CN110732776A - 一种激光修刃装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光修刃装置及方法，包括第一基座、第二基座、工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置和控制系统；工件定位机构安装在第一基座上，工件定位机构包括θ轴、电动旋转平台和夹具，电动旋转平台安装在θ轴的平台上，θ轴能够绕X轴方向转动；夹具安装在电动旋转平台上，电动旋转平台能够自转；三维移动机构安装在第二基座上，激光发射装置安装在三维移动机构上，激光发射装置位于夹具的上方；激光发射装置的激光束处于加工平面切线方向；控制系统分别与工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置连接。本发明对于解决刀具刃磨及加工处理具有重要意义，有效减少刀具换新的次数，提高刀具的利用率，降低加工制造成本。

Description

一种激光修刃装置及方法

技术领域

本发明属于精密加工设备领域，具体涉及一种激光修刃装置及方法。

背景技术

对于机械加工中使用的刀具大多使用超硬材料制成，如硬质合金刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具等等。超硬材料的使用对刀具加工特别是切削刃的加工提出了更高的要求。这些刀具制造成本较高，若使用过程中出现磨损，导致前角变大，切削刃磨钝，影响切削加工性能而频繁换新刀，无疑增加了加工成本，不符合精益生产原则。因此，对达到寿命或有磨损的刀具进行修刃，从而达到和原来一样或接近于原来的锋利程度，具有重要意义。

现有的刀具修刃多采用砂轮磨削的方法，超硬刀具的修磨对砂轮的精度提出更高要求，导致加工成本增加。如中国发明申请CN201810177298.1，名称为《一种用于磨削单晶金刚石微刀刃的微型设备及方法》，该装置包括工件进给装置和轴套传动装置，该方法通过激光定位装置确定晶面的易磨方向，控制系统控制工件进给装置和轴套轴传动进给装置的动作，通过微型砂轮实现对微刀刃的磨削。这种装置对加工刀具的材料有了限制，不适合超硬刀具的刃磨处理，且一次装夹不能实现多刀面磨削。又如授权公告号CN207807275U,名称为《刀具刃磨机》，该装置通过纵向平移机构、横向平移机构、旋转机构控制刀具进给到指定位置，通过角度转换器控制刀具的刃磨角度。刃磨角度要通过人工调节，同样的利用砂轮磨削无法实现不同硬度的刀具加工，针对不同刀面和刀刃都使用同一砂轮磨削显然精度不够。

中国发明申请CN201010000158.0，名称为《一种激光工具刃磨方法及工具刃磨机》，该装置包含x轴、y轴、z轴、θx轴、θy轴、θz轴，其工件的调整运动要在至少两维以上的方向内调整，装置结构复杂，运动控制难度较高。

中国发明申请CN105081782B名称为《硬质材料的加工方法》公开了一种硬质材料的加工方法，其步骤为：使用线切割、磨削和扫描激光等方法对硬质材料进行加工获得初刃，再以非扫描激光对初刃进行二次加工至少一次。此种方法中的扫描激光采用2°-18°的激光工作角，通过初次加工和再加工使获得的刀刃切削部更平整，提高刃口的光洁度和刀刃质量。但这种方法未考虑刀刃基体缺陷的影响，例如，基体表面有凹坑或凸起，不论使用扫描激光还是非扫描激光，加工过后都无法消除其影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供的一种激光修刃装置及方法，通过将刀具装夹到夹具上，控制系统调整θ轴和电动旋转平台的角度，调整刀具的姿态以加工相应的刀面和切削刃，且使激光器发射的激光束处于加工平面的切线方向；控制系统控制三维移动机构控制各运动轴的运动可对多种复杂型面的刀具进行修刃。本发明对于解决刀具刃磨及加工处理具有重要意义，有效减少刀具换新的次数，提高刀具的利用率，降低加工制造成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光修刃装置，包括第一基座、第二基座、工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置和控制系统；

所述工件定位机构安装在第一基座上，所述工件定位机构包括θ轴、电动旋转平台和夹具，所述电动旋转平台安装在θ轴的平台上，θ轴能够绕X轴方向转动；所述夹具安装在电动旋转平台上，电动旋转平台能够自转；

