CN103802027A - 一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用矩形平行光束与成型超硬磨料砂轮圆周面相切的整形成型超硬磨料砂轮的方法，本发明采用点扫描传感器精确地检测整个成型超硬磨料砂轮表面形貌数据，将检测到的数据与已知的成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓母线函数进行比较，确定需要修整的余量。通过数控编程使得二维数控位移平台控制激光束沿着成型超硬磨料砂轮的标准轮廓垂直于母线去掉这些凸出的部分，直至激光束沿Z轴方向进给至激光束预定轮廓轨迹函数k(y)+m。此时，表明成型超硬磨料砂轮上待去除的余量已经去除完毕，整形结束。结合数控系统进给的脉冲光纤激光对成型超硬砂轮进行沿圆周表面修整，解决了现有技术修整效率低，整形精度低的问题。

Description

一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法

发明领域

本发明涉及激光修整砂轮的方法，尤其涉及一种使用矩形平行光束与成型超硬磨料砂轮圆周面相切的整形成型超硬磨料砂轮的方法。

背景发明

金刚石和立方氮化硼(CBN)砂轮统称为超硬磨料砂轮，两者在适应性方面具有互补性：金刚石砂轮适于磨削硬、脆有色金属和硬质合金、光学玻璃、陶瓷、宝石等高硬度、高脆性的非金属材料；CBN砂轮适于磨削淬硬钢、耐热合金和高硬度、高韧性的金属材料。由于超硬磨料砂轮优良的磨削性能，广泛应用于航空、汽车、医学、电子、建材等领域，并成为精密和超精密磨削、高速高效磨削、难加工材料磨削、成型磨削、磨削自动化等技术的基础。

磨削过程中，砂轮的磨削性能在很大程度上取决于砂轮的表面特性，成型超硬磨料砂轮的形状精度及其尺寸精度直接影响工件的加工质量。因此，要实现成型磨削，首先要解决砂轮修整问题。砂轮修整通常分为整形和修锐两个过程。

成型超硬磨料砂轮修整常用的整形方法有车削法、磨削法、挤压法、金刚石滚轮法，对金属结合剂砂轮还可用电加工方法；修锐的方法主要有固结式磨料、游离式磨粒及电加工三大类。

成型超硬磨料砂轮修整技术还存在一定的局限性，例如车削法修整和杯形砂轮修整时修整工具损耗较快；金刚石滚轮修整效率高、精度高，但滚轮型面复杂，难于制造；电火花修整法修整精度高，但修整速度较慢；电解修整法速度快但难以整形，且由于阴极工具和砂轮之间的电场、流场、电极反应动力过程的影响，加工间隙不是处处相等，从而使被修整的表面粗糙度不理想；ELID法需配备专用的电源、电极和电解液，装置较贵且有一定的特殊要求；

随着基础理论研究的深化和优质激光器的兴起，高能量、短脉冲激光的应用领域和应用规模得到不断拓展和扩大。激光修整作为一种非接触式的修整技术，避开了机械力的直接作用和硬接触，具有适用性广、效率和精度高以及易于实现自动化等多方面的优点。本发明采用光纤激光束作为“修整笔”，利用激光与材料相互作用的热力效应，实现砂轮材料的烧蚀去除加工，达到成型超硬磨料砂轮的高质量、高效率及自动化修整的目的。

现有技术公开了一种激光修整超硬磨料砂轮的方法和设备，公开号为CN101642895A的“超硬磨料砂轮的激光修整方法”和公开号CN201455807U的“砂轮激光修整设备”专利中提供了一种超硬磨料砂轮的激光修整方法和设备。此发明专利提出了一种激光修整超硬磨料砂轮的方法。但是该技术方案仍存在有不少的问题：

1）该专利采用激光光束径向对准砂轮的修整方法，针对待去除的高点一个个去除，而且需要随时改变激光修整的工艺参数，对激光器的性能要求非常高，效率很低。并且一次无法完成修整，需要多次重复检测，计算机计算和控制激光器出光修整，直到完全去除余量。

