CN103898282A - 曲面激光热处理装置及控制激光光斑位姿的方法 - Google Patents

Abstract

一种曲面激光热处理装置及实现激光光斑位姿的控制方法，机床主机包括底座、安装在底座上的A旋转轴，第一转臂和第二转臂，第一转臂的一端与A旋转轴相连，另一端通过B旋转轴与第二转臂相连，第二转臂的另一端通过C旋转轴与激光器装置相连，滑道与A、B、C三旋转轴的轴线方向平行，激光器发射装置与工件的表面保持垂直；激光光斑位姿的控制方法为：采用计算机语言编制程序计算A、B、C三旋转轴的角速度，先计算C旋转轴的角速度，再通过三连杆雅可比矩阵计算A、B旋转轴的角速度，实现激光光斑的实时速度的控制；本发明不仅能够实现凸曲面的连续淬火，而且对于曲率半径大于等于激光头到曲面的距离的凹曲面，也可以实现激光淬火工艺。

Description

曲面激光热处理装置及控制激光光斑位姿的方法

技术领域

本发明属于激光热处理领域，尤其涉及一种在四轴三联动激光加工机床上对工件曲面激光热处理装置及控制激光光斑位姿的方法。

背景技术

激光热处理是指利用高能量的激光束快速扫描工件，工件在瞬间实现自冷淬火，使激光加热形成的高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化。现有的激光加工数控系统，由于控制机算法问题，只能对简单的平面或圆柱面的工件进行加工,无法对其他曲面轮廓的工件进行激光热处理。

中国非专利文献中，刘中博在2010年04月的青岛科技大学硕士论文中发表了名称为“激光淬火热处理CAD系统研究”的论文，论文中公开了一种四轴三联动的激光淬火装置，包括X、Y、Z三个轴臂、位于Z轴臂末端的激光器和工作台；三轴臂任意两个在空间上相互垂直，三轴臂滑动配合，任意轴臂可沿该轴臂所在轴往复运动；工作台可绕所在w轴转动。

该论文还公开了利用该装置进行激光淬火的方法，该方法满足的三个技术条件是：(1)保证激光头的离焦量不变，即激光头的中心与工件表面之间要始终保持一定距离；(2)保证激光束始终垂直工件轮廓面；(3)保证激光束的扫描速度不变；该论文通过控制Z轴的轴向运动保证透镜与工件表面的距离不变，控制X轴的轴向运动和工作台的转动实现激光沿轮廓表面法向入射，工作台绕Y轴的转动实现连续扫描。上述技术方案实现了凸轮的连续淬火，但无法实现其他曲面的连续淬火。

发明内容

本发明的目的是为了解决曲面激光热处理的问题，提供了一种对工件曲面进行激光热处理的装置和利用该装置实现激光光斑位姿的控制方法，本发明不仅能够实现凸曲面的连续淬火，而且对于曲率半径大于等于激光头到曲面的距离的凹曲面，也可以实现激光淬火工艺。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供了一种激光热处理装置，包括安装在工作台上的机床主机、安装在机床主机上的激光器发射装置、驱动机床主机各旋转轴运动的伺服驱动装置、控制伺服驱动装置的计算机数控系统；工作台上还装有滑道，滑道上配有用于承装工件的滑台，其特征在于：机床主机包括底座、安装在底座上的A旋转轴，第一转臂和第二转臂，第一转臂的一端与A旋转轴相连，另一端通过B旋转轴与第二转臂的一端相连，第二转臂的另一端通过C旋转轴与激光器发射装置相连，滑道与A、B、C三轴旋转轴的轴向线方向平行，激光器发射装置与工件的表面保持垂直。

与现有技术相比，本方案对机床主机进行了改进，将轴臂的运动方式由移动副改为旋转副，轴臂在相应的轴的带动下进行转动，机床主机能像机械手般伸缩自如，使机床主机的运动更加灵敏，本方案整体上提高了机床三轴联动的准确性和灵敏度，满足激光淬火的要求，在激光淬火工艺中产生了积极地效果。

本发明还提供了一种利用所述装置实现曲面激光热处理时激光光斑位姿的控制方法：采用的技术方案是分别控制机床主机的三轴转动，控制C轴转动保证激光束垂直工件曲面切向，控制A、B轴联动保证激光聚焦镜中心与工件曲面线等距，控制A、B、C三旋转轴联动保证切向线速度大小恒定；完成一条曲线的淬火后，滑台沿滑道做一次进给运动，激光光斑对准下一条曲线后进行淬火，反复这个过程，直至完成整个曲面的扫描。

具体的计算步骤为(1)采用三次B样条曲线对曲面轮廓进行拟合；(2)曲面轮廓等距线的计算；(3)曲面轮廓轨迹扫描过程中各关节角度的计算；(4)A轴、B轴、C轴角速度的计算。