所述三维移动机构安装在第二基座上，所述激光发射装置安装在三维移动机构上，激光发射装置位于夹具的上方；所述激光发射装置的激光束处于加工平面切线方向；

所述控制系统分别与工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置和夹具连接。

上述方案中，所述工件定位机构还包括θ轴伺服电机、θ轴支承架、θ轴轴承和电动旋转平台电机；

所述θ轴的两端分别通过θ轴轴承安装在θ轴支承架上，所述θ轴支承架安装在第一基座上；所述θ轴伺服电机通过θ轴联轴器与θ轴连接；所述电动旋转平台安装在θ轴的平台上；

所述电动旋转平台电机与电动旋转平台连接，电动旋转平台电机驱动电动旋转平台旋转。

上述方案中，所述三维移动机构包括X轴移动机构；

所述X轴移动机构包括X移动平台、X轴伺服电机、X轴联轴器和X轴丝杠；所述X轴伺服电机通过X轴联轴器和X轴丝杠连接，X移动平台与X轴丝杠连接，X轴丝杠带动X移动平台沿Y轴平台上的导轨在X方向移动；

进一步的，所述三维移动机构还包括Y轴移动机构；所述Y轴移动机构包括Y轴基台、Y轴伺服电机、Y轴平台、Y轴联轴器和Y轴丝杠；所述Y轴基台安装在第二基座上，Y轴平台安装在Y轴基台的导轨上，所述Y轴丝杠和Y轴伺服电机通过联轴器相连，Y轴平台与Y轴丝杠连接，Y轴丝杠带动Y轴移动平台在Y方向移动，同时带动X移动平台和Z轴移动机构在Y方向移动；

进一步的，所述三维移动机构还包括Z轴移动机构；所述Z轴移动机构包括Z轴伺服电机、Z轴联轴器、Z轴丝杠、Z轴支承架、Z轴悬臂、Z轴悬臂安装板和Z轴悬臂安装板导轨；所述Z轴支承架的下端安装在X轴移动平台上，Z轴伺服电机通过Z轴联轴器与Z轴丝杠连接，Z轴丝杠与Z轴悬臂安装板连接，Z轴悬臂安装板安装在与导轨上，Z轴悬臂的一端安装在Z轴悬臂安装板上；所述Z轴丝杠带动Z轴悬臂安装板在导轨内上下运动。

上述方案中，所述激光发射装置包括激光器、聚焦镜筒和激光器固定器；

所述激光器通过激光器固定器安装在Z轴悬臂的另一端，所述聚焦镜筒安装在Z轴悬臂的另一端，聚焦镜筒位于激光器的下方、且聚焦镜筒的下端设有聚焦镜。

一种根据所述激光修刃装置的方法，包括以下步骤：

将刀具装夹到所述夹具上，所述控制系统调整θ轴和电动旋转平台的角度，使激光器发射的激光束处于加工平面的切线方向，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光发射装置的激光束位置至加工平面的刀尖处，控制系统控制三维移动机构，使激光器发射的激光束往复运动逐层向下去除材料或圆弧插补，加工刀面过程中先进行粗加工再进行精加工。

上述方案中，具体包括以下步骤：

刀具固定，激光对焦：将刀具装夹到所述夹具上，打开激光发射装置的激光器，激光器发出指示光进行对焦；

副后刀面加工：调整θ轴和电动旋转平台的角度，使激光器发射的激光束处于副后刀面的切线方向，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光束位置至副切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台、Y轴平台和Z轴悬臂移动，使激光器发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

前刀面加工：解锁θ轴和电动旋转平台，调整θ轴和电动旋转平台的角度，使激光束处于前刀面的切线方向，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光束位置至副切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台、Y轴平台和Z轴悬臂，使激光器发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

主后刀面加工：解锁θ轴和电动旋转平台，调整θ轴和电动旋转平台的角度，使激光束处于主后刀面的切线方向，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光束位置至主切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台、Y轴平台和Z轴悬臂，使激光器发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

副切削刃加工：解锁θ轴和电动旋转平台，调整θ轴和电动旋转平台的角度使刀尖向上，副切削刃处于竖直状态，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光焦点于副切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台和Y轴平台执行圆弧插补，单次插补完成后返回起始插补点；

主切削刃加工：解锁θ轴和电动旋转平台，调整θ轴和电动旋转平台的角度使刀尖向上，主切削刃处于竖直状态，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光焦点于主切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台和Y轴平台执行圆弧插补，单次插补完成后返回起始插补点；

