一種基于飛秒激光機(jī)器人磨拋系統(tǒng)及磨拋方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明專利屬于材料表面磨拋加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于飛秒激光機(jī)器人磨拋系統(tǒng)及磨拋方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)前成熟的磨拋工藝主要是傳統(tǒng)的砂輪與砂帶等接觸式磨拋技術(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)于自由曲面或一般平面的磨拋精加工在精度上無(wú)法達(dá)到要求，無(wú)法對(duì)微觀的裂紋缺陷進(jìn)行消除，且打磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。工藝費(fèi)時(shí)、費(fèi)用高且產(chǎn)品一致性差，嚴(yán)重者阻礙了生產(chǎn)力的發(fā)展。機(jī)器人是一種具有高柔性、高重復(fù)精度的機(jī)電系統(tǒng)。在工業(yè)中已經(jīng)開(kāi)始用于零件的磨拋工藝。但是現(xiàn)在機(jī)器人磨拋系統(tǒng)基本上還在使用傳統(tǒng)的砂輪與砂帶等磨拋工具，在磨拋加工中還必須使用冷卻液對(duì)工件與加工工具進(jìn)行冷卻防止由于過(guò)熱產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力破壞工件。較少研究所正在研究新一代的拋光工具以解決上訴問(wèn)題。并且現(xiàn)階段的磨拋裝置大多無(wú)法做到加工過(guò)程中對(duì)被加工件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致加工中出現(xiàn)的錯(cuò)誤只能在加工完成后才能被發(fā)現(xiàn)，但到時(shí)已經(jīng)造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。
[0004]目前，關(guān)于磨拋已經(jīng)有CN204123252U《研磨拋光裝置》、CN104608043A《一種漩渦式無(wú)縫隙研磨拋光機(jī)》、CN104084866A《一種砂帶研磨拋光裝置》、CN203738559U《一種研磨拋光裝置》等專利。這些專利對(duì)于拋光質(zhì)量和效率的提高方法都是從機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)或直接將傳統(tǒng)的磨拋裝置安裝到機(jī)器人手臂上。雖然這些方法都對(duì)提高磨拋的質(zhì)量和磨拋的效率有著一定的積極作用，但是這些專利都沒(méi)有提出一種完全新型，前所未有的磨拋加工方法來(lái)大幅度提高磨拋質(zhì)量。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種全新的磨拋工藝技術(shù)和設(shè)備，克服了傳統(tǒng)磨拋工藝技術(shù)中工件由于過(guò)熱帶來(lái)的應(yīng)力破壞以及無(wú)法對(duì)正在磨拋過(guò)程中工件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，其具體技術(shù)方案是:
一種基于飛秒激光機(jī)器人磨拋系統(tǒng)，包括多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人、與機(jī)器人自由端相連的飛秒激光發(fā)射模塊、三維形貌測(cè)量裝置、安裝工件的固定裝置、無(wú)損檢測(cè)裝置、X射線接收端、以及控制器。
[0007]作為改進(jìn)，所述固定裝置上夾持裝置為三爪卡盤、虎鉗、通用夾具或?qū)ｉT定制的專業(yè)夾持工具，所述機(jī)器人為開(kāi)環(huán)單臂工業(yè)機(jī)器人或龍門架形式的機(jī)器人。
[0008]作為改進(jìn)，所述三維形貌測(cè)量裝置為干涉顯微鏡原理的三維測(cè)量裝置、使用聚焦檢測(cè)原理的三維測(cè)量裝置或使用激光散射原理的三維測(cè)量裝置。
[0009]作為改進(jìn)，所述無(wú)損檢測(cè)裝置為超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置。
[0010]作為改進(jìn)，所述加工工件可以是平面、陽(yáng)性曲面或陰性曲面。[0011 ] 一種利用基于飛秒激光機(jī)器人磨拋系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行磨拋方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟一、將待加工工件通過(guò)固定裝置上夾持裝置固定，使用三維形貌測(cè)量裝置生成被加工工件表面完整的三維模型，并將三維模型數(shù)據(jù)傳給控制器；
步驟二、再利用多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人控制飛秒激光發(fā)射模塊自由移動(dòng)，使飛秒激光發(fā)射模塊發(fā)射的飛秒激光照射待加工材料表面的突起與不平部位；
