一种定制激光能量分布的双激光辅助原位成型自动铺放装置

本发明属于热塑性复合材料原位成型，具体涉及一种定制激光能量分布的双激光辅助原位成型自动铺放装置，适用于cf/peek类热塑性预浸带曲面构件的自动化原位铺放成型。

背景技术：

1、热塑性复合材料具备优异的比强度、比刚度、韧性、耐腐蚀性与可修复性，加工周期短，现已广泛应用于航空航天、汽车、能源、医疗等工业领域。相较于热固性复合材料，热塑性基体拥有熔融再结晶、储存周期长、抗冲击性能好等优势，是高性能构件制造的核心材料之一。

2、现有热塑性复合材料自动铺放装置的结构如专利cn117301563a所示，包含铺放机架、送丝机构、张紧机构、重送机构、剪切机构、导向机构、辊压机构以及单路激光加热机构。其中，送丝机构用于输送热塑性复合材料预浸带；张紧机构用于调节预浸带输送张力；重送机构夹持预浸带并控制输送速度；剪切机构用于切断预浸带；导向机构约束料带走向，将其精准输送至加热与辊压工位；辊压机构压紧预浸带，使其贴合基材；激光加热机构熔融预浸带树脂，完成层间粘接；激光加热头配套红外测温组件，实时监测预浸带温度。

3、但是专利cn117301563a采用单激光器统一加热结构，单束平顶激光同时照射弧形预浸带与平面基材，搭配单点测温模块，无法分区域闭环调节激光功率，存在诸多技术缺陷：

4、其一，预浸带缠绕在钢制压轮表面形成圆弧面，基材平铺于工装平面，两者激光入射角度差异极大。结合菲涅尔光学原理可知，cf/peek（碳纤维/增强聚醚醚酮热塑性）复合材料在激光入射角为0°～30°时，反射率约为0.1；入射角接近88°时，反射率可达0.87。弧形预浸带表面激光入射角连续变化，平面基材入射角固定，两者光能吸收率差距显著。单激光统一供能模式下，预浸带与基材升温不同步，易造成构件层间脱粘、残余应力过大、内部孔隙超标。现有设备仅能微调激光倾角或整体增减功率，无法从热源层面解决温差问题。cf/peek复合材料透光率近似为0，激光被吸收的能量全部转化为热能，斜入射状态下，激光能量密度与综合吸能系数沿预浸带辐照宽度逐步递减。

5、其二，传统平顶激光照射弧形预浸带时，越靠近粘合切点，激光入射角与光能吸收率越小，同等入射能量下料带吸热量越少。预浸带整体温度呈现先升高、临近粘合点急剧下降的变化规律，局部高温会引发树脂热降解，低温区域则会因熔融不充分产生孔隙。采用红外辅助加热的改进方案，不仅会增加设备结构复杂度、降低生产效率，且改善效果有限。

6、除此之外，现有装置仅设置单点测温模块，未配置分路pid闭环功率调节架构，无法根据预浸带、基材的实时温度动态修正激光输出功率，控温精度难以满足复杂曲面构件高精度成型的使用要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有单激光铺放装置存在的预浸带与基材升温不同步、弧形预浸带辐照区域受热不均的缺陷，提供一种定制激光能量分布的双激光辅助原位成型自动铺放装置。本发明在保留现有设备成熟机械主体结构的基础上，通过分置式双激光加热、doe光束整形、分区测温以及双路pid闭环温控的组合设计，实现预浸带与基材独立精准控温，保证弧形预浸带全域受热均匀，进而提升复合材料层间粘接质量，降低构件孔隙率与残余应力。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种定制激光能量分布的双激光辅助原位成型自动铺放装置，沿用现有自动铺放设备的主体结构，铺放机架上集成有法兰总成、放料机构、张力机构、重送机构、剪切机构、导向机构、辊压机构等部件，核心改进部分为铺放机头，具体包括双路独立激光加热系统、衍射光学元件doe光束整形结构、红外测温布设结构以及双路pid闭环温控电气架构。

4、装置整体结构包含铺放机架，铺放机架上安装有辊压机构，所述辊压机构包括用于将熔融后的预浸带压实贴合在基材表面的压轮，还包括双路独立激光加热系统、红外测温组件、pid控制器和激光器功率执行器；所述双路独立激光加热系统包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器和第二激光器通过安装框架固定在铺放机架上；第一激光器相对第二激光器低位布置，第一激光器的光束朝向缠绕在压轮表面的预浸带，实现预浸带加热熔融；第一激光器的光路上配置有衍射光学元件doe，用于定制非平顶激光能量分布，使激光光斑在预浸带曲面上形成均匀有效加热区；第二激光器相对第一激光器高位布置，第二激光器的光束对准基材，采用常规平顶激光能量分布形式，实现基材独立加热；

5、所述红外测温组件包括两台红外点测温仪，两台红外点测温仪的探头分别设于第一激光器、第二激光器各自光斑内且靠近预浸带与基材粘合点位，分别独立采集预浸带、基材温度并将两路测温信号单独接入pid控制器；所述pid控制器输出两路独立控制信号，分别通过激光器功率执行器对应调控第一激光器、第二激光器的输出功率。