刀尖圆弧加工：解锁θ轴和电动旋转平台，调整θ轴和电动旋转平台的角度，使前刀面处于水平状态，锁定θ轴和电动旋转平台；控制系统控制三维移动机构调整激光焦点位于主切削刃靠近刀尖处，所述控制系统中输入刀尖圆弧半径，控制系统控制X移动平台和Y轴平台进行圆弧插补完成刀尖圆弧加工。单次插补完成后返回起始插补点；

上述方案中，所述激光器采用皮秒激光器时，粗加工阶段激光功率30～50w，频率500khz，扫描速度100～200mm/s；精加工阶段激光功率10～20w，频率500khz，扫描速度200～300mm/s。

上述方案中，所述激光器采用飞秒激光器时，粗加工阶段激光功率100～120mw，频率1～10khz，扫描速度0.5～1mm/s；精加工阶段激光功率80～100mw，频率1～10khz，扫描速度1～1.6mm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的夹具安装在可自转的电动旋转平台上，电动旋转平台安装在能够绕X轴方向转动的θ轴上，一次装夹，通过θ轴的摆动和电动旋转平台的转动即可调整刀具姿态，完成对前刀面、后刀面、切削刃等的加工；解决了现有工具磨床每加工一个刀面都要重新装夹的问题，减少了装夹次数，有效降低了多次装夹带来的累积误差，提高了加工精度，减少了人工参与装夹的时间，提高了加工效率。

2、本发明使用激光完成刀刃的修磨，取代传统的砂轮进行刃磨，更为精细，达到微米甚至纳米级，通过控制系统可以实现工作台最小移动距离为1um，达到微米级材料去除精度，另外激光加工具有很好的柔性，对加工材料的硬度没有限制，激光加工加工变形、热变形小，不会对基体造成伤害。

3、本发明方法在激光加工时，激光处于前刀面或后刀面的切线方向，相对于激光处于加工面法线方向而言，去除了加工平面有凹坑或凸起，激光加工过后凹坑或凸起仍然存在的缺陷。

4、本发明加工刀面过程采用粗加工和精加工结合的方式，不同阶段采用不同加工参数，可减少粗加工所造成的表面较为粗糙的问题。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明激光修刃装置的结构示意图；

图2是本发明激光修刃装置俯视图；

图3是本发明装置的传动机构示意图；

图4是本发明工件定位机构示意图；

图5是本发明修刃前刀尖圆角示意图；

图6是本发明修刃后刀尖圆角效果图；

图7是本发明激光修整部分示意图；

图8是图7中激光修整部分剖面A-A示意图。

图中：101、第一基座；102、第二基座；201、θ轴支承架；202、θ轴轴承；203、电动旋转平台；204、夹具；205、θ轴；206、θ轴伺服电机；207、θ轴联轴器；208、电动旋转平台电机；301、Y轴基台；302、X轴伺服电机；303、Y轴平台；304、X轴平台；305、Y轴伺服电机；306、Z轴支承架；307、Z轴伺服电机；308、Z轴悬臂安装板；309、Z轴悬臂导轨；310、Z轴悬臂；311、激光器；312、激光器固定器；313、聚焦镜筒；314、X轴联轴器；315、X轴丝杠；316、Y轴联轴器；317、Y轴丝杠；318、Z轴联轴器；319、Z轴丝杠。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1、2、3和4所示为本发明所述激光修刃装置的一种实施方式，包括第一基座101、第二基座102、工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置和控制系统；所述工件定位机构安装在第一基座101上，所述工件定位机构包括θ轴205、电动旋转平台203和夹具204，所述电动旋转平台203安装在θ轴205的平台上，θ轴205能够绕X轴方向转动；所述夹具204安装在电动旋转平台203上，电动旋转平台203能够自转；所述三维移动机构安装在第二基座102上，所述激光发射装置安装在三维移动机构上，激光发射装置位于夹具204的上方；所述激光发射装置的激光束处于加工平面切线方向；所述控制系统分别与工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置连接。本发明通过θ轴205和电动旋转平台203配合，一次装夹即可完成各个刀面及刀尖圆角的加工，减少了定位误差。