步驟三、利用無(wú)損檢測(cè)裝置和X射線接收端配合對(duì)加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給控制器，控制器經(jīng)過(guò)對(duì)比得到精確的三維數(shù)據(jù)，然后通過(guò)控制器控制機(jī)器人帶動(dòng)飛秒激光發(fā)射模塊自由移動(dòng)，并精確控制飛秒激光照射時(shí)間與照射位置實(shí)現(xiàn)材料表面的精密拋光工藝。
[0012 ]所述被加工工件材料可以是不銹鋼、鈦合金、鋁合金、工程塑料或天然礦石。
[0013]本發(fā)明工作原理為:工作時(shí)，將需要磨拋的工件固定在固定裝置上。利用三維形貌測(cè)量裝置對(duì)工件進(jìn)行實(shí)時(shí)的形貌測(cè)量。生成工件的三維模型，傳入控制器電腦內(nèi)。固定在機(jī)器人自由端手臂上的飛秒激光發(fā)射模塊發(fā)射飛秒激光，根據(jù)由控制器電腦內(nèi)的程式計(jì)算出所需除去的表面不平與突起部位位置，利用機(jī)器人手臂的高柔性將激光對(duì)準(zhǔn)工件上任意需要拋光的表面位置。利用飛秒激光脈沖寬度很短以至于熱能來(lái)不及擴(kuò)散到激光焦點(diǎn)以外的區(qū)域，沉積的熱能被限定在金屬表面的淺層區(qū)域的特性，使金屬在超高能量下經(jīng)熔融態(tài)直接氣化。甚至材料在吸收光子因?yàn)楫a(chǎn)生的能量后生成的電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣化溫度而導(dǎo)致其最終成為高密度、超熱、高壓的等離子體狀態(tài)。激光與金屬相互作用時(shí)間很短，被激光加工的結(jié)構(gòu)邊緣幾乎沒(méi)有損傷并且加工區(qū)內(nèi)部由于來(lái)不及吸收熱量加工就已經(jīng)結(jié)束，故不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力破壞工件。在其他需要拋光的金屬表面都重復(fù)這一過(guò)程，就可以達(dá)到精細(xì)拋光金屬表面的目的。并且在加工過(guò)程中使用原位監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)加工中的被加工件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)向控制系統(tǒng)和操作人反饋加工情況，控制系統(tǒng)和操作人可以根據(jù)原位監(jiān)測(cè)反饋的信息確定加工操作是否正確。
[0014]
本發(fā)明的有益效果是:
1、由于使用了多自由度機(jī)械手臂，該裝置可以加工其它普通磨拋設(shè)備所不能加工的具有復(fù)雜曲率分布的自由曲面。
[0015]2、由于使用了飛秒激光進(jìn)行磨拋手段，該裝置可以避免其它普通磨拋設(shè)備加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的工件與加工設(shè)備過(guò)熱現(xiàn)象，故工件與加工設(shè)備在加工過(guò)程中不會(huì)受到熱應(yīng)力的危害。
[0016]3、由于使用了飛秒激光進(jìn)行磨拋手段，該裝置擁有明顯高于其他普通磨拋裝置的加工精度。
[0017]
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明專利的整體示意圖；
圖2為使用本發(fā)明專利對(duì)待加工工件進(jìn)行表面磨拋的示意圖；
圖3為使用本發(fā)明專利對(duì)陰性表面工件進(jìn)行加工的示意圖。
[0019]I機(jī)器人，2飛秒激光發(fā)射模塊，3三維形貌測(cè)量裝置，4固定裝置，5無(wú)損檢測(cè)裝置，6X射線接收端，7底座，8工件，9陰性表面工件。
[0020]
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明專利做進(jìn)一步的說(shuō)明
如圖所示，一種基于飛秒激光機(jī)器人磨拋系統(tǒng)，包括多自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人1、與機(jī)器人自由端相連的飛秒激光發(fā)射模塊2、三維形貌測(cè)量裝置3、安裝工件的固定裝置4、無(wú)損檢測(cè)裝置5、X射線接收端6、以及控制器。
[0022]所述機(jī)器人I，用于移動(dòng)飛秒激光發(fā)射模塊2，使之對(duì)準(zhǔn)工件上需要進(jìn)行磨拋的部位。附圖中所示的為工業(yè)用機(jī)械手臂，但根據(jù)需要，也可以選擇龍門架等多種形式的載體。
[0023]所述飛秒激光發(fā)射模塊2用于發(fā)射飛秒激光。
[0024]所述三維形貌測(cè)量裝置3用于形成待加工工件表面的完整三維模型，其可以為干涉顯微鏡原理的三維測(cè)量裝置、使用聚焦檢測(cè)原理的三維測(cè)量裝置或使用激光散射原理的三維測(cè)量裝置。
[0025]所述安裝工件的固定裝置4用于固定待加工工件。圖中所示的固定裝置4上夾持裝置為懸臂梁形式，但是在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際需要更改其形式。
[0026]所述加工工件可以是平面、陽(yáng)性曲面或陰性曲面。
[0027]本圖為說(shuō)明方便，所述無(wú)損檢測(cè)裝置5選定X射線無(wú)損檢測(cè)裝置做原位監(jiān)測(cè)裝置。