2）在每次检测时，编码器需要记录下砂轮从启动到停止中的各个位置信号。再上传当前位置信号，并通过计算机获取砂轮当前位置的修整余量，控制调节激光器的修整工艺参数。整个过程操作过于繁杂。

3）成型超硬磨料砂轮烧结完成或者磨损后，圆周面形状误差大（1-2mm），修整过程中去除材料量大，显然此方法不能满足成型超硬磨料砂轮高效修整的要求。

公开号为CN102601734A，发明名称为“一种修砂轮的方法”的发明专利公开了一种成型磨削砂轮的激光整形方法，其解决了以往人工修磨方法修磨成本过高，磨削效率过低的问题，但是该技术方案仍旧存在以下两点问题：

1）通过扫描振镜绕两个轴的旋转合成运动控制激光束的入射方向，直接导致三个缺陷：

首先，控制难度大。由于扫描振镜距砂轮距离较远，要精确控制激光在砂轮表面的微量位移，通过公式（或

）知在r很大时θ（或ω）很小，即扫描振镜的旋转角度（或角速度）很小，不易实现精确控制。

其次，对于砂轮表面形貌高度相差很大的复杂成型超硬磨料砂轮不适用。砂轮表面形貌高度相差很大，激光束偏转的角度就会较大，反应到对砂轮修整精度的影响也会因此而放大。

再次，对于厚度较大的成型超硬磨料砂轮也不适用。成型超硬磨料砂轮的厚度较大，同样激光束偏转的角度就会较大，反应到对砂轮修整精度的影响也会因此而放大。

2）未提出修磨砂轮要达到的修磨标准，即尚未提出一种合适的方法使修磨过程去除的结合剂与磨粒材料最少而不去除过多的材料。

现有文献中李力钧等人《激光修整CBN砂轮》及相关应用中，分别从激光的径向和切向两种辐照方式上详细分析了圆形高斯光束进行激光修整时的缺陷。

如图1所示，光束沿径向或者切向均匀扫描砂轮表面去除材料时，激光光束沿砂轮径向入射时，聚焦激光束的光束的直径是渐变的，以焦斑处光束直径最小。如果焦斑处的功率密度足够去除材料，那么沿着光轴方向处于焦斑前后一段范围内的光斑功率密度也往往可以去除材料，只不过越偏离焦点，材料去除率越低，以致降为零。形象的说，激光刀没有明确的刀尖，当光束在砂轮表面均匀扫描时，它倾向于均匀的去除一层材料，而不能纠正砂轮的圆度偏差。

当激光束沿砂轮切向入射时，聚焦激光束的断面内的功率密度分布常常是由中心向边缘逐渐降低的高斯型分布，没有明确的边缘，同样存在沿砂轮半径方向修整位置的不确定性。

但是，由于目前修整砂轮时主要采用的是聚焦的高斯光束，如图2所示为现有的一种形成聚焦型的高斯光束并且径向整形超硬磨料砂轮的一种光路图。激光器发出的准直激光光束直接经聚焦透镜聚焦射出而获得光斑面积很小的圆形高斯光束，然后经保护镜片输出入射至砂轮表面。但是圆形的聚焦高斯光束，无论是径向修整还是切向修整均不可避免的产生激光作用区域不明确的缺陷。

如图3所示，为激光聚焦型高斯光束和功率密度均匀的矩形平行光束分别与材料作用的示意图。由图可知，聚焦型高斯光束光束焦点中心功率密度高，达到材料去除的功率密度，但是偏离焦点光斑位置功率密度降低很快，达不到去除材料的功率密度。因此，聚焦型高斯光束只能烧蚀去掉材料的中心区域部分。而平行光束由于功率密度均匀，可以直接烧蚀作用整个的矩形区域，相当于有明确的“刀刃”。

