激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法與實(shí)現(xiàn)

吳耀駿，胡永祥，姚振強(qiáng)

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵制造技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多高強(qiáng)度和輕量化的復(fù)雜型面零件被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)等部位。然而這些零部件，如鈦合金葉片在使用過(guò)程中容易受外來(lái)異物撞擊損傷，并且長(zhǎng)時(shí)間服役后容易出現(xiàn)疲勞損傷，需要對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化，延長(zhǎng)服役壽命[1-2]。激光噴丸強(qiáng)化工藝?yán)酶吣苊}沖激光誘導(dǎo)等離子體在金屬表面產(chǎn)生瞬態(tài)高幅值沖擊壓力，使材料發(fā)生高應(yīng)變率塑性變形，進(jìn)而引入比機(jī)械噴丸更深的殘余壓應(yīng)力，改善金屬材料的疲勞性能，尤其適用于對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的強(qiáng)化處理。目前，激光噴丸強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面零部件表面強(qiáng)化，改善高低周疲勞性能的有效方法[3]。

激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)是激光噴丸強(qiáng)化工藝可靠性和高效性的重要保障。目前，激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)主要為固定光路形式。在激光噴丸加工過(guò)程中，激光光路固定不變，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)夾持工件按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)，使工件上各個(gè)噴丸點(diǎn)依次接收高能激光脈沖載荷的沖擊，完成表面強(qiáng)化。國(guó)際上，美國(guó)GE公司研制了基于機(jī)械臂的固定光路式激光噴丸系統(tǒng)[4]。美國(guó)LSPT公司近期研制的Procudo? 200激光噴丸系統(tǒng)，增加了工業(yè)機(jī)器人的使用，是目前集成度最高、較為先進(jìn)的激光噴丸加工系統(tǒng)[5]。國(guó)內(nèi)激光噴丸設(shè)備研究從20世紀(jì)90年代起步，已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步?？哲姽こ檀髮W(xué)與西安某公司研制了成套的激光噴丸設(shè)備[6]。2013年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所利用數(shù)控系統(tǒng)研制出了激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備[7-8]。

激光噴丸加工過(guò)程需盡量保持激光垂直入射到待加工表面。對(duì)于平面工件，由于表面不同位置法向一致，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅需夾持工件保持固定姿態(tài)作連續(xù)平移運(yùn)動(dòng)即可，因此可采用運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與激光器獨(dú)立控制的系統(tǒng)模式，對(duì)激光點(diǎn)位控制精度要求低。而復(fù)雜型面工件表面各點(diǎn)法向不同，激光噴丸強(qiáng)化過(guò)程中工件空間位姿需實(shí)時(shí)調(diào)整，并且要求激光噴丸強(qiáng)化實(shí)際加工點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)精確重合，這對(duì)脈沖激光與工業(yè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)激光脈沖與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，還缺乏相關(guān)研究。

本文針對(duì)復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)工件的激光噴丸強(qiáng)化需求，建立激光脈沖-工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制方法，研制激光噴丸強(qiáng)化工藝系統(tǒng)，對(duì)其構(gòu)成、控制原理及工作流程作了介紹，最后以平面點(diǎn)陣為例驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制方法精度，以整體葉盤(pán)為例開(kāi)展激光噴丸強(qiáng)化工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)工件的加工能力。

1 固定光路激光噴丸系統(tǒng)

激光噴丸強(qiáng)化工藝原理如圖1所示，利用高能短脈沖激光誘導(dǎo)的等離子體可在金屬工件表面產(chǎn)生高幅值的沖擊效應(yīng)。該沖擊效應(yīng)會(huì)使金屬表面不透明吸收層吸收激光能量后，迅速氣化并產(chǎn)生高壓等離子體，同時(shí)保護(hù)金屬工件表面不受高能激光帶來(lái)的熱損傷。等離子體受到透明電絕緣約束層的限制，產(chǎn)生瞬時(shí)高幅值沖擊壓力并反作用于金屬工件自身，遠(yuǎn)高于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。因此材料表層短時(shí)間內(nèi)發(fā)生局部的塑性形變，同時(shí)產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，覆蓋工件一定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)化，從而提升金屬工件的疲勞壽命、抗腐蝕性及抗斷裂等性能。

