[发明专利]一种航空发动机火焰筒气膜孔激光加工的自动对焦方法

说明书

本发明公开了一种航空发动机火焰筒气膜孔激光加工的自动对焦方法，包括：基于同轴成像系统实时获取工件的图像，利用智能视觉算法评估所述图像的清晰度，并与标准距离下的清晰度进行比对后，通过计算机反馈控制系统控制五轴工作台沿激光的中轴线方向移动，在闭环状态下通过多次清晰度对比直至所述五轴工作移动至激光最佳聚焦位置，进行激光打孔，实现自动对焦。本发明能够代替技术人员的手动对焦过程，显著提高对焦过程的速度和精度，提升火焰筒气膜孔加工的效率和质量，实用性强，具备广泛的推广和应用前景。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别是涉及一种航空发动机火焰筒气膜孔激光加工的自动对焦方法。

背景技术

航空发动机燃烧室的温度是决定发动机效率和推重比的关键因素，而燃烧室材料的耐受温度是限制其温度提升的主要瓶颈。为提升燃烧室温度，目前燃烧室火焰筒的设计使用了气膜冷却技术。气膜冷却技术的核心是在火焰筒壁上加工大量的通孔，发动机运行时会将低温压缩气体从孔入口喷射进入燃烧室，在孔出口附近的材料表面形成一层贴近表面的冷气膜，将火焰筒材料与燃烧室内的高温燃气分隔开，有效减少二者间的热交换，从而达到降低材料表面温度的效果。气膜孔的孔形直接影响冷却气流的分布，从而影响冷却气膜的性能，因此气膜孔加工对孔形质量具有极高的要求。

激光加工利用物质对光吸收产生的热效应烧蚀材料，具有高精度、高质量、高效率、无接触和一次成型等优点，是目前火焰筒气膜孔加工领域公认的最佳技术手段。为保证足够的能量与精度，激光需要经由透镜会聚在工件位置。然而，在实际的加工过程中，由于工件受热变形、夹具制作误差和运动累计误差等因素，激光加工头-工件表面距离会发生变化，导致工件偏离激光的最佳聚焦位置，显著降低加工的效率，影响气膜孔的孔形质量，在离焦严重时甚至可能导致材料无法穿透，气膜孔堵塞不通，影响工件气膜分布，从而降低发动机的寿命。因此，在火焰筒气膜孔加工过程中，技术人员需要对同轴成像系统进行实时监测与控制，在发现离焦情况出现时，及时暂停加工过程，沿激光的中轴线方向调节五轴工作台位置，矫正激光加工头-工件表面距离，保持工件处于激光的最佳聚焦位置。

发动机火焰筒上有成千上万个待加工的气膜孔，频繁的人工对焦会带来极高的人力和时间成本，这对于火焰筒气膜孔激光加工的产业化是无法接受的。另一方面，利用肉眼对聚焦情况判断具有较大的误差，无法找到最佳距离，而且在长时间大量气膜孔的加工中难以保证加工的质量和稳定性。总的来说，航空发动机火焰筒气膜孔激光加工的对焦问题目前国内没有很好的解决办法，缺少一种基于智能视觉算法的闭环自动化对焦方案。这一现状阻碍了火焰筒气膜孔激光加工效率与质量的提升，很大程度上限制了航空发动机制造产业的发展。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了如下方案：一种航空发动机火焰筒气膜孔激光加工的自动对焦方法，包括：

基于同轴成像系统实时获取工件的图像，利用智能视觉算法评估所述图像的清晰度，并与标准距离下的清晰度进行比对后，通过计算机反馈控制系统控制五轴工作台沿激光的中轴线方向移动，在闭环状态下通过多次清晰度对比直至所述五轴工作移动至激光最佳聚焦位置，进行激光打孔，实现自动对焦。

优选地，在自动对焦之前还包括将所述同轴成像系统集成在设有五轴工作台的气膜孔激光加工装置上，通过控制五轴工作台沿激光的中轴线方向移动，建立同轴成像系统与计算机反馈控制系统间的通信机制，通过所述计算机反馈控制系统实时控制所述同轴成像系统拍摄图像，并将图像数据收集进行处理分析；建立五轴工作台与计算机反馈控制系统间的通信机制，通过所述计算机反馈控制系统控制五轴工作台按指定方式移动。

优选地，所述标准距离的获取过程包括，使用测试工件在不同的激光加工头-工件表面距离下进行打孔，根据孔形大小和穿透程度的结果，确定激光聚焦最佳状态对应的标准距离，在所述标准距离下调节同轴成像系统的焦距，同时通过调用智能视觉算法评估不同程度偏离标准距离时的图像清晰度，确定图像清晰度的容差范围。

优选地，通过计算机反馈控制系统控制五轴工作台沿激光的中轴线方向移动的过程包括，