根据本实施例，优选的，所述工件定位机构适用于调整刀具的姿态加工相应的刀面，包括θ轴205、θ轴伺服电机206、θ轴支承架201、θ轴轴承202、电动旋转平台203和电动旋转平台电机208；

所述θ轴205的两端分别通过θ轴轴承202安装在θ轴支承架201上，所述θ轴支承架201安装在第一基座101上；所述θ轴伺服电机206通过θ轴联轴器207与θ轴205连接；θ轴205为摇篮式，在其平台上安装电动旋转平台203。所述电动旋转平台203通过内六角螺钉安装在θ轴205的平台上；

所述电动旋转平台电机208与电动旋转平台203内的减速机构连接，电动旋转平台电机208驱动电动旋转平台203旋转；

所述夹具204安装在电动旋转平台203上，能够随电动旋转平台203旋转。

根据本实施例，优选的，所述三维移动机构包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构；

所述X轴移动机构包括X移动平台304、X轴伺服电机302、X轴联轴器314、X轴丝杠315及两端的连接轴承；所述X轴伺服电机302安装在Y轴平台303一端，X轴伺服电机302通过X轴联轴器314和X轴丝杠315连接，X移动平台304与X轴丝杠315连接，X轴伺服电机302带动X轴丝杠315传动，X轴丝杠315带动X移动平台304沿Y轴平台303上的导轨在X方向移动；

所述Y轴移动机构包括Y轴基台301、Y轴伺服电机305、Y轴平台303、Y轴联轴器316和Y轴丝杠317；所述Y轴基台301通过螺钉固定于第二基座102上，Y轴平台303安装在Y轴基台301的导轨上，所述Y轴丝杠317和Y轴伺服电机302通过联轴器316相连，Y轴平台303与Y轴丝杠317连接，Y轴伺服电机302带动Y轴丝杠317传送，Y轴丝杠317带动Y轴移动平台303在Y方向移动，同时带动X移动平台304和Z轴移动机构在Y方向移动；

所述Z轴移动机构包括Z轴伺服电机307、Z轴联轴器318、Z轴丝杠319、轴承、Z轴支承架306、Z轴悬臂310、Z轴悬臂安装板308和Z轴悬臂安装板导轨309；所述Z轴支承架306的下端安装在X轴移动平台304上，Z轴伺服电机307安装在Z轴支承架306上端，Z轴伺服电机307通过Z轴联轴器318与Z轴丝杠319连接，Z轴丝杠319与Z轴悬臂安装板308连接，Z轴悬臂安装板308安装在与导轨309上，Z轴悬臂310的一端安装在Z轴悬臂安装板308上；所述Z轴丝杠319带动Z轴悬臂安装板308在导轨309上运动，实现Z轴悬臂310上下运动。

根据本实施例，优选的，所述激光发射装置包括激光器311、聚焦镜筒313和激光器固定器312；

所述激光器311通过激光器固定器312安装在Z轴悬臂310的另一端，所述聚焦镜筒313安装在Z轴悬臂310的另一端，聚焦镜筒313位于激光器311的下方、且聚焦镜筒313的下端设有聚焦镜，没有复杂光路，保证激光的入射方向不偏转。

所述工件定位机构能够绕X轴方向进行+45°～-90°的旋转，可以通过制动装置控制电机，确保θ轴205可在转动角度范围内的任意位置悬停。

根据本实施例，优选的，所述夹具204为三爪卡盘或其它特殊形状刀具制定的夹具，通过内六角螺钉固定于电动旋转平台203上，通过电动旋转平台203的旋转带动夹具204转动实现一次装夹即可完成各刀面及刀刃的加工。同样地，电动旋转平台203具有制动装置。

根据本实施例，优选的，所述激光器311为皮秒激光器或飞秒激光器。优选地，选用皮秒光纤激光器，激光波长1064nm，最大输出功率50w，重复频率0-10MHZ。

根据本实施例，优选的，所述控制系统是基于单片机或工控机或其他控制器，通过上位机软件控制电机动作和激光器311，完成对刀具的加工。

本发明包括基座以及安装在基座上的三维移动机构和工件定位机构，垂直于Z轴用于安装激光器311的Z轴悬臂310，工件定位机构上设有摆动的θ轴205，安装在θ轴205上用于装夹刀具的夹具204，以及配套的控制系统。所述三维移动机构带动激光器311至指定位置进行加工，所述摆动θ轴205和电动旋转平台203通过调整倾角确保激光束位于欲修刃刀面的切线方向。