因此，亟需改变现有的聚焦型高斯激光光束，并结合现有的激光技术提供一种能够满足成型超硬磨料砂轮修整的激光修整方法。

发明内容

为了提供一种在修整过程中，整形精度高、去除效率高的成型超硬磨料砂轮修整的激光整形方法。本发明采用高精度的衍射光学元件将激光器发出的发散的准直光束整形成激光功率密度均匀的矩形光束，并且整形后的光束用于加工的中心区域的部分能达到近似平行，这部分平行长度约为5mm。根据成型超硬磨料砂轮的特点提供了一种垂直于母线的数控轨迹法整形成型超硬砂轮的方法，是指在成型超硬磨料砂轮的转动过程中，采用点扫描传感器精确地检测整个成型超硬磨料砂轮表面形貌数据，将检测到的数据与已知的成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓母线函数进行比较，确定需要修整的余量。通过数控编程使得二维数控位移平台控制激光束沿着预定的标准轮廓母线去掉这些凸出的部分，直至激光束沿Z轴方向进给至激光束预定轮廓轨迹函数k(y)+m。此时，表明成型超硬磨料砂轮上待去除的余量已经去除完毕，表明整形结束。结合数控系统进给的脉冲光纤激光对成型超硬砂轮进行沿圆周表面整形，解决了现有技术修整效率低，整形精度低的问题。

本发明的技术方案是提供一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、由激光器发出的准直光束经扩束镜进行扩束，扩束后的光束经过衍射光学元件将激光器发出的发散的准直光束整形成激光功率密度均匀的矩形平行光束，整形后的光束经保护镜片输出；

步骤2、确定待修整砂轮的标准砂轮模型，即忽略砂轮表面突出的磨粒高度和结合剂层的凹坑，按照其理想的连续平滑轮廓轨迹线确定的砂轮模型的标准轮廓母线函数为k(y)；将标准砂轮模型的标准轮廓母线函数k(y)轨迹导入计算机和二维平台的数控系统，并根据此标准轨迹给二维平台进行数控编程，将激光烧蚀头安装在数控二维平台上，使激光烧蚀头发出的激光束能在成型超硬磨料砂轮的圆周面垂直于砂轮母线进行往返运动；

步骤3、定义磨床运动坐标系，成型超硬磨料砂轮回转中心轴线方向为Y方向,竖直方向为Z方向，水平垂直于Y方向为X方向；成型超硬磨料砂轮安装在磨床主轴上；功率计安装在与激光烧蚀头相对的砂轮另一侧；

步骤4、开启磨床，设定磨床主轴转速为60r/min；

步骤5、调节点扫描位移传感器的位置，使得检测光束竖直对准成型超硬磨料砂轮表面；

该步骤中点扫描位移传感器安装在精密传感器位移平台上，精密传感器位移平台安装在磨床上；调节精密传感器位移平台在磨床上的安装位置，使点扫描位移传感器发出的检测光束平行于Z方向竖直对正成型超硬磨料砂轮回转中心轴线；

调节精密传感器位移平台Y向延伸臂的运动，使得点扫描位移传感器的检测光束对准成型的圆周面边缘，点扫描位移传感器开始检测成型超硬磨料砂轮表面数据，设定此时点扫描位移传感器光点所在成型超硬磨料砂轮表面位置为Y方向基准0位置，成型超硬磨料砂轮回转中心轴线所在位置为Z方向基准0位置；

步骤6、通过点扫描位移传感器采集待修整的成型超硬磨料砂轮表面数据，并导入计算机，根据检测到的数据生成成型超硬磨料砂轮形貌测量值函数h(Y)；

该步骤中，精密传感器位移平台使点扫描位移传感器以设定的速度沿砂轮轴向匀速地进给，点扫描位移传感器开始检测砂轮表面高低数据，记录下此后点位移传感器从Y方向基准0位开始所测得的成型超硬磨料砂轮表面形貌高低的数据；

步骤7、利用计算机将检测到的成型超硬磨料砂轮表面形貌数据和已知的成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓母线函数进行比较，得到函数f(Y)=h(Y)-k(Y)；

步骤8、计算机通过找出f(Y)最小值min f(Y)=f(a)，确定激光束预定轮廓轨迹函数与成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓函数差值m；