圖1 激光噴丸強(qiáng)化原理

激光噴丸強(qiáng)化工藝系統(tǒng)的搭建是整個(gè)工藝的基礎(chǔ)，其中固定光路式系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示。激光噴丸強(qiáng)化工藝過(guò)程中，激光器在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)輸出脈沖激光，通過(guò)固定的傳輸光路模塊引導(dǎo)至機(jī)器人加工工位，工業(yè)機(jī)器人夾持工件進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光在工件表面待加工區(qū)域覆蓋。

圖2 固定光路激光噴丸系統(tǒng)

2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法

復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)工件的激光噴丸強(qiáng)化加工主要面臨兩個(gè)難點(diǎn)：第一，復(fù)雜曲面特征使得工件表面每點(diǎn)法向呈平滑變化，欲保證激光光束與表面垂直，需在加工過(guò)程中時(shí)刻改變機(jī)器人位姿，使每個(gè)實(shí)際加工點(diǎn)與規(guī)劃路徑的目標(biāo)點(diǎn)精確重合。第二，由于激光器出光時(shí)序受內(nèi)部時(shí)鐘限制而不能在任意時(shí)刻完成出光，因此要設(shè)計(jì)可靠的系統(tǒng)控制邏輯，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)與工件調(diào)姿到位時(shí)間點(diǎn)的精確匹配。

要解決以上兩個(gè)問(wèn)題，就必須實(shí)現(xiàn)激光脈沖-工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制。根據(jù)工藝路徑規(guī)劃，工業(yè)機(jī)器人夾持工件執(zhí)行點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，到位后需要激光器輸出激光脈沖。由于激光器出光時(shí)序與內(nèi)部固定時(shí)鐘相關(guān)，因此需要建立機(jī)器人到位信號(hào)反饋以及激光器單激光脈沖精確輸出控制方法。同時(shí)，激光器完成激光脈沖輸出后，工業(yè)機(jī)器人需要按照工藝路徑規(guī)劃繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至下一加工點(diǎn)。因此在此環(huán)節(jié)要求實(shí)現(xiàn)出光情況的檢測(cè)。

因此，建立如圖3的協(xié)調(diào)控制邏輯。根據(jù)工件的工藝路徑規(guī)劃加工位置，對(duì)于每一個(gè)加工點(diǎn)，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到位后，位置反饋至上位機(jī)控制平臺(tái)，控制平臺(tái)控制激光器輸出單個(gè)脈沖激光并完成出光檢測(cè)，再發(fā)送下一運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)信息至工業(yè)機(jī)器人并使其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行到位。依次實(shí)現(xiàn)所有加工點(diǎn)激光噴丸強(qiáng)化工藝。

圖3 脈沖激光-工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制邏輯

工業(yè)機(jī)器人通過(guò)EKI(ethernet KRL interface)接口通訊的方式，以XML文件的形式配置以太網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)，如圖4所示。上位機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通訊控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而完成一系列坐標(biāo)變換、速度變更、運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換等運(yùn)動(dòng)控制指令的下發(fā)與執(zhí)行以及工業(yè)機(jī)器人到位后的信息反饋，實(shí)現(xiàn)脈沖激光-工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制單點(diǎn)周期的第一環(huán)節(jié)。

圖4 EKI接口通訊系統(tǒng)示意圖

對(duì)于激光器的控制，為了提高激光瞬時(shí)單次觸發(fā)的效率及可靠性，采用外時(shí)鐘觸發(fā)控制模式。采用2路具有固定延時(shí)設(shè)定的同步器TTL信號(hào)輸入，接入激光器電源相應(yīng)接口，如圖5所示。其中第1路上升沿觸發(fā)閃光燈放電，頻率設(shè)定保持激光器最高頻率；第2路上升沿觸發(fā)Q開(kāi)關(guān)，在信號(hào)同步器與激光器接口連接中設(shè)置固態(tài)繼電器，通過(guò)固態(tài)繼電器的中斷控制脈沖信號(hào)的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)出光頻率控制；也可以控制固態(tài)繼電器打開(kāi)Q-IN同步信號(hào)的通過(guò)，通道出光反饋，再關(guān)閉固態(tài)繼電器通道，實(shí)現(xiàn)脈沖激光的瞬時(shí)單次觸發(fā)。

圖5 激光器外觸發(fā)控制

出光檢測(cè)采用激光能量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，既可以監(jiān)測(cè)出光能量的穩(wěn)定性，也可以作為脈沖激光是否成功輸出的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制中閉環(huán)反饋的核心步驟。

