CN112518435A - 曲面高精度激光打磨方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种曲面高精度激光打磨方法，选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像，将曲面图像划分成多个平面的子区域，发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号来检测每个子区域的实际粗糙度，预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式，采用全覆盖打磨与区域性打磨相结合，克服了采用单一全覆盖打磨或单一区域性打磨的不足，进一步提高了打磨精度，缩短了打磨时间，本发明实施例还提出了一种曲面高精度激光打磨装置。

Description

曲面高精度激光打磨方法及装置

技术领域

本发明涉及曲面表面修复技术领域，特别涉及一种曲面高精度激光打磨方法及装置。

背景技术

在整个机械加工工艺中，对制造出的工件都需要进行打磨，尤其是在某些精度较高的领域运用中。现代制造业的高速发展，对表面的精度要求越来越高，表面的抛光打磨，不仅仅增加了工件的美观性，同时还改善了材料表面的耐腐蚀，耐磨性以及一些特殊的性能。

传统的打磨方法多由人工操作，费时费力，效率低，往往是接触式的，在复杂件的抛光打磨就比较困难了，因此激光打磨技术进入该领域，其打磨技术区别于传统的技术，是一种新型的材料表面加工技术，发展前景广阔。

原设计激光打磨技术，适用于规则的曲面，应用范围受限，全覆盖式打磨方式，打磨效率低，打磨轨迹之间存在未打磨的间隙，打磨精度低。

发明内容

有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种打磨效率高，打磨精度高的曲面高精度激光打磨方法。

还有必要提出一种打磨效率高，打磨精度高的曲面高精度激光打磨装置。

一种曲面高精度激光打磨方法，所述方法包括：

选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像；

将曲面图像划分成多个平面的子区域；

发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号来检测每个子区域的实际粗糙度；

预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式。

优选的，所述第一打磨方式，具体包括：

对加工曲面的表面进行三维扫描，扫描时分别沿着所述加工曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，获得所述加工曲面上的多个曲面特征点；

将所述多个曲面特征点按扫描路径拟合三维扫描路径曲线；

驱动激光器按照沿三维扫描路径曲线运动。

优选的，所述第二打磨方式，具体包括：

逐次采集实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图；

逐次对每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰标定，形成一组与每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域对应的第二打磨点组，所述第二打磨点组为三维空间离散点；

对所述第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成三维打磨曲线；

驱动激光器按照沿三维打磨曲线运动。

优选的，对所述第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成一级三维打磨曲线之后，还包括：

对三维打磨曲线进行逼近计算。

优选的，所述驱动激光器按照沿三维打磨曲线运动之前，还包括：

计算所述激光器的运动速度V，所述激光器的速度V由如下公式进行计算，

式中，I为激光束强度，Rl为零件材料的反射率，C为零件材料的比热容，ΔT为零件材料的沸点与室温之差，T_R为零件材料的熔点，R_F为零件材料的沸点，ρ为零件材料的密度。

一种曲面高精度激光打磨装置，所述装置包括：

CCD摄像机，用于选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像；

图像处理器，用于将曲面图像划分成多个平面的子区域；

检测模块，用于发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号获得每个子区域的实际粗糙度；

微处理模块，用于预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式。

优选的，所述微处理模块包括：

扫描模块，用于对加工曲面的表面进行三维扫描，扫描时分别沿着所述加工曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，获得所述加工曲面上的多个曲面特征点；

第一拟合模块，用于将所述多个曲面特征点按扫描路径拟合三维扫描路径曲线；

第一执行模块，用于驱动激光器按照沿三维扫描路径曲线运动。

优选的，所述微处理模块包括：

三维图像采集器，用于逐次采集实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图；

标定模块，用于逐次对每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰标定，形成一组与每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域对应的第二打磨点组，所述第二打磨点组为三维空间离散点；

第二拟合模块，用于对所述第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成三维打磨曲线；

第二执行模块，用于驱动激光器按照沿三维打磨曲线运动。

优选的，所述微处理模块还包括：

误差逼近模块，用于对三维打磨曲线进行逼近计算。

优选的，所述微处理模块还包括：

速度计算模块，用于计算所述激光器的运动速度V，所述激光器的速度V由如下公式进行计算，

式中，I为激光束强度，Rl为零件材料的反射率，C为零件材料的比热容，ΔT为零件材料的沸点与室温之差，T_R为零件材料的熔点，R_F为零件材料的沸点，ρ为零件材料的密度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