根据本实施例，优选的，所述θ轴205和三维移动机构的基座保持水平，避免加工过程中出现误差。θ轴205距离基座应有一定的高度，确保摆动平台可以进行+45°～-90°的旋转摆动。

一种根据所述激光修刃装置的方法，将刀具装夹到所述夹具204上，所述控制系统调整θ轴205和电动旋转平台203的角度，使激光器311发射的激光束处于加工平面的切线方向，锁定θ轴205和电动旋转平台203；控制系统控制三维移动机构调整激光发射装置的激光束位置至加工平面的刀尖处，控制系统控制三维移动机构，使激光器311发射的激光束往复运动逐层向下去除材料或圆弧插补，加工刀面过程中先进行粗加工再进行精加工。通过计算激光不同参数下的切削深度动态调整Z轴，保证加工点始终处于激光焦点位置。

所述方法具体包括以下步骤：

刀具固定，激光对焦：将刀具装夹到所述夹具204上，打开激光发射装置的激光器311，激光器311发出指示光进行对焦；

副后刀面加工：调整θ轴205和电动旋转平台203，对夹具204上的刀具的角度进行调整，使激光束处于副后刀面的切线方向，锁定θ轴205和电动旋转平台203，调整激光束位置至副切削刃靠近刀尖处，按照副切削刃长度进行编程，并输入控制系统，控制系统控制三维移动机构的X移动平台304、Y轴平台303和Z轴悬臂310移动，使激光器311发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

前刀面加工：解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使激光束处于前刀面的切线方向，锁定θ轴205和电动旋转平台203，调整激光束位置至副切削刃靠近刀尖处，按照副切削刃长度进行编程，并输入控制系统，控制系统控制三维移动机构的X移动平台304、Y轴平台303和Z轴悬臂310，使激光器311发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

主后刀面加工：解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203，使激光束处于主后刀面的切线方向，锁定θ轴205和电动旋转平台203，调整激光束位置至主切削刃靠近刀尖处，按照主切削刃长度进行编程，，并输入控制系统，控制系统控制三维移动机构的X移动平台304、Y轴平台303和Z轴悬臂310，使激光器311发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

副切削刃加工：解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使刀尖向上，副切削刃处于竖直状态，锁定θ轴205和电动旋转平台203，调整激光焦点于副切削刃靠近刀尖处，按照副切削刃半径进行编程，并输入控制系统，设定重复插补次数，控制系统控制三维移动机构的X移动平台304和Y轴平台303执行圆弧插补，单次插补完成后返回起始插补点；

主切削刃加工：解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使刀尖向上，主切削刃处于竖直状态，锁定θ轴205和电动旋转平台203，调整激光焦点于主切削刃靠近刀尖处，按照主切削刃半径进行编程，并输入控制系统，设定重复插补次数，控制系统控制三维移动机构的X移动平台304和Y轴平台303执行圆弧插补，单次插补完成后返回起始插补点；

刀尖圆弧加工：解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203，使前刀面处于水平状态，锁定θ轴205和电动旋转平台203，调整激光焦点位于主切削刃靠近刀尖处，所述控制系统中输入刀尖圆弧半径，控制系统控制X移动平台304和Y轴平台303进行圆弧插补完成刀尖圆弧加工。单次插补完成后返回起始插补点；

所述激光器311为皮秒激光器或飞秒激光器。采用皮秒激光器时，粗加工阶段激光功率30～50w，频率500khz，扫描速度100～200mm/s；精加工阶段激光功率10～20w，频率500khz，扫描速度200～300mm/s；采用飞秒激光器时，粗加工阶段激光功率100～120mw，频率1～10khz，扫描速度0.5～1mm/s；精加工阶段激光功率80～100mw，频率1～10khz，扫描速度1～1.6mm/s。

实施例1：

以45°硬质合金外圆车刀为实施实例，主偏角45°，副偏角41°，刃倾角0°。采用皮秒激光器加工，通过激光粗、精加工副后刀面、前刀面7、主后刀面5、副切削、主切削刃、刀尖圆弧，完成刀具修刃过程。