A轴、B轴、C轴角速度的计算过程是先计算C轴旋转的角速度，再通过三连杆雅可比矩阵计算A轴、B轴的角速度。采用计算机语言编制计算程序，计算出A、B、C三轴角速度的值，并对激光加工机床进行控制。

与现有技术相比，本方案是基于雅可比矩阵的实时速度控制，而现有技术是基于插值的速度控制，在单一的旋转运动或平移运动中，插值后的速度控制可以满足实际加工的需要，在曲面零件淬火的过程中，既存在旋转运动，又存在平移运动，运动控制过程甚为复杂，此时的插值已无法保证加工时对速度的要求；本方案基于雅可比矩阵，实现了激光淬火过程中速度的实时控制，从而实现曲面的激光淬火。

附图说明

图1是本发明的激光热处理装置结构示意图

图2是本发明的控制流程示意图

具体实施方式

本发明为了实现激光在曲面的淬火，提供了一种激光热处理装置，包括安装在工作台1上的机床主机、安装在机床主机上的激光器装置5、驱动机床主机各旋转轴运动的伺服驱动装置、控制伺服驱动装置的计算机数控系统；机床主机包括底座6、安装在底座上的A旋转轴7，第一转臂8和第二转臂10，第一转臂8的一端与A旋转轴7相连，另一端通过B旋转轴9与第二转臂10的一端相连，第二转臂10的另一端通过C旋转轴11与激光器发射装置5相连，激光器发射装置5与工件4的表面保持垂直；工作台1上还装有与三旋转轴轴线方向平行的滑道2，滑道2所在的轴设为X轴，滑道2上配有用于承装工件4的滑台3。

利用上述装置实现激光光斑位姿的控制方法，采用的技术方案是：将滑台沿X轴调整到适当位置，使待加工曲面的截面曲线起点对准激光束方向，分别控制机床主机的三旋转轴转动，控制C旋转轴转动保证激光束垂直工件曲面切向，控制A、B旋转轴联动保证激光聚焦镜中心与工件曲面线等距，控制A、B、C三旋转轴联动保证切向线速度大小恒定；完成一条曲线的淬火后，滑台沿滑道做一次进给运动，激光光斑对准下一条曲线后进行淬火，反复这个过程，直至完成整个曲面的扫描。

采用计算机语言编制计算程序计算A、B、C旋转轴角速度，其中先计算C旋转轴的角速度，再通过三连杆雅可比矩阵计算A、B旋转轴的角速度。

激光淬火时，先将工件待加工表面离散成一条条曲线，完成每条曲线的淬火，机床主机类似六自由度机械手，可以实现末端部件的旋转与平移；计算轨迹运动各关节角速度，利用计算机数控系统将实时旋转角速度反馈给伺服驱动装置，伺服驱动装置驱动相应的旋转轴旋转，进而带动相应轴臂转动，从而保证淬火时激光束垂直工件曲面切向、激光聚焦镜中心与工件曲面线等距及切向线速度大小恒定；完成一条曲线的淬火后，滑台沿滑道做一次进给运动，激光光斑对准下一条曲线后进行淬火，反复这个过程，直至完成整个曲面的扫描。

具体的计算步骤：

第一步、三次B样条曲线对曲面轮廓进行拟合；

(1)曲面轨迹型值点的获取；

(2)样条曲线的反算：即通过已知的一组空间型值点，找一条过点列Q_j的三次B样条曲线，同时确定一组与点列Q_j对应的B样条特征多边形顶点p_j(j＝0,1,2,...,n+1)，三次B样条曲线的型值点和控制点的位置矢量之间关系为：p_j-1+4p_j+p_j+1＝6Q_j(j＝1,2,3,…,n-1,n)。假定工件轮廓是封闭图形，为保证曲线能首尾相接，并使曲线上结点序号与特征多边形顶点序号相对应，即有：P_n+1＝P₁，P_n＝P₀，于是可得到线性方程组：

$\left(\begin{array}{cccccc}4& 1& & & & 1\\ 1& 4& 1& & 0& \\ & & \·\·\·& & & \\ & 0& & 1& 4& 1\\ 1& & & & 1& 4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{n-1}\\ P_n\end{array}\right)=6\left(\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{n-1}\\ Q_n\end{array}\right)$

通过上述线性方程可求出样条曲线的控制点p_j(j＝0,1,2,...,n+1)。

(3)样条曲线拟合：通过上一步中得到的控制点，根据上述线性方程式，求得型值点，进而拟合得到工件表面轮廓曲线。

第二步、曲面轮廓等距线的计算：设原曲线是C(t)＝{x(t),y(t)}，0≤t≤1，则它的距离为r的等距线是C_r(t)＝C(t)+r*N(t)，N(t)是C(t)的单位法向量，

