本发明涉及激光冲击加工技术，尤其涉及一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法。
背景技术：
1、金属微成形技术在现代制造业中尤为重要，特别是在微电子、航空航天和生物医学等高科技领域。随着微型化和高精度需求的不断增加，传统机械加工方法已无法满足复杂的制造需求，推动了新加工技术的发展。
2、高能激光冲击成形作为一种新兴的加工方法，利用高能激光脉冲产生的冲击波对金属表面进行冲击，使材料发生塑性变形，实现复杂微结构的成形。该技术具有以下显著优点：无接触加工，避免工具磨损和工件变形；能量集中，实现高精度微结构成形；激光参数可调，具有高度的灵活性和可控性。
3、然而，现有技术仍存在一些不足，如激光冲击过程中能量集中导致的局部热积累可能损伤材料，激光参数的选择和控制要求高，以及现有设备在加工大面积复杂结构时效率较低。
4、我们的研究旨在解决这些问题，通过优化激光冲击成形工艺，提高效率和加工质量，推动这一技术在工业生产中的应用。通过深入研究激光参数对微结构成形的影响，为高能激光冲击成形技术在金属微成形中的应用提供坚实的理论和实践基础。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法。本发明提高了复杂形状制造的精度和效率，同时增强了设备的适应性和可靠性。
2、为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
3、一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，所述方法具体步骤为：
4、s1、获取当前激光参数(能量、频率、脉宽)；
5、s2、基于材料特性计算激光冲击压强和应变；
6、s3、对成形工况进行判断，针对快速成形工况采用路径优化算法进行路径规划，针对精细成形工况调整激光参数进行微成形实验；
7、s4、对运行模式进行判断，针对正常运行模式构建路径优化模型优化控制微结构，针对异常处理模式调整激光参数和路径优化成形质量；
8、s5、基于参数通过构建优化模型得到最佳冲击路径；
9、s6、根据最优路径和激光参数进行激光冲击成形。
10、进一步的，所述步骤s1中的获取当前激光参数，包括激光能量、频率和脉宽的实时测量。
11、进一步的，所述步骤s2中的计算激光冲击压强和应变，包括：通过材料特性和激光参数计算激光冲击产生的压强和应变，以确定合适的工艺参数。
12、进一步的，所述步骤s3中的工况判断，包括：快速成形工况和精细成形工况；所述快速成形工况，通过路径优化算法进行路径规划；所述精细成形工况，通过调整激光参数进行微成形实验；
13、激光诱导冲击波基本方程是从能量、质量和动量守恒定律结合得来的，其一维平面表达式如下：
14、能量守恒方程：pup＝1/2ρ0usup2+ρ0us(e-e0)
15、质量守恒方程：ρ0us＝ρ(us-up)
16、动量守恒方程：(p-p0)＝ρ0usup
17、其中，ρ0是波阵面前的密度、p0是波阵面前的压力、e0是波阵面前的能量；波阵面后，ρ是波阵面后介质密度、p是波阵面后冲击波压力、us是波阵面后波阵面扩散速度、e是波阵面后冲击波能量；up为波阵面上和波阵面后面粒子运动速度，假设up为零，那么结合方程可表示如下：
18、
19、激光诱导冲击波的各个参数可以通过组合上述各个方程求解得出；
20、在激光冲击成形过程中，激光功率密度i0与脉宽τ、脉冲能量e和光斑直径d的关系，可以用下面公式表示:
21、
22、为了提高冲击波的峰值压强，我们提出了一种创新的约束模型。在激光冲击成形过程中，通过在金属表面覆盖一层吸收层和约束层，可以显著提升冲击波的峰值压强。本文主要介绍了我们在约束模型下估算激光诱导冲击波峰值压强的方法，以及基于能量守恒定律和宏观气体膨胀理论提出的等离子体运动宏观方程。根据能量守恒定律和宏观气体膨胀理论，给出等离子体运动的宏观方程：
23、
24、其中：i(t)是激光功率密度，p(t)是激光诱导冲击波压力，l(t)是吸收层厚度，v(t)是等离子体膨胀速度，z1为被冲击靶材声阻抗，z2为约束层的声阻抗，由上两式可以得到激光诱导冲击波峰值压强的计算公式：
25、