完成激光器-機(jī)器人協(xié)調(diào)控制的整體設(shè)計(jì)后，激光噴丸強(qiáng)化流程中單點(diǎn)加工的時(shí)序圖如圖6所示，信號(hào)同步器按設(shè)定頻率輸出5 V TTL同步信號(hào)，如針對(duì)本系統(tǒng)中激光器則選擇固定頻率5Hz。在a時(shí)刻，固態(tài)繼電器關(guān)閉，上位機(jī)控制平臺(tái)向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送下一步軌跡運(yùn)動(dòng)執(zhí)行命令。在b時(shí)刻，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到位，同時(shí)反饋至上位機(jī)控制平臺(tái)，上位機(jī)控制固態(tài)繼電器接通，等待外部同步信號(hào)輸出至激光器Q-IN接口。激光器接收外部同步信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖激光輸出，激光器能量計(jì)檢測(cè)到出光信號(hào)后并反饋至上位機(jī)控制平臺(tái)，上位機(jī)控制固態(tài)繼電器關(guān)閉，到達(dá)c時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)單周期激光噴丸強(qiáng)化工藝流程。

圖6 協(xié)調(diào)控制單點(diǎn)時(shí)序圖

3 工藝系統(tǒng)研制

激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)要具備以下功能：1) 各模塊間高度集成化，能自動(dòng)化完成整個(gè)激光噴丸強(qiáng)化工藝流程；2) 實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制、加工軌跡規(guī)劃、雙側(cè)激光噴丸強(qiáng)化[9]等功能模塊，強(qiáng)化零件類(lèi)型的適用性廣。系統(tǒng)整體運(yùn)作流程如圖7所示。在激光噴丸強(qiáng)化工藝流程中，首先將工件數(shù)模導(dǎo)入到UG-CAM中，輔助生成工業(yè)機(jī)器人的加工路徑，利用編寫(xiě)的上位機(jī)控制軟件控制工業(yè)機(jī)器人按照預(yù)定路徑完成加工軌跡的執(zhí)行及激光器協(xié)調(diào)控制出光，實(shí)現(xiàn)工藝流程自動(dòng)化執(zhí)行。本系統(tǒng)主要包括激光光源、工業(yè)機(jī)器人、傳輸光路、工藝輔助模塊以及上位機(jī)控制平臺(tái)5部分。

圖7 系統(tǒng)整體運(yùn)作流程

高能脈沖激光器作為激光噴丸工藝的激光來(lái)源是激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的核心設(shè)備。系統(tǒng)采用重復(fù)頻率從1～5Hz分級(jí)可調(diào)，輸出能量5～14 J、激光脈寬14.3ns，波長(zhǎng)1064nm的激光器，可實(shí)現(xiàn)按照不同頻率、獨(dú)立或連續(xù)輸出能量數(shù)個(gè)焦耳、脈寬數(shù)個(gè)納秒的激光脈沖。

工業(yè)機(jī)器人是激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的工件軌跡執(zhí)行單元，選型主要考慮其重復(fù)定位精度、加工范圍及載荷及短路徑執(zhí)行速度。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)、圓弧插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)夾持工件在加工空間執(zhí)行加工軌跡的流程。

激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的傳輸光路將激光器輸出激光投射至工件表面，實(shí)施激光噴丸工藝。傳輸光路分為兩部分：前部光路位于激光器出光口前端，主要功能為將激光器發(fā)出的單側(cè)激光轉(zhuǎn)化為同步或異步的雙路激光；后部光路位于機(jī)器人加工工位，主要功能是將前部光路輸出的雙路激光投射在工件表面。

激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的工藝輔助模塊是影響激光噴丸工藝質(zhì)量的重要部分。激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)輔助模塊主要包含水循環(huán)系統(tǒng)、氣循環(huán)系統(tǒng)等。其中水循環(huán)系統(tǒng)主要用于提供激光噴丸過(guò)程中約束層水膜與工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢水排出，氣循環(huán)系統(tǒng)主要用于氣動(dòng)快換夾具的夾緊及傳輸光路模塊的防水需求。

激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)的控制平臺(tái)是保證激光噴丸工藝精確化、高效化、自動(dòng)化實(shí)施的關(guān)鍵部分，由上位機(jī)控制軟件及相關(guān)算法組成，系統(tǒng)總體控制框圖如圖8所示。上位機(jī)界面在QT軟件中采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，設(shè)計(jì)中主要考慮以下功能需求：1)實(shí)現(xiàn)操作人員在加工空間外對(duì)各模塊的安全、可靠控制；2) 界面簡(jiǎn)潔美觀，對(duì)加工流程中關(guān)鍵操作的提示功能，便于人機(jī)交互；3)復(fù)雜工件軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)整體標(biāo)定等功能及算法集成。