步骤9、调节烧蚀激光光束的位置，设置好激光修整参数，修整成型超硬磨料砂轮直至整形结束；

该步骤中，在以成型超硬磨料砂轮回转中心轴线所形成的XY平面内，激光束垂直于Y方向且穿过成型超硬磨料砂轮回转中心轴线，且矩形激光束平行长度部分的中心落在成型超硬磨料砂轮回转中心轴线上，使得成型超硬磨料砂轮回转中心轴线垂直平分矩形激光束的平行部分。

本发明的有益效果在于：

1）采用高精度的衍射光学元件将激光器发出的发散的准直光束整形成激光功率密度均匀的矩形平行光束，并且整形后的光束的近似平行长度部分约为5mm。现有技术所使用的加工光束为聚焦的圆形高斯光束，光束直径是渐变的，且激光功率密度随光束直径大小的变化而曲线变化，导致采用这种光束修整砂轮的时候，没有明确的“刀刃”，去除材料量少而且范围不确定。而采用功率密度均匀的平行激光光束修整成型超硬磨料砂轮时，激光功率密度沿整个矩形的边缘由0直接升到最大值，在整个矩形光斑范围内是均匀的，有了明确的“刀刃”。因此，矩形激光束去除材料的区域是确定的，避免了高斯光束作用区域的不确定性，避免了高斯光束周围无法达到去除材料功率密度的光斑对不需要去除的部分产生了附加热损伤。同时，矩形光束材料去除量大，去除效率高。

2)本发明所采用的方法特别适用于各种曲面的成型超硬磨料砂轮。不同的成型超硬磨粒砂轮，只需要变换成型超硬磨料砂轮的标准轮廓母线函数，控制激光束沿该成型超硬磨料砂轮的标准轮廓母线运动去除凸出的余量部分，就能实现成型超硬磨料砂轮的沿圆周表面的整形。

3)提出了一种精确的检测方法。采用高效率、高精度的点扫描位移传感器，设置合适的传感器参数，对成型超硬磨料砂轮进行近乎全覆盖式的表面检测，大量的数据表面数据采集较好的反应了砂轮表面形貌。

4)高精度的轨迹修整。通过数控二维平台的两轴联动，能实现精确进给运动。以实现激光束垂直于成型超硬磨料砂轮标准轮廓母线运动，相比于针对整个圆周曲面上的各个点的修整。采用矩形平行光束的整形方法一次修整即能达到效果，效率提高很多。同时提高了成型超硬磨料砂轮表面的修整精度，延长了成型超硬磨料砂轮的使用寿命。

5）通过合理设计一种计算方法恰好使成型超硬磨料砂轮表面凸出的、多余的材料得到去除，解决了现有技术去除量不准确甚至去除量过多的问题。同时，该算法对数据的处理仅限于减法。因此，尽管计算机需要处理大批量的数据，但处理速度依然很快。便于实现设备的系统化和自动化，这也间接的提高了成型超硬磨料砂轮的修整效率。

附图说明

图1是激光光束入射超硬磨料砂轮的形式

其中：激光束①为径向入射；激光束②为切向入射；

图2是烧蚀头聚焦光路示意图；

图3是聚焦型高斯光束与矩形平行光束去除材料示意图；

图4是激光光束整形光路系统；

图5是衍射光学元件原理图；

图6是衍射光学元件光束整形效果图；

图7是衍射光学元件实物图；

图8是矩形平行光束法修整成型超硬磨料砂轮系统示意图；

图9是点扫描位移传感器检测成型超硬磨料砂轮系统示意图；

图10是点扫描位移传感器检测光斑覆盖整个成型超硬磨料砂轮的示意图；

图11是点扫描位移传感器采集的数据生成的图像H(K)；

图12是截取的部分点扫描位移传感器采集的数据；

图13是采样数据生成的h(Y)函数图；

图14是同一坐标系下成型超硬磨料砂轮轮廓比较的示意图；

图15是同一坐标系下成型超硬磨料砂轮轮廓实际比较图；

图16是矩形平行光束位置调节示意图；

其中：1-激光束，2-聚焦透镜，3-保护镜片，4-砂轮，5-扩束镜，6-衍射光学元件，7-平行长度，8-磨床，9-磨床主轴，10-功率计，11-成型超硬磨料砂轮，12-烧蚀激光光束，13-激光烧蚀头，14-二维数控位移平台Y向延伸臂，15-二维数控位移平台Z向延伸臂，16-点扫描位移传感器，17-检测激光光束，18-精密传感器位移平台Y向延伸臂，19-精密传感器位移平台Z向延伸臂。