26、在上式中，pmax是峰值压强，i0是激光功率密度，α是激光与金属材料的作用效率，α通常取0.1～0.2；在公式中，z1为被激光冲击材料声阻抗，z2是约束层声阻抗，z是z1和z2的复合声阻抗；在上述fabbro模型中是有一些理想型假设的，假设激光照射范围内被冲击材料表面受热均匀；约束层与被冲击材料各向同性；等离子体气化状态看做是理想气体；等离子体扩散方向只在轴向；综上所述，fabbro公式充分考虑了吸收层和约束层声阻抗对诱导冲击波的影响，还考虑了激光与金属箔材的作用效率，且公式参数选取比较容易，能较准确估算纳秒激光诱导冲击波的峰值压强；
27、激光冲击诱导塑性变形的应变率估算是理解材料在激光冲击下行为的重要步骤，应变率是描述材料在单位时间内发生形变的速率，通常在高能激光冲击过程中，应变率非常高，达到10^6s^-1以上，下面是估算激光冲击诱导塑性变形应变率的方法和步骤：
28、激光冲击波压力：激光脉冲作用在材料表面时，会产生瞬时的高压冲击波，这个压力通常通过激光的能量密度来计算；
29、应变率定义为应变ε随时间t的变化率，公式为：
30、
31、激光冲击波压力(p)可以通过以下公式估算：
32、
33、i是激光的能量密度，c是材料声速，r是材料的反射率；
34、计算塑性应变率：塑性应变率可以通过冲击波压力和材料的密度以及波速估算，公式为：
35、
36、ρ为材料的密度。
37、进一步的，所述步骤s4中的运行模式判断，包括：正常运行模式和异常处理模式；所述正常运行模式，构建路径优化模型，优化控制金属表面微结构成形；所述异常处理模式，调整激光参数和冲击路径，进行优化实验以提高成形质量；
38、其中，仅仅采用直线插补，即以离散点逐点连线行切路径，在五轴熔覆的情况下，还需要对路径上的离散点指定ac转角，即打印路径对一个离散点的定义格式是：
39、x_y_z_a_c
40、上式中，横线表示的是坐标值或旋转角度，对于两个邻近的点，通常它们的x,y,z坐标值会非常接近，在路径法矢量规划不合理的情况下，邻近点ac转角的偏差会很大，
41、假设有两个x,y,z坐标值相近的邻近点和在一个工件被冲击点法线与光束重合的情况下，熔覆面为球面顶部的区域，p_1和p_2的x,y,z坐标值差别很小，由于数据噪声，δθ和在曲面顶部区域的差异较大(δθ可能接近π，可能接近π/4)，控制系统根据一个脉冲信号对应的轴方向的行进距离进行插补，因此对于p_1和p_2中间的一些坐标位置，x,y,z三个轴的插补可能停止，即坐标静止不动而等待ac两个轴继续大幅度旋转，此时干涉可能出现；
42、在δθ和较大的情况下，抬升激光发射器让工件旋转到位后再下降激光发射器继续熔覆，或者对线段p_1和p_2表示的路径进行点的插值密化处理，对于保护工件非常有必要。尽管这样处理可以避免工件损坏，但依然不能避免光纤在长时间加热状态下积累热量而造成的损伤。
43、进一步的，所述步骤s5中的基于参数通过构建优化模型得到最佳冲击路径，包括：利用激光参数和路径优化算法，计算出最优的激光冲击路径；
44、其中由于法矢量仅仅是方向矢量，因此可以假设对于n＝(nx,ny,nz)t来说旋转中心就是坐标原点，这样为了使得n与z轴的正方向重合，具体过程为：
45、①工件绕z轴旋转一个角度θ，使得法矢量位于yoz面；
46、②工件绕x轴旋转一个角度φ，使得法矢量与z轴正方向重合；
47、这样就可以先计算向量[nx,ny]与y轴正向的夹角θ∈[-π,π]，然后由向量计算角度根据加工工况，由于nz≥0，即法矢量正向一定指向喷头所在的一侧，而且不基于法矢量优化a、c两个转角时无需考虑取值范围是因此，由定义的法矢量可以写为
48、
49、上式用于估计定义的法矢量与目标曲面法矢量的偏差，即用于构造优化模型的目标函数；
50、对于上述方法得到的ac转角，可能会存在邻近点的c转角偏差接近±2π的情况，因为在后续采用优化迭代方法对各个转角进行优化时，也需要迭代初始值尽可能接近最优值，所以为了使得邻近点转角偏差尽可能小，先根据三角函数的2π周期性对各点的c转角进行优化，假设离散路径上的各点依次排成序列[p0，p1，…pi，pn]，其中pi＝[xi，yi，zi，ai，ci]那么采用下式对各ci进行更新：
51、
52、采用上式对各个点的c转角进行第一轮优化后，可以使得任意两个邻近点的c转角差异不大于π；
