一种具有闭环控制的激光熔覆系统

1.本实用新型属于激光熔覆技术领域，具体而言涉及一种激光熔覆系统。


背景技术：

2.激光熔覆（亦称激光熔敷或激光包覆），是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。
3.激光熔覆特点：熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，满足材料表面特定性能要求的同时可节约大量的材料成本。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，它具有诸多优点，如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等。
4.从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：1、对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等。2、对产品的表面修复，如转子，模具等。3、激光增材制造，通过同步送粉或送丝的方式，进行逐层的激光熔覆，进而获得具有三维结构的零部件。自20世纪80年代以来，激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视，并已在诸多工业领域获得应用。
5.现有的激光熔覆系统中包括激光熔覆装置与工件的位置、激光束投射光斑的位置都是通过手动调节，其精度及效率非常低下。具体情况如下：1）激光熔覆装置的送丝喷嘴与工件的垂直度非常重要，在现有技术中，需要借助独立的水平仪手动调节喷头以及工件的空间角度，该调节方法操作步骤多、精度低，非常影响工作效率；2）激光熔覆装置投射的激光束光斑与丝材的位置关系非常重要，在现有技术中，需要通过增加机械式微调结构，手动调节以保证光斑与丝材的位置精度，该调整方法不但时间长，而且由于熔覆过程中的震动以及装配磨损等因素，并不能保证在长周期熔覆环境下，丝材与光斑之间的高精度关系，即无法保证熔覆精度以及成形精度，严重时甚至会导致无法展开工作。
6.另外，现有的激光熔覆系统由于长时间工作，各光学镜片表面会沉积灰尘，从而影响镜片的反射效率，导致镜片吸收激光束的热量较高，同时，光学镜片内部通道在长时间通水冷却的过程中，由于水杂质的影响，会导致镜片内部水冷不充分，也会加剧热量增加。温度过高会导致镜片烧损，致使激光熔覆系统无法工作，甚至还会引起安全隐患。另外，镜片属于精密构件，成本昂贵，维修成本非常高。