具体实施方式

以下将结合附图4-16对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图8所示，本发明提供了一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的系统，其中，该系统由磨床1，激光烧蚀头13，二维数控位移平台14，15，点扫描位移传感器16，精密传感器位移平台18，19，计算机，功率计10等组成。待修整的成型超硬磨料砂轮安装在磨床主轴上，点扫描位移传感器安装在精密传感器位移平台上，通过传感器位移平台的运动实现对砂轮表面数据的检测。根据标准轮廓母线数控编程的二维数控位移平台带动烧蚀头不断沿标准轮廓母线去除凸出的余量，直到修整结束。

在本实施实例中，所述激光器为脉冲光纤激光激光器，波长为1064nm，最大输出功率为0-50W、重复频率40kHz－200kHz、脉冲宽度120ns，同时具有高脉冲能量（高达160μJ）、高光束质量（M²<1.5）；所述成型超硬磨料砂轮宽度为13mm，直径200mm，内径32mm，磨粒层厚度5mm，磨粒大小100目。所述的基于CCD的点扫描位移传感器最大采样点数为65537，采样周期为20us-1ms，该传感器发射的激光光源为点光源，光斑大小为φ70um，焦距为80mm，测量范围为：80±15mm，检测精度可达0.2um。

在上述系统的基础上，本发明提出了一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法，具体包括以下步骤：

（1）由激光器发出的准直光束经扩束镜进行扩束，扩束后的光束经过高精度的衍射光学元件将激光器发出的发散的准直光束整形成激光功率密度均匀的矩形平行光束，整形后的光束经保护镜片输出。具体光路如图4所示。

该步骤中，激光器发出的准直光束经扩束镜进行扩束，可以减小高斯光束的发散角，有利于光束的聚焦，经扩束镜输出的高斯光束束腰半径为5mm，发散角10mrad。

该步骤中，光束可以整形成矩形光斑与圆形光斑，与圆形光斑相比，矩形光斑材料去除量大，效率更高。同时，成型超硬磨料的磨粒所要求的去除功率密度在10⁸-10¹⁰W/cm²内，为保证材料能顺利去除，整形后的光斑面积不能过大。因此，整形的目标光斑可以定矩形光束的面积大小为：长×宽=0.5×0.3mm。

该步骤中，衍射光学元件整形高斯激光光束获得矩形平顶光斑的原理图如图5所示。高斯光束经过衍射光学元件时，光学元件经过多次改变光束的相位最终使光束形成了图5中所示的矩形光斑。和高斯光束相比，整形后的矩形光束功率密度更均匀。在同样的激光功率下，矩形光束与材料的热作用更充分，作用区域明确，材料去除效果更好。如图6所示为将发散的准直光束整形为激光功率密度均匀的矩形平行光束的效果图。该衍射光学元件是根据SA算法（模拟退火算法）设计制作的，其主要参数为：直径大小30mm，纵向台阶数8阶，输出孔径3.5mm，工作距离200mm，像素尺寸可达100×100um²。如图7所示，为本发明所采用的高精度的衍射光学元件。

(2)确定待修整砂轮的标准砂轮模型，即忽略砂轮表面突出的磨粒高度和结合剂层的凹坑，按照其理想的连续平滑轮廓轨迹线确定的砂轮模型；将标准砂轮模型的标准母线函数导入计算机和二维平台的数控系统，并根据此标准母线给二维平台进行数控编程，将激光烧蚀头安装在数控二维平台上，使激光烧蚀头发出的激光束能在成型超硬磨料砂轮的圆周面垂直于砂轮母线进行往返运动。