突破了区域性打磨的技术难题，利用三维图像采集器采集待打磨子区域的三维微观轮廓图，并通过标定模块标定各个待打磨子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰，形成三维离散点组成的第二打磨点组，再利用曲线拟合、逼近算法得到最优的激光器打磨轨迹，极大的缩短了打磨时间，并消除了全覆盖式打磨方式，打磨轨迹之间存在的未打磨的间隙，极大的提高了打磨精度。采用全覆盖打磨与区域性打磨相结合，克服了采用单一全覆盖打磨或单一区域性打磨的不足，进一步提高了打磨精度，缩短了打磨时间。

附图说明

图1为所述曲面高精度激光打磨装置功能模块图。

图中：曲面高精度激光打磨装置10、CCD摄像机11、图像处理器12、检测模块13、微处理模块14、扫描模块141、第一拟合模块142、第一执行模块143、三维图像采集器144、标定模块145、第二拟合模块146、第二执行模块147、误差逼近模块148、速度计算模块149、激光器20。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明实施例提供了一种曲面高精度激光打磨方法，方法包括：

选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像；

将曲面图像划分成多个平面的子区域；

发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号来检测每个子区域的实际粗糙度；

预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式。

第一打磨方式对整个加工曲面进行打磨，作为解释性说明，可以是采用脉宽较大的激光直接对曲面进行覆盖式打磨。

第二打磨方式只对粗糙度大的子区域打磨，作为解释性说明，采用纳米级激光进行打磨。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

突破了区域性打磨的技术难题，利用三维图像采集器144采集待打磨子区域的三维微观轮廓图，并通过标定模块145标定各个待打磨子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰，形成三维离散点组成的第二打磨点组，再利用曲线拟合、逼近算法得到最优的激光器20打磨轨迹，极大的缩短了打磨时间，并消除了全覆盖式打磨方式，打磨轨迹之间存在的未打磨的间隙，极大的提高了打磨精度。采用全覆盖打磨与区域性打磨相结合，克服了采用单一全覆盖打磨或单一区域性打磨的不足，进一步提高了打磨精度，缩短了打磨时间。

进一步，第一打磨方式，具体包括：

对加工曲面的表面进行三维扫描，扫描时分别沿着加工曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，获得加工曲面上的多个曲面特征点；

将多个曲面特征点按扫描路径拟合三维扫描路径曲线；

驱动激光器20按照沿三维扫描路径曲线运动。

进一步，第二打磨方式，具体包括：

逐次采集实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图；

逐次对每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰标定，形成一组与每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域对应的第二打磨点组，第二打磨点组为三维空间离散点；

对第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成三维打磨曲线；

具体可采用三次NURBS曲线对第二打磨点组拟合。

驱动激光器20按照沿三维打磨曲线运动。

进一步，对第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成一级三维打磨曲线之后，还包括：

对三维打磨曲线进行逼近计算。

进一步，驱动激光器20按照沿三维打磨曲线运动之前，还包括：

计算激光器20的运动速度V，激光器20的速度V由如下公式进行计算，

式中，I为激光束强度，Rl为零件材料的反射率，C为零件材料的比热容，ΔT为零件材料的沸点与室温之差，T_R为零件材料的熔点，R_F为零件材料的沸点，ρ为零件材料的密度。

参见图1，本发明实施例还提供了一种曲面高精度激光打磨装置10，装置包括：

CCD摄像机11，用于选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像；

具体的，CCD摄像机11例如为美国FLI公司ML11002高灵敏度CCD相机。

图像处理器12，用于将曲面图像划分成多个平面的子区域；

具体的，图像处理器12例如为嵌入式图像处理平台，机器视觉教学实验平台VS1600。

检测模块13，用于发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号获得每个子区域的实际粗糙度；

具体的，检测模块13采用SuperView WX 100白光干涉测头。

微处理模块14，用于预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式。

参见图1，进一步，微处理模块14包括：

扫描模块141，用于对加工曲面的表面进行三维扫描，扫描时分别沿着加工曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，获得加工曲面上的多个曲面特征点；

第一拟合模块142，用于将多个曲面特征点按扫描路径拟合三维扫描路径曲线；

具体的，扫描模块141例如为轮廓仪，曲面特征点信息可导入MATLAB进行拟合、逼近计算。

第一执行模块143，用于驱动激光器20按照沿三维扫描路径曲线运动。

激光器20可采用德国EdgeWave GmbH提供的脉冲宽度为12PS、激光波长为355nm/532nm、激光最高为30W～90W、激光频率为0～2000KHz、聚焦光斑为15μm。

参见图1，进一步，微处理模块14包括：

三维图像采集器144，用于逐次采集实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图；

标定模块145，用于逐次对每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰标定，形成一组与每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域对应的第二打磨点组，第二打磨点组为三维空间离散点；