将欲加工刀具刀尖朝上固定于夹具204上，

第一步，加工副后刀面4，调整θ轴205使副切削刃朝上且处于水平状态，锁定θ轴205。调整夹具204使副后刀面4处于竖直状态，锁定电动旋转平台203。打开激光调整激光焦点位置处于副切削刃靠近刀尖端点处，激光束方向处于副后刀面4切线方向。设置激光功率为30w，频率500khz，扫描速度200mm/s进行粗加工，设定激光往复移动距离，即副切削刃长度，开始加工。由于激光单次加工深度大约1um，因此，每往复运动10次，Z轴悬臂310向下移动10um实现焦距补偿，保证激光在加工面上聚焦。粗加工完成后，调整激光功率为10w，频率500khz，扫描速度300mm/s，Z轴反向移动上述加工过程中的补偿量，开始精加工，重复上述过程。修刃余量6示意图如图7所示。

第二步，加工前刀面7，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使前刀面7处于竖直状态，加工前刀面7。同样采用粗精加工结合的方式，重复上述加工过程。修刃余量6示意图如图8所示。

第三步，加工主后刀面5，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使主切削刃朝上且处于水平状态，主后刀面5处于竖直状态，锁定电动旋转平台203和θ轴205。调整激光焦点位于主切削刃靠近刀尖处，激光束方向处于主后刀面5切线方向。设定激光往复运动距离，即主切削刃长度。设置激光功率为30w，频率500khz，扫描速度200mm/s。开始加工。粗加工完成后，调整激光功率为10w，频率500khz，扫描速度300mm/s，Z轴悬臂310反向移动上述加工过程中的补偿量，开始精加工，重复上述过程。修刃余量6示意图如图7所示。

第四步，加工副切削刃，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使副切削刃处于竖直状态。调整激光功率为10w，频率500khz，扫描速度300mm/s，通过在上位机中设置副切削刃刃口半径，插补次数，进行圆弧插补。单次插补完成后返回起始点。

第五步，加工主切削刃，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使主切削刃处于竖直状态。通过在上位机中设置副切削刃刃口半径，插补次数，进行圆弧插补。单次插补完成后返回起始点。

第六步，加工刀尖圆弧，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使前刀面处于水平状态，加工刀尖。打开激光，调整激光焦点位于主切削刃靠近刀尖处，设置激光功率为10w，频率500khz，扫描速度300mm/s，在上位机中设定圆弧半径大小，插补次数，进行圆弧插补。单次插补完成后返回起始点。加工前后刀尖圆弧示意图分别如图5和图6所示。

实施例2：

以55°菱形CBN刀片为例，采用飞秒激光器加工，将刀片刀尖朝上固定于夹具204上。

其修刃过程如下：

第一步，加工副后刀面4，调整θ轴205使副切削刃朝上且处于水平状态，锁定θ轴205。调整电动旋转平台203使副后刀面4处于竖直状态，锁定电动旋转平台203。设置激光输出功率100mw，频率1khz，扫描速度1mm/s,脉宽104fs。打开激光微调Z轴悬臂310使激光焦点位置处于副切削刃靠近刀尖端点处，激光束方向处于副后刀面切线方向。设定激光往复移动距离，即副切削刃长度，开始加工。由于激光单次加工深度大约2.7um，因此，每往复运动10次，Z轴向下移动27um实现焦距补偿，保证激光在加工面上聚焦。粗加工完成后，调整激光功率为70mw，频率1khz，扫描速度1.6mm/s，Z轴悬臂310反向移动上述加工过程中的补偿量，开始精加工，重复上述过程。修刃余量6示意图如图7所示。

第二步，加工前刀面7，解锁电动旋转平台203，调整电动旋转平台203使前刀面7处于竖直状态，锁定电动旋转平台203。同样采用粗精加工结合的方式，重复上述加工过程。修刃余量示意图如图8所示。

第三步，加工主后刀面5，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使主切削刃朝上且处于水平状态，主后刀面5处于竖直状态，锁定θ轴205和电动旋转平台203。设置激光输出功率100mw，频率1khz，扫描速度1mm/s，脉宽104fs。打开激光微调Z轴使激光焦点位置处于主切削刃靠近刀尖端点处，激光束方向处于主后刀面5切线方向。设定激光往复移动距离，即主切削刃长度，开始加工。加工过程仍采用焦距补偿确保激光在加工面上聚焦。粗加工完成后，调整激光功率为70mw，频率1khz，扫描速度1.6mm/s，Z轴悬臂310反向移动上述加工过程中的补偿量，开始精加工，重复上述过程。修刃余量示意图如图7所示。