对于某种型号的砂轮而言，忽略砂轮表面突出的磨粒高度和结合剂层的凹坑，按照其理想的连续平滑轮廓轨迹线确定的砂轮模型，即为标准的成型超硬磨料砂轮模型。通过检测每个标准成型超硬磨料砂轮均可确定其标准轮廓母线函数为k(y)。

(3)定义磨床运动坐标系，成型超硬磨料砂轮回转中心轴线方向为Y方向，竖直方向为Z方向，水平垂直于Y方向为X方向。成型超硬磨料砂轮安装在磨床主轴上。功率计安装在与激光烧蚀头相对的砂轮另一侧。

其中，功率计用于接收辐射出来的激光，防止造成安全事故。

（4）开启磨床，设定磨床主轴转速；

该步骤中磨床上电后，在磨床的控制面板上设置磨床主轴转速为60r/min。成型超硬磨料砂轮开始随着磨床主轴旋转，待转速稳定进行下一步的操作。

（5）调节点扫描位移传感器的位置，使得检测光斑对准成型超硬磨料砂轮表面。

该步骤中点扫描位移传感器安装在精密传感器位移平台上，精密传感器位移平台安装在磨床上。不断地调节精密传感器位移平台在磨床上的安装位置，使点扫描位移传感器的检测光束平行于Z方向垂直成型超硬磨料砂轮回转中心轴线。调节精密传感器位移平台Z向延伸臂的运动，使得点扫描位移传感器距离成型超硬磨料砂轮的高度为80mm左右即可，保证成型超硬磨料砂轮在点扫描传感器检测范围之内；调节精密传感器位移平台Y向延伸臂的运动，使得点扫描位移传感器的检测光斑刚好对准成型的圆周面边缘，此时点扫描位移传感器刚好能检测到成型超硬磨料砂轮表面数据，设定此时点扫描位移传感器光点所在成型超硬磨料砂轮表面位置为Y方向基准0位置，成型超硬磨料砂轮回转中心轴线所在位置为Z方向基准0位置。

（6）设定精密传感器位移平台Y向延伸臂运动速度，通过点扫描位移传感器采集待修整的成型超硬磨料砂轮表面数据，并导入计算机，得到成型超硬磨料砂轮形貌测量值函数h(Y)

如图9所示，点扫描位移传感器检测成型超硬磨料砂轮示意图。

该步骤中，点扫描位移传感器总共采集数据为D=65537，成型超硬磨料砂轮的宽度为B=13mm。为了保证点扫描位移传感器能完整地采集整个成型超硬磨料砂轮表面数据。在成型超硬磨料砂轮旋转的过程中，点扫描位移传感器恰好从成型超硬磨料砂轮一端运动到另一端，采样时间等于运动时间即可。给点扫描位移传感器提供沿砂轮轴向进给运动的精密位移传感器位移平台Y向延伸臂的运动速度为V=砂轮宽度B/采样时间t，式中t=采样周期T×总的采样点数D。

在该步骤中，根据点扫描位移传感器采集数据的特性，设定传感器采样周期为T=100us。

该步骤中，精密传感器位移平台使点扫描位移传感器以设定的速度沿砂轮轴向匀速地进给，点扫描位移传感器开始检测砂轮表面高低数据。记录下此后点扫描位移传感器从Y方向基准0位开始所测得的成型超硬磨料砂轮表面形貌高低的数据。

该步骤中，由采样开始到采样结束，采样点数从0增至65536。检测光斑覆盖整个砂轮表面的示意图如图10所示。点光源以螺旋线的轨迹几乎完整地覆盖了整个砂轮的表面。并且光斑与光斑之间有一定的重叠，很好地反应了砂轮形貌。

