复杂曲面激光冲击强化路径规划

蔡清华 王静 杨红涛

摘 要：针对复杂曲面的激光冲击强化的批量加工，示教方式并不能较好的工作，本文给出了基于3D CAD模型、基于零件特征和基于示教点等三种激光强化路径规划的方法，满足批量加工和激光冲击强化工艺试验。

关键词：激光冲击强化；路径规划；3D模型；零件特征；示教点

一、概述

激光冲击强化技术的基本原理是，采用短脉冲（几十纳秒）的高峰值功率密度（>109W/cm2）的激光辐射金属表面，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温（>10000K）、高压（>1GPa）的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，在工作表面获得残余压应力层。激光冲击强化的运动执行机构一般采用数控机床或关节臂机器人，针对复杂曲面的激光冲击强化的批量加工，示教方式并不能较好的工作，一般采用基于计算机图形学的路径规划方式。

二、激光冲击强化路径规划

分为基于3D CAD模型、基于零件特征和基于示教点等三种方式。

（一）基于3D CAD模型的激光冲击强化路径自动规划

此软件模块的输入为待加工零件3D CAD数模，涉及到的计算机图形学相关理论和算法为非均匀有理B样条（NURBS）曲面的特征曲线/边界线提取、特征曲线/边界曲线在曲面上的等值偏移、曲线参数化离散点等。实现的功能包括：

1）与通用3D大型软件（具体包括Catia、ProE、UG、SolidWorks）对接，能导入它们输出的数模；

2）结合激光冲击强化工艺，可输入不同的搭接率、光斑半径、加工范围等工艺参数，自适应的规划成不同的加工路径；

3）加工前的轨迹验证：验证激光冲击强化加工的可达性、干涉性；验证激光冲击加工轨迹是否光滑连续；验证激光冲击加工轨迹是否存在交叉现象；验证激光束相对于加工表面的方向矢量是否有突变现象。

（二）基于零件特征的激光冲击强化路径自动规划

此软件模块适用于无3D CAD模型，且已知零件特征，如直线、平面、圆等，可通过简单测量获取特征的具体尺寸，如长、宽、直径等。通过机器人示教待加工的起点，后续加工点可根据零件特征自动计算。

（三）基于机器人示教点的激光冲击强化路径规划

此软件模块适用于无3D CAD模型，且工艺试验临时使用。通过机器人轨迹示教获取。

三、总结

针对复杂曲面激光冲击强化路径规划，本文给出了基于3D CAD模型、基于零件特征和基于示教點等三种方式，满足复杂曲面激光冲击强化加工。