第四步，加工主切削刃，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使主切削刃处于竖直状态，设置激光功率为70mw，频率1khz，扫描速度1.6mm/s，调整激光焦点位于主切削刃靠近刀尖处，通过在上位机中设置切削刃刃口半径，插补次数，进行圆弧插补。单次插补完成后返回起始点。

第五步，加工副切削刃，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使副切削刃处于竖直状态，锁定θ轴205和电动旋转平台203。设置激光功率为70mw，频率1khz，扫描速度1.6mm/s，调整激光焦点位于副切削刃靠近刀尖处，通过在上位机中设置切削刃刃口半径，插补次数，进行圆弧插补。单次插补完成后返回起始点。

第六步，加工刀尖圆弧，解锁θ轴205和电动旋转平台203，调整θ轴205和电动旋转平台203使前刀面处于水平状态。锁定θ轴205和电动旋转平台203。设置激光功率为70mw，频率1khz，扫描速度1.6mm/s，调整激光焦点位于副切削刃靠近刀尖处，设置刀尖圆角半径，插补次数进行圆弧插补。单次插补完成后返回起始点。修刃后的刀尖圆角效果图如图6所示，修刃前的刀尖圆角效果图如图5所示。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光修刃装置，其特征在于，包括第一基座(101)、第二基座(102)、工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置和控制系统；

所述工件定位机构安装在第一基座(101)上，所述工件定位机构包括θ轴(205)、电动旋转平台(203)和夹具(204)，所述电动旋转平台(203)安装在θ轴(205)的平台上，θ轴(205)能够绕X轴方向转动；所述夹具(204)安装在电动旋转平台(203)上，电动旋转平台(203)能够自转；

所述三维移动机构安装在第二基座(102)上，所述激光发射装置安装在三维移动机构上，激光发射装置位于夹具(204)的上方；所述激光发射装置的激光束处于加工平面切线方向；

所述控制系统分别与工件定位机构、三维移动机构、激光发射装置连接。

2.根据权利要求1所述的激光修刃装置，其特征在于，所述工件定位机构还包括θ轴伺服电机(206)、θ轴支承架(201)、θ轴轴承(202)和电动旋转平台电机(208)；

所述θ轴(205)的两端分别通过θ轴轴承(202)安装在θ轴支承架(201)上，所述θ轴支承架(201)安装在第一基座(101)上；所述θ轴伺服电机(206)通过θ轴联轴器(207)与θ轴(205)连接；所述电动旋转平台(203)安装在θ轴(205)的平台上；

所述电动旋转平台电机(208)与电动旋转平台(203)连接，电动旋转平台电机(208)驱动电动旋转平台(203)旋转。

3.根据权利要求1所述的激光修刃装置，其特征在于，所述三维移动机构包括X轴移动机构；

所述X轴移动机构包括X移动平台(304)、X轴伺服电机(302)、X轴联轴器(314)和X轴丝杠(315)；所述X轴伺服电机(302)通过X轴联轴器(314)和X轴丝杠(315)连接，X移动平台(304)与X轴丝杠(315)连接，X轴丝杠(315)带动X移动平台(304)沿Y轴平台(303)上的导轨在X方向移动。

4.根据权利要求3所述的激光修刃装置，其特征在于，所述三维移动机构还包括Y轴移动机构；所述Y轴移动机构包括Y轴基台(301)、Y轴伺服电机(305)、Y轴平台(303)、Y轴联轴器(316)和Y轴丝杠(317)；所述Y轴基台(301)安装在第二基座(102)上，Y轴平台(303)安装在Y轴基台(301)的导轨上，所述Y轴丝杠(317)和Y轴伺服电机(302)通过联轴器(316)相连，Y轴平台(303)与Y轴丝杠(317)连接，Y轴丝杠(317)带动Y轴移动平台(303)在Y方向移动，同时带动X移动平台(304)和Z轴移动机构在Y方向移动。