该步骤中，点扫描位移传感器从基准0位开始沿着成型超硬磨料砂轮轴向进给到运动结束，传感器检测了0-65536，总共65537个点的数据。如图11所示，给出部分传感器检测的数据。由此，如图12所示以检测数据的点数为横坐标，设点数为K，砂轮表面高低数据为纵坐标，设为H(K)，将各点平滑连接起来可以生成一个完整的曲线图。图12中函数图形即为在计算机上生成的成型超硬磨料砂轮表面检测到的轮廓数据函数H(K)。

该步骤中，设Y=K×T×V，点数为K，此Ｙ可以表示任何一个点扫描位移传感器检测到的K点在沿砂轮轴向位移上的位置，代入上面步骤中V的计算公式，可得Y=13×K/65537，Y随采样点数K不断改变。具体的为：K=0时，Y=0，对应起始位置坐标原点Y=0；K=1时，Y=13/65537=1.9836e-4；K=2时，Y=13×2/65537=3.9672e-4；K=……；K=65537时，Y=13。Y是y上离散的点（0≤y≤13），如图10所示。点扫描位移传感器检测到的砂轮表面形貌数据是一个随Y的变化而变化的离散的数据。由此可以得到一个关于Y的成型超硬磨料砂轮形貌测量值函数h(Y)，函数图形如图13所示。图13中由于数据量大，点数据密排成了线，此图实为离散的点数据图形。

该步骤中，关闭点扫描位移传感器，成型超硬磨料砂轮表面形貌数据检测结束。

（7）利用计算机将检测到的成型超硬磨料砂轮表面形貌数据和已知的成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓母线函数进行比较，得到函数f(Y)=h(Y)--k(Y)

该步骤中，根据已知的成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓母线函数为k(y)，此k(y)为连续函数。Y是y上离散的点，利用计算机计算f(Y)=h(Y)-k(Y)，式中Y为记录下的成型超硬磨料砂轮回转中心轴线方向位移数据Y，式中f(Y)即为检测到的成型超硬磨料砂轮形貌和标准成型超硬磨料砂轮相比较后的表面高低情况。

该步骤中，如图14所示，计算机计算f(Y)的过程为：计算机读取第一个采集的数据，点的编号为0，对应的H(0)=2.0846；计算此时的Y=0×T×V=0，对应的有一个值h(0)=2.0846；此时，计算y=0，根据函数可得k(0)=0.4000；则此时的f(0)=2.0446。下一个从点数编号为1开始依次进行，直到65536；完成总共65537个采样数据的计算过程。

（8）计算机通过找出f(Y)最小值min f(Y)=f(a)，确定激光束预定轮廓轨迹函数与成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓函数差值m。

该步骤中，计算机找出f(Y)最小值min f(Y)=f(a)，此时的Y点位置必处于一条标准的轨迹之上，激光束沿此前面设定的数控轨迹进行切向修整，去除凸出的高度部分，能使成型超硬磨料砂轮获得较好的表面轮廓。设m为在同一个坐标系下，激光束预定轮廓轨迹函数与成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓函数差值。由f(Y)取得最小值minf(Y)=f(a)，有f(a)=h(a)-k(a)，此时，刚好满足m=f(a)。

在该实施例中，a为f(y)取得最小值时对应Y值，Y=33769。图15中给出了具体的Y值。

（9）调节烧蚀激光光束的位置，设置好激光修整参数，修整成型超硬磨料砂轮直至整形结束。

该步骤中，在以成型超硬磨料砂轮回转中心轴线所形成的XY平面内，激光束垂直于Y方向且穿过成型超硬磨料砂轮回转中心轴线，且矩形激光束平行长度部分的中心落在成型超硬磨料砂轮回转中心轴线上，使得成型超硬磨料砂轮回转中心轴线垂直平分矩形激光束的平行部分。如图16中所示。在Z方向上进给(k(0)+m+d)长度的位移。在Y方向上进给至原定y=0处。使得光束刚好对准成型超硬磨料砂轮待修整的一侧边缘。