53、假设所有c转角排成序列c＝[c0，c1，…cn]，|c|＝[|c0|，|c1|…|cn|]，δc＝[…，ci-ci-1]那么可以用
54、min(max(|δc|))
55、表示临近点c转角的偏差尽可能小，类似地，
56、min(max(|δa|))
57、表示临近点a转角的偏差尽可能小；
58、令ni和n(ai，ci)分别表示理论路径第i个离散点的法矢量和转角优化中第i个点由ac转角根据式定义的法矢量，
59、v(a，c)＝[acos(n0n(a0，c0)，acos(n1n(a1，c1))，…，acos(nnn(αn，cn))]，于是，
60、min(max(|v(a，c)|))
61、表示各点当前的ac转角定义的法矢量与理论路径法矢量的偏差尽可能小；
62、可以得到对加工路径上各点进行优化的数学模型：
63、
64、上述优化模型中，t＝α+β+γ，a＝(a0+a1，…，an)，c＝(c0，c1，…，cn)分别表示各点的a转角和c转角形成的向量，δ表示向前差分算子；前两个约束条件是根据软件算法和实际工况而决定的，第一个约束条件是a轴始终向正方向偏转且不超过90°；第二个约束条件表示喷嘴轴线与熔覆面法矢量的偏差最大不超过45°；对c没有约束表示c轴的转角c∈(-∞,∞)；后两个约束条件是对每行上各点的ac转角形成的向量作为个体进行迭代时，起始转角的约束，首行没有约束，后续行的终点和当前行的起始点转角的偏差不能大于邻近点转角偏差的阈值，目标函数中的αβγ分别表示各个子优化目标所占的权值；由于在a、c两个转角中，c对误差的敏感程度要远远大于a对误差的敏感程度，因此取β>α≥γ,且β>0,α>0,γ>0，以确保f(a,c)达到最优时三个子目标的值都尽可能小。
65、进一步的，所述步骤s6中的根据最优路径和激光参数进行激光冲击成形，包括：根据优化后的激光冲击路径和激光参数，进行激光冲击成形过程，提高成形精度和重复性。
66、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提出一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，提高了复杂形状制造的精度和效率，同时增强了设备的适应性和可靠性。
1.一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述方法具体步骤为：
2.根据权利要求1所述的一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述步骤s1中的获取当前激光参数，包括激光能量、频率和脉宽的实时测量。
3.根据权利要求1所述的一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述步骤s2中的计算激光冲击压强和应变，包括：通过材料特性和激光参数计算激光冲击产生的压强和应变，以确定合适的工艺参数。
4.根据权利要求1所述的一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述步骤s3中的工况判断，包括：快速成形工况和精细成形工况；所述快速成形工况，通过路径优化算法进行路径规划；所述精细成形工况，通过调整激光参数进行微成形实验；
5.根据权利要求1所述的一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述步骤s4中的运行模式判断，包括：正常运行模式和异常处理模式；所述正常运行模式，构建路径优化模型，优化控制金属表面微结构成形；所述异常处理模式，调整激光参数和冲击路径，进行优化实验以提高成形质量；
6.根据权利要求1所述的一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述步骤s5中的基于参数通过构建优化模型得到最佳冲击路径，包括：利用激光参数和路径优化算法，计算出最优的激光冲击路径；
7.根据权利要求1所述的一种五轴激光冲击的无模具成形设备及其路径优化算法，其特征在于，所述步骤s6中的根据最优路径和激光参数进行激光冲击成形，包括：根据优化后的激光冲击路径和激光参数，进行激光冲击成形过程，提高成形精度和重复性。