5.根据权利要求3所述的激光修刃装置，其特征在于，所述三维移动机构还包括Z轴移动机构；所述Z轴移动机构包括Z轴伺服电机(307)、Z轴联轴器(318)、Z轴丝杠(319)、Z轴支承架(306)、Z轴悬臂(310)、Z轴悬臂安装板(308)和Z轴悬臂安装板导轨(309)；所述Z轴支承架(306)的下端安装在X轴移动平台(304)上，Z轴伺服电机(307)通过Z轴联轴器(318)与Z轴丝杠(319)连接，Z轴丝杠(319)与Z轴悬臂安装板(308)连接，Z轴悬臂安装板(308)安装在与导轨(309)上，Z轴悬臂(310)的一端安装在Z轴悬臂安装板(308)上；所述Z轴丝杠(319)带动Z轴悬臂安装板(308)在导轨(309)内上下运动。

6.根据权利要求5所述的激光修刃装置，其特征在于，所述激光发射装置包括激光器(311)、聚焦镜筒(313)和激光器固定器(312)；

所述激光器(311)通过激光器固定器(312)安装在Z轴悬臂(310)的另一端，所述聚焦镜筒(313)安装在Z轴悬臂(310)的另一端，聚焦镜筒(313)位于激光器(311)的下方、且聚焦镜筒(313)的下端设有聚焦镜。

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述激光修刃装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将刀具装夹到所述夹具(204)上，所述控制系统调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度，使激光器(311)发射的激光束处于加工平面的切线方向，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光发射装置的激光束位置至加工平面的刀尖处，控制系统控制三维移动机构，使激光器(311)发射的激光束往复运动逐层向下去除材料或圆弧插补，加工刀面过程中先进行粗加工再进行精加工。

8.根据权利要求7所述激光修刃装置的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

刀具固定，激光对焦：将刀具装夹到所述夹具(204)上，打开激光发射装置的激光器(311)，激光器(311)发出指示光进行对焦；

副后刀面加工：调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度，使激光器(311)发射的激光束处于副后刀面的切线方向，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光束位置至副切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台(304)、Y轴平台(303)和Z轴悬臂(310)移动，使激光器(311)发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

前刀面加工：解锁θ轴(205)和电动旋转平台(203)，调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度，使激光束处于前刀面的切线方向，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光束位置至副切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台(304)、Y轴平台(303)和Z轴悬臂(310)，使激光器(311)发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

主后刀面加工：解锁θ轴(205)和电动旋转平台(203)，调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度，使激光束处于主后刀面的切线方向，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光束位置至主切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台(304)、Y轴平台(303)和Z轴悬臂(310)，使激光器(311)发射的激光束往复运动逐层向下去除材料；

副切削刃加工：解锁θ轴(205)和电动旋转平台(203)，调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度使刀尖向上，副切削刃处于竖直状态，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光焦点于副切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台(304)和Y轴平台(303)执行圆弧插补，单次插补完成后返回起始插补点；

主切削刃加工：解锁θ轴(205)和电动旋转平台(203)，调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度使刀尖向上，主切削刃处于竖直状态，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光焦点于主切削刃靠近刀尖处，控制系统控制三维移动机构的X移动平台(304)和Y轴平台(303)执行圆弧插补，单次插补完成后返回起始插补点；

刀尖圆弧加工：解锁θ轴(205)和电动旋转平台(203)，调整θ轴(205)和电动旋转平台(203)的角度，使前刀面处于水平状态，锁定θ轴(205)和电动旋转平台(203)；控制系统控制三维移动机构调整激光焦点位于主切削刃靠近刀尖处，所述控制系统中输入刀尖圆弧半径，控制系统控制X移动平台(304)和Y轴平台(303)进行圆弧插补完成刀尖圆弧加工。单次插补完成后返回起始插补点。

9.根据权利要求7所述的激光修刃装置的方法，其特征在于，所述激光器(311)采用皮秒激光器时，粗加工阶段激光功率30～50w，频率500khz，扫描速度100～200mm/s；精加工阶段激光功率10～20w，频率500khz，扫描速度200～300mm/s。

10.根据权利要求7所述的激光修刃装置的方法，其特征在于，所述激光器(311)采用飞秒激光器时，粗加工阶段激光功率100～120mw，频率1～10khz，扫描速度0.5～1mm/s；精加工阶段激光功率80～100mw，频率1～10khz，扫描速度1～1.6mm/s。

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