。
图3右下为叶尖加工，采用自上向下的水帘施加方式，设置叶尖的水射流工位。
d)设定空间位移轨迹：指根据零件外形包络线设定与之匹配的运动轨迹，补偿非均匀曲面与激光束相交产生的激光束焦距和入射角14的变化；
如图3所示，叶片7进排气边的截面曲线11，因此在处理进排气边时，工具机器人1的侧向运动轨迹位移曲线12，通过反向的曲线运动补偿激光束在曲面上的焦距误差，保持焦距恒定。同理，叶根和叶尖的侧向运动轨迹补偿见图3的左下和右下。
如图4所示，俯视图中叶片7待处理横截面13，保证叶片7处于激光焦平面5内进行激光冲击强化，激光束的每个脉冲作用于叶片7的曲面上时，入射角14由激光束与叶片7曲面相切的法线确定，通过工具机器人1的在俯视方向的旋转和平移组合运动15保持入射角14恒定。
e)退至安全平面6：是指执行各区域冲击强化后，2台机器人依次退至安全平面6，再执行后续运动和姿态调整指令，防止光路和机器人之间的干涉；
3)根据零件的外形特点和需求，设计强化区域的形状和位置；按照强化区域的顺序，依次设置Area1，Area2，…，AreaN等；每个强化区域可设置≥1个冲击待命位置、≥1个水射流待命位置、≥1个空间轨迹位移设定，1个退出安全平面6位置；
本发明例中，风扇叶片7需要4个处理区域，即进气边、排气边、叶尖和叶根，叶片7双面平衡处理共计8个处理区域，因此设定为Area 1-8，每个处理区域均包含1个冲击待命位置，1个水射流待命位置，1个空间轨迹位移设定，和1个退出安全平面6位置。共计32个程序段。
4)根据零件的外形特点和需求，水射流待命位置可进行多工位调整，遵循水射流由零件表面均匀过渡至激光冲击区域的原则，需要考虑重力和光路干涉的影响，保证水约束层10持续稳定施加。
如图3右上所示，叶片7的排气边处于右边，与涂水机器人2存在干涉，必须经过多次程序测试才可确定水射流待命子程序，保证涂水机器人2不与激光束产生干涉。
5)程序的执行逻辑是：零件装卸位置-Area1【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】-Area2【】…,零件装卸位置。
最终，本实施例风扇叶片7的激光冲击强化程序执行逻辑是：
零件装卸位置；
Area1【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area2【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area3【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area4【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area5【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area6【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area7【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
Area8【冲击待命位置-水射流待命位置-空间位移轨迹设定-退至安全平面6】；
零件装卸位置。
本发明详细说明了叶片7类曲面零件的双机器人无干涉激光冲击强化编程策略，通过分区域分功能多个子程序协调，实现了叶片7无干涉的激光冲击强化，保证激光束焦距和入射角14恒定，实现了叶片7强化质量可控和工艺的稳定性，适用于各类高可靠性要求的叶片7处理。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。