该步骤中，由于成型超硬磨料砂轮的形状误差可达1-2mm，而激光光斑大小有限，无法直接去除较大的凸出部分，预留一个修整余量d。其中的d取为d=3mm。

该步骤中，设置好激光修整参数，功率P=40W，重复频率=100kHz，使激光束沿着预先给二维平台设定的数控轨迹往返运动，运动的过程中保持匀速，并在每次走到轨迹的端点时，每次控制二维平台Z轴进给一个微小的余量150um。直至激光束沿Z轴方向进给至激光束预定轮廓轨迹函数k(y)+m。此时，表明成型超硬磨料砂轮上待去除的余量已经去除完毕，表明整形结束。关闭激光器和磨床。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (1)

1.一种矩形平行光束整形成型超硬磨料砂轮的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、由激光器发出的准直光束经扩束镜进行扩束，扩束后的光束经过衍射光学元件将激光器发出的发散的准直光束整形成激光功率密度均匀的矩形平行光束，整形后的光束经保护镜片输出；

步骤2、确定待修整砂轮的标准砂轮模型，即忽略砂轮表面突出的磨粒高度和结合剂层的凹坑，按照其理想的连续平滑轮廓轨迹线确定的砂轮模型的标准轮廓母线函数为k(y)；将标准砂轮模型的标准轮廓母线函数k(y)轨迹导入计算机和二维平台的数控系统，并根据此标准轨迹给二维平台进行数控编程，将激光烧蚀头安装在数控二维平台上，使激光烧蚀头发出的激光束能在成型超硬磨料砂轮的圆周面垂直于砂轮母线进行往返运动；

步骤3、定义磨床运动坐标系，成型超硬磨料砂轮回转中心轴线方向为Y方向,竖直方向为Z方向，水平垂直于Y方向为X方向；成型超硬磨料砂轮安装在磨床主轴上；功率计安装在与激光烧蚀头相对的砂轮另一侧；

步骤4、开启磨床，设定磨床主轴转速为60r/min；

步骤5、调节点扫描位移传感器的位置，使得检测光束竖直对准成型超硬磨料砂轮表面；

该步骤中点扫描位移传感器安装在精密传感器位移平台上，精密传感器位移平台安装在磨床上；调节精密传感器位移平台在磨床上的安装位置，使点扫描位移传感器发出的检测光束平行于Z方向竖直对正成型超硬磨料砂轮回转中心轴线；

调节精密传感器位移平台Y向延伸臂的运动，使得点扫描位移传感器的检测光束对准成型的圆周面边缘，点扫描位移传感器开始检测成型超硬磨料砂轮表面数据，设定此时点扫描位移传感器光点所在成型超硬磨料砂轮表面位置为Y方向基准0位置，成型超硬磨料砂轮回转中心轴线所在位置为Z方向基准0位置；

步骤6、通过点扫描位移传感器采集待修整的成型超硬磨料砂轮表面数据，并导入计算机，根据检测到的数据生成成型超硬磨料砂轮形貌测量值函数h(Y)；

该步骤中，精密传感器位移平台使点扫描位移传感器以设定的速度沿砂轮轴向匀速地进给，点扫描位移传感器开始检测砂轮表面高低数据，记录下此后点位移传感器从Y方向基准0位开始所测得的成型超硬磨料砂轮表面形貌高低的数据；

步骤7、利用计算机将检测到的成型超硬磨料砂轮表面形貌数据和已知的成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓母线函数进行比较，得到函数f(Y)=h(Y)-k(Y)；

步骤8、计算机通过找出f(Y)最小值min f(Y)=f(a)，确定激光束预定轮廓轨迹函数与成型超硬磨料砂轮表面标准轮廓函数差值m；

步骤9、调节烧蚀激光光束的位置，设置好激光修整参数，修整成型超硬磨料砂轮直至整形结束；

该步骤中，在以成型超硬磨料砂轮回转中心轴线所形成的XY平面内，激光束垂直于Y方向且穿过成型超硬磨料砂轮回转中心轴线，且矩形激光束平行长度部分的中心落在成型超硬磨料砂轮回转中心轴线上，使得成型超硬磨料砂轮回转中心轴线垂直平分矩形激光束的平行部分。

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