如此，C_r(t)的参数方程为： $x_r\left(t\right)=x\left(t\right)\±r*\frac{{-y}^{\′}}{\sqrt{x^{{\′}^2}+y^{{\′}^2}}},y_r\left(t\right)=y\left(t\right)\±r*\frac{x^{\′}}{\sqrt{x^{{\′}^2}+y^{{\′}^2}}}.$

第三步、曲面轮廓扫描轨迹各关节角度的计算：将机床主机第一、二、三转臂简化为三个连杆，进行逆运动学分析，应用连杆参数，可以求得机械臂的运动学方程，即腕部坐标系相对基座标系的变换；

$T_3^0=\left[\begin{array}{cccc}{c}_{123}& -s_{123}& 0& l_1*c_1+l_2*c_{12}\\ s_{123}& c_{123}& 0& l_1*s_1+l_2*s_{12}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，θ_i是绕Z_i轴、从X_i-1旋转到X_i的角度，c₁=cos(θ₁)，s₁=sin(θ₁)，c₁₂=cos(θ₁+θ₂)，s₁₂=sin(θ₁+θ₂)，s₁₂₃=sin(θ₁+θ₂+θ₃)，c₁₂₃=cos(θ₁+θ₂+θ₃)，l₁、l₂为第一转臂、第二转臂的长度，即第一连杆、第二连杆的长度；

的确定表明目标点的位置已经确定，假设目标点的变换矩阵用

表示，可以通过确定三个变量x,y和

来确定这些目标点的位置，其中

是第三连杆（即激光束）在平面内的方位角，

令 $T_W^B=T_3^0$ 可求得θ₁,θ₂,θ₃。

第四步、A轴、B轴、C轴角速度的计算：

(1)利用离散后的θ₃，采用中心插商公式进行数值微分，

其中，h为插值步长，暂定h＝1，即每秒运动一个姿态。

(2)三连杆雅可比矩阵的计算：

从齐次坐标变换矩阵⁰T_i中取出⁰R_i， $Z_i^0=R_i^0*\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right],$ 其中⁰R_i为旋转变换，⁰Z_i为坐标系{i}的单位向量。

从齐次坐标变换矩阵⁰T_i中取出⁰P_i，⁰P_im＝⁰P_m-⁰P_i，其中⁰P_im为末端执行器原点m相对于坐标系{i}的位置矢量在基座标系{0}中的度量。

J＝⁰Z_i×⁰P_im。

(3)A轴、B轴角速度的计算：

计算激光光斑对侧曲线扫描时相对切向速度在x,y上的分量，v_x＝v*cos(ψ),v_y＝v*sin(ψ)，ψ为侧曲线切线夹角，v为激光光斑对侧曲线扫描时恒定的切向速度。

根据 $\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}{J}_{11}& J_{12}& J_{13}\\ J_{21}& J_{22}& J_{23}\\ J_{31}& J_{32}& J_{33}\end{array}\right)*\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_1\\ {\mathrm{\ω}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_3\end{array}\right]$ 可解的ω₁、ω₂。

Claims (5)

1.一种曲面激光热处理装置，包括安装在工作台上的机床主机、安装在机床主机上的激光器发射装置、驱动机床主机各旋转轴转动的伺服驱动装置、控制伺服驱动装置的计算机数控系统；工作台上还装有滑道，滑道上配有用于承装工件的滑台，其特征在于：机床主机包括底座、安装在底座上的A旋转轴，第一转臂和第二转臂，第一转臂的一端与A旋转轴相连，另一端通过B旋转轴与第二转臂的一端相连，第二转臂的另一端通过C旋转轴与激光器发射装置相连，滑道与A、B、C三旋转轴的轴线方向均平行，激光器发射装置与工件的表面保持垂直。

2.一种利用权利要求1所述的装置实现激光光斑位姿的控制方法，其特征在于：控制C旋转轴转动保证激光束垂直工件曲面切向，控制A、B旋转轴联动保证激光聚焦镜中心与工件曲面线等距，控制A、B、C三旋转轴联动保证激光光斑在工件曲面上的切向线速度大小恒定。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：具体的计算步骤为(1)采用三次B样条曲线对曲面轮廓进行拟合；(2)曲面轮廓等距线的计算；(3)曲面轮廓轨迹扫描过程中各关节角度的计算；(4)A、B、C三旋转轴角速度的计算。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：步骤(4)中，A、B、C三旋转轴角速度的计算过程是先计算C旋转轴的角速度，再通过三连杆雅可比矩阵计算A、B旋转轴的角速度。

5.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于：步骤(4)中，采用计算机语言编制计算程序，计算出A、B、C三旋转轴角速度的值，并对激光加工机床进行控制。

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