6、本发明采用双激光分区独立加热结合内嵌式测温、双路pid闭环控温的整体结构，依托衍射光学元件补偿曲面光能损耗，彻底解决弧形预浸带受热不均、温度畸变的问题；同时实现预浸带与基材分区独立控温，有效规避界面脱粘、残余应力偏大等成型缺陷。整套设备结构紧凑、布局合理，测温单元可随激光器同步调节，控温精度与工艺适应性显著提升，在不改动现有成熟机械主体的基础上，有效提升产品成型质量与设备运行稳定性。

7、作为上述技术方案的进一步描述：所述安装框架上配置有激光器角度调节结构，用于分别独立调整第一激光器、第二激光器的俯仰与偏转角度。该结构能够根据压轮规格、预浸带曲率以及不同基材的光学特性灵活改变激光入射角度，有效降低激光反射损失、提升光能利用率，同时可适配多种铺放工况与加工姿态，设备通用性更强，也能保证激光光斑始终精准覆盖目标加热区域。

8、作为上述技术方案的进一步描述：所述激光器角度调节结构包括开设在安装框架上的两个腰型调节孔以及分别与第一激光器、第二激光器固接的两个调节拨杆，所述两个调节拨杆分别活动装配于两个腰型调节孔内并配置锁紧限位结构，实现第一激光器、第二激光器角度微调后锁止固定。采用腰型孔搭配调节拨杆的组合结构，角度调节范围大、操作简便，可实现激光姿态的连续微调；锁紧限位结构能够在调节完成后可靠锁定激光器位置，防止设备运行过程中因振动产生角度偏移，长期保障激光入射位置与加热效果稳定可靠。

9、作为上述技术方案的进一步描述：所述两台红外点测温仪分别内嵌于对应激光器的机身内部，测温探头随激光器同步调整入射方位。采用集成化布局，简化整机外部结构，减少零散零部件与外接走线；同时测温探头与激光光斑相对位置保持不变，激光器角度调整后，测温点仍可精准对准加热区域，确保温度数据采集连续、准确，有效提升温控系统的检测可靠性。

10、作为上述技术方案的进一步描述：所述衍射光学元件doe根据曲面位置与激光吸收率的对应规律，按照预设能量分布函数对第一激光器的光束进行能量整形，对粘合端附近光能吸收率偏低的区域提升激光初始能量密度，对高损耗边界区域截断激光输出、将功率置零，以此补偿曲面各处光能吸收差异。该设计可让弧形预浸带整体受热趋于均匀，彻底改善传统平顶光束存在的温度分布不均问题，既避免局部温度过高引发树脂热降解，又可防止局部热量不足造成熔融不充分、界面结合不良，有效提升复合材料铺放成型质量与整体力学性能。

11、作为上述技术方案的进一步描述：所述pid控制器采用比例-积分-微分控制算法，依据实测温度与目标温度的差值生成控制量，分别独立调控第一激光器、第二激光器的输出功率，实现预浸带与基材的分区独立恒温控制。pid控制方式响应速度快、控温精度高，可实时动态修正激光输出功率，有效抑制温度波动，能够分别匹配预浸带与基材的最佳熔融温度区间，从根源解决二者升温不同步的问题，保障层间粘接效果，同时提升设备运行稳定性与工艺适配性。

12、作为上述技术方案的进一步描述：所述压轮为铁制压轮，相比于传统的钢制压轮，其导热速率更为平缓，可有效减缓预浸带与压轮接触位置的热量流失，保障树脂熔融状态稳定；并且该材质综合力学性能优异，抗形变、耐磨损能力强，在长时间连续辊压作业中可始终保持外形精度，确保预浸带与基材粘接均匀、压实可靠。

13、与现有技术相比，本发明取得了如下显著的有益效果：

14、1、本发明采用高低分置的双激光独立加热架构，将预浸带与基材分区加热，摒弃传统单激光共用热源的模式，从根本上解决因几何形貌、光学特性差异导致的二者升温不同步问题，大幅降低成型构件的残余应力与内部孔隙率，提升层间结合强度。

15、2、第一激光器配套衍射光学元件doe对光束进行定制化整形，针对弧形预浸带各处光能吸收率差异做能量补偿，同时对无效高损耗区域截断激光输出，有效消除传统平顶光束造成的料带温度畸变，避免树脂高温降解或熔融不足等缺陷，显著提升铺放成型品质。

16、3、激光器搭载集成式红外测温组件，测温探头与激光光斑相对位置保持恒定，配合可连续微调的角度调节结构，既能灵活适配不同规格压轮、预浸带与加工工况，降低激光反射损耗，又能保证温度采集精准可靠，设备通用性与运行稳定性更强。

17、4、双路独立pid闭环温控系统响应迅速、控温精度高，可根据预浸带、基材的实时温度动态调节激光功率，分别满足两者的熔融工艺要求，温控效果远优于现有单点开环控温方案，进一步保障产品加工一致性。

18、5、本发明完全沿用现有成熟的送料、张力、辊压、导向等机械主体结构，仅优化加热、测温与控制系统，设备改造难度低、改造成本小，便于在现有设备上直接升级，具备良好的工程推广价值。