圖8 激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)總體控制架構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

a) 平面點(diǎn)陣協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)

利用7×7的平面點(diǎn)陣坐標(biāo)進(jìn)行激光脈沖-工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其中單個(gè)光斑直徑約為4mm，相鄰光斑中心距離為6mm。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。光斑中心都有比較均勻的分布。以點(diǎn)陣中央光斑O的光斑中心作為基準(zhǔn)，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量圖中x、y兩個(gè)方向的各光斑中心與中央光斑中心的距離，結(jié)果見(jiàn)表1。在激光噴丸強(qiáng)化工藝過(guò)程中，以光斑直徑4mm為例，相鄰光斑中心距離為3～4mm，因此測(cè)試偏差約為4%，但是依然在工藝允許誤差范圍內(nèi)，總體滿足要求。

圖9 平面點(diǎn)陣出光測(cè)試

表1 光斑中心測(cè)量結(jié)果 單位：mm

b) 復(fù)雜型面工件激光噴丸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)主要加工對(duì)象為復(fù)雜型面工件，如整體葉盤(pán)。鈦合金整體葉盤(pán)應(yīng)用于航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上。整體葉盤(pán)樣件外形如圖10所示。整體葉盤(pán)直徑370mm，盤(pán)體直徑260mm，厚度52mm。整體葉盤(pán)葉片部分呈自由曲面，葉緣厚度達(dá)到0.6mm，屬于典型薄壁結(jié)構(gòu)，葉片之間排列緊湊。

圖10 整體葉盤(pán)外形圖

對(duì)于復(fù)雜型面工件激光噴丸強(qiáng)化加工，系統(tǒng)整體運(yùn)作流程具體可分為3個(gè)階段：

1) 工藝預(yù)處理階段

在第一次使用系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)本課題之前相關(guān)研究工作，建立出射激光與工業(yè)機(jī)器人相對(duì)工作位置關(guān)系以及工業(yè)機(jī)器人TCP；然后利用UG-CAM加工模塊進(jìn)行工件工藝路徑規(guī)劃，并通過(guò)坐標(biāo)變換獲得工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。

2) 工藝強(qiáng)化階段

吾師所撰詩(shī)志，自足千古，序之者不一人，豈假弟一言以為重哉？……倘可附之編末，藏諸名山，則藉師不朽，幸孰甚焉。[3]139

開(kāi)啟工業(yè)機(jī)器人與激光器電源，打開(kāi)激光器的指示光模塊，加載工業(yè)機(jī)器人軌跡坐標(biāo)進(jìn)行試運(yùn)行。確認(rèn)工業(yè)機(jī)器人軌跡坐標(biāo)正確后，開(kāi)啟工藝輔助模塊的水、氣循環(huán)系統(tǒng)，重新加載工業(yè)機(jī)器人軌跡坐標(biāo)，按照預(yù)設(shè)路徑對(duì)工件進(jìn)行正式激光噴丸強(qiáng)化工藝。

3) 工藝完成階段

關(guān)閉水、氣循環(huán)系統(tǒng)，關(guān)閉系統(tǒng)各模塊電源，卸下工件，觀察光斑加工路徑是否符合預(yù)期路徑規(guī)劃要求，不符合則需要補(bǔ)打相應(yīng)光斑。圖11為整體葉盤(pán)的葉緣經(jīng)過(guò)激光噴丸強(qiáng)化處理后的效果圖，基本符合預(yù)期的工藝路徑規(guī)劃。

圖11 整體葉盤(pán)的激光噴丸

5 結(jié)語(yǔ)

1) 針對(duì)復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)工件的激光噴丸強(qiáng)化工藝需求，設(shè)計(jì)激光噴丸強(qiáng)化工藝系統(tǒng)，包括激光器模塊、工業(yè)機(jī)器人模塊、傳輸光路模塊、工藝輔助模塊以及上位機(jī)控制平臺(tái)5部分，具備高度集成化、自動(dòng)化、協(xié)調(diào)控制精度高、安全可靠等特點(diǎn)。

2) 提出了激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)中脈沖激光與工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)精確軌跡加工有很好的定位精度。

3) 對(duì)復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)工件如整體葉盤(pán)完成加工軌跡規(guī)劃，并在激光噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)人機(jī)交互界面中導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人控制坐標(biāo)，完成激光噴丸強(qiáng)化工藝，驗(yàn)證了復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)能力。