技术实现要素：

7.为克服现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有闭环控制激光熔覆系统，该系统可以自动实现激光熔覆装置和工件位置的调整、激光束投射光斑的位置的调整以及对各光学镜片温度的监测，在温度过高是发出警报。
8.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
9.一种具有闭环控制的激光熔覆系统，包括一用于放置工件的工作台，所述工作台
上方为一用于产生三光束的激光熔覆装置，所述激光熔覆装置包括位于入射激光下方的三棱镜，所述三棱镜的三个投射光路上分别布置有聚焦镜，所述入射激光通过所述三棱镜分光后，分别通过三个所述聚焦镜将三光束投射到所述工件的熔池处，其还包括一用于调节聚焦镜角度位置的光路调节系统、一用于监测三棱镜及聚焦镜温度的温度监测系统和一用于调节激光熔覆装置及工作台位置的水平调节系统。
10.进一步的，所述光路调节系统连接有ccd摄像头和三个驱动电机，所述聚焦镜通过转轴可转动的设置在所述激光熔覆装置内，所述驱动电机的输出轴连接所述转轴。
11.所述ccd摄像头主要用于观察激光束所形成光斑与丝材的位置关系，根据给定的丝材与光斑的尺寸要求，实时提取丝材与光斑的位置关系，并通过光路调节系统发出指令信号给所述驱动电机，所述驱动电机驱动所述聚焦镜转动，以此实现光斑均匀包络丝材，保证光丝精确耦合。
12.进一步的，所述温度监测系统连接有温度信息反馈装置，所述温度信息反馈装置连接有四个温度传感器，四个所述温度传感器分别连接在所述三棱镜和三个所述聚焦镜上。
13.所述温度传感器用于实时检测所述三棱镜和所述聚焦镜表面温度，并将温度数据及时传输到所述温度信息反馈装置，所述温度信息反馈装置将相关结果进行显示或者声/光的警报提示。
14.进一步的，所述水平调节系统连接有第一角度检测仪和第二角度检测仪，所述第一角度检测仪设置在所述激光熔覆装置上，所述第二角度检测仪设置在所述工件上，所述水平调节系统还连接有机械手移动装置，所述机械手移动装置连接所述激光熔覆装置和所述工作台。
15.所述水平调节系统根据所述第一角度检测仪和所述第二角度检测仪器采集的所述激光熔覆装置与所述工作台的空间的角度数据，通过所述机械手移动装置对所述激光熔覆装置实现自动调节所设定的角度，以及与所述工作台位置关系，实现所述激光熔覆装置上表面与所述工件表面平行，即保证了丝材始终与基材表面垂直，有效保证丝材和光斑扫描的方向性。
16.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
17.1、本实用新型的具有闭环控制的激光熔覆系统，实现闭环控制手段，通过采集第一角度检测仪和第二角度检测仪的空间角度，通过水平调节系统和机械手移动装置实现联动，保证激光熔覆装置上表面始终与工件表面平行，从而有效保证了丝材与基材的垂直关系，进而有效保证了扫描方向性，和提高了零件的成形精度。
18.2、本实用新型的具有闭环控制的激光熔覆系统，实现闭环控制手段，通过ccd摄像头采集光斑与丝材的位置关系，当丝材与光斑位置精度无法达到预设要求时，就会通过驱动电机实现聚焦镜的转动，调节直至光斑与丝材位置精度满足要求，从而实现智能控制，提高工作效率，同时也保证在工作过程实时观察光斑与丝材的位置关系，提高熔覆和成形精度。
19.3、本实用新型的具有闭环控制的激光熔覆系统，将温度传感器固定在个光学镜片上，当镜片的温度过高时，及时发出相关信息，提醒用户及时清理镜片表面的物质以及镜片内部水路通道的污垢，保证镜片表面干净无灰尘，以及水路通道通畅，有效延长镜片的使用
周期，减小维护成本。
附图说明
20.图1为本实用新型的具有闭环控制的激光熔覆系统的系统架构原理图。
21.图2为本实用新型的驱动电机的设置位置结构示意图。
22.图3为本实用新型的光斑与丝材的关系示意图；图3（a）表示光斑未均匀包络丝材的示意图，图3（b）表示光斑均匀包括丝材的示意图；示意图中，中间实心圆表示丝材，外圈空心圆表示光斑。
23.图4为本实用新型的温度传感器的设置位置结构示意图。
24.图5为本实用新型的角度检测仪的设置位置结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.参见图1所示，一种具有闭环控制的激光熔覆系统，包括一用于放置工件1的工作台2，所述工作台2上方为一用于产生三光束的激光熔覆装置3，所述激光熔覆装置3包括位于入射激光下方的三棱镜301，所述三棱镜301的三个投射光路上分别布置有聚焦镜302，所述入射激光通过所述三棱镜301分光后，分别通过三个所述聚焦镜302将三光束投射到所述工件1的熔池处，其还包括一用于调节聚焦镜角度位置的光路调节系统4、一用于监测三棱镜及聚焦镜温度的温度监测系统5和一用于调节激光熔覆装置及工作台位置的水平调节系统6。
28.进一步的，参见图2所示，所述光路调节系统4连接有ccd摄像头401和三个驱动电机402，所述聚焦镜302通过转轴可转动的设置在所述激光熔覆装置3内，所述驱动电机402的输出轴连接所述转轴。
29.如图3（a）所示，由于制造误差的存在，所述聚焦镜302将光束反射到基材表面后，光斑未必能够准确将光斑均匀包络丝材。本实施中，通过ccd摄像头401观察丝材与光斑的位置关系，采集光斑与丝材的数据信息，通过与设定目标值进行对比，超过目标光斑与丝材的位置精度，就通过光路调节系统4会发出信号给所述驱动电机402，让所述驱动电机402带
动所述聚焦镜302转动，调节光斑与丝材的位置精度，形成闭环控制，直至光斑与丝材的位置精度达到预设要求，如图3（b）所示，丝材可以均匀被光斑均匀包络。
30.进一步的，参见图4所示，所述温度监测系统5连接有温度信息反馈装置501，所述温度信息反馈装置501连接有四个温度传感器502，四个所述温度传感器502分别连接在所述三棱镜301和三个所述聚焦镜302上。
31.所述温度传感器502实时监测到三棱镜301和所述聚焦镜302表面的温度后，将温度数据及时温度信息反馈装置501，所述温度信息反馈装置501，可以通过设定警报阈值，如当温度超过60度时发出警报，进行蜂鸣或者红光闪烁，以此提醒操作人员。
32.进一步的，如图5所示，所述水平调节系统6连接有第一角度检测仪601和第二角度检测仪602，所述第一角度检测仪601设置在所述激光熔覆装置3上，所述第二角度检测仪602设置在所述工件1上，所述水平调节系统6还连接有机械手移动装置，所述机械手移动装置连接所述激光熔覆装置3和所述工作台2。
33.优选的，所述光路调节系统4、所述温度监测系统5和所述水平调节系统6连接集成为一信息处理及控制中心7，所述信息处理及控制中心7连接有显示设备、输入设备、报警器及若干输入输出扩展接口。
34.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。