具体的，标定模块145、三维图像采集器144采用MV-80008路实时高清晰图像采集卡实现。

第二拟合模块146，用于对第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成三维打磨曲线；

第二执行模块147，用于驱动激光器20按照沿三维打磨曲线运动。

参见图1，进一步，微处理模块14还包括：

误差逼近模块148，用于对三维打磨曲线进行逼近计算。

具体的，误差逼近模块148，基于离散化点保证加工精度的要求，计算拟合曲线上离散化点是否在误差范围内，筛选或添加误差内的离散点，然后再生成所在误差范围内的最佳拟合曲线。若在区域内出现，标定点之间的间隔比较大或出现某标定点周围无其它标定点时，此时无法生成的连续拟合曲线或者拟合曲线生成较差，可用皮秒脉冲激光器20对点进行打磨。

参见图1，进一步，微处理模块14还包括：

速度计算模块149，用于计算激光器20的运动速度V，激光器20的速度V由如下公式进行计算，

式中，I为激光束强度，Rl为零件材料的反射率，C为零件材料的比热容，ΔT为零件材料的沸点与室温之差，T_R为零件材料的熔点，R_F为零件材料的沸点，ρ为零件材料的密度。

本发明实施例中模块或单元，可以通过通用集成电路，例如CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)，或通过ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)来实现。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种曲面高精度激光打磨方法，其特征在于，所述方法包括：

选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像；

将曲面图像划分成多个平面的子区域；

发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号来检测每个子区域的实际粗糙度；

预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式。

2.如权利要求1所述的曲面高精度激光打磨方法，其特征在于，所述第一打磨方式，具体包括：

对加工曲面的表面进行三维扫描，扫描时分别沿着所述加工曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，获得所述加工曲面上的多个曲面特征点；

将所述多个曲面特征点按扫描路径拟合三维扫描路径曲线；

驱动激光器按照沿三维扫描路径曲线运动。

3.如权利要求1所述的曲面高精度激光打磨方法，其特征在于，所述第二打磨方式，具体包括：

逐次采集实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图；

逐次对每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰标定，形成一组与每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域对应的第二打磨点组，所述第二打磨点组为三维空间离散点；

对所述第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成三维打磨曲线；

驱动激光器按照沿三维打磨曲线运动。

4.如权利要求3所述的曲面高精度激光打磨方法，其特征在于，对所述第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成一级三维打磨曲线之后，还包括：

对三维打磨曲线进行逼近计算。

5.如权利要求3所述的曲面高精度激光打磨方法，其特征在于，所述驱动激光器按照沿三维打磨曲线运动之前，还包括：

计算所述激光器的运动速度V，所述激光器的速度V由如下公式进行计算，

式中，I为激光束强度，Rl为零件材料的反射率，C为零件材料的比热容，ΔT为零件材料的沸点与室温之差，T_R为零件材料的熔点，R_F为零件材料的沸点，ρ为零件材料的密度。

6.一种曲面高精度激光打磨装置，其特征在于，所述装置包括：

CCD摄像机，用于选取零件的加工曲面，将加工曲面映射成曲面图像；

图像处理器，用于将曲面图像划分成多个平面的子区域；

检测模块，用于发射激光信号至每个子区域，并根据反射回的激光信号获得每个子区域的实际粗糙度；

微处理模块，用于预设打磨基准粗糙度，若检测到的每个子区域的实际粗糙度均小于基准粗糙度，则运行第一打磨方式，若检测到的任一子区域的实际粗糙度大于基准粗糙度，则运行第二打磨方式。

7.如权利要求6所述的曲面高精度激光打磨装置，其特征在于，所述微处理模块包括：

扫描模块，用于对加工曲面的表面进行三维扫描，扫描时分别沿着所述加工曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，获得所述加工曲面上的多个曲面特征点；第一拟合模块，用于将所述多个曲面特征点按扫描路径拟合三维扫描路径曲线；第一执行模块，用于驱动激光器按照沿三维扫描路径曲线运动。

8.如权利要求6所述的曲面高精度激光打磨装置，其特征在于，所述微处理模块包括：

三维图像采集器，用于逐次采集实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图；

标定模块，用于逐次对每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域的三维微观轮廓图的微观凸面最高峰标定，形成一组与每个实际粗糙度小于基准粗糙度的子区域对应的第二打磨点组，所述第二打磨点组为三维空间离散点；

第二拟合模块，用于对所述第二打磨点组进行三维曲线拟合，形成三维打磨曲线；

第二执行模块，用于驱动激光器按照沿三维打磨曲线运动。

9.如权利要求8所述的曲面高精度激光打磨装置，其特征在于，所述微处理模块还包括：

误差逼近模块，用于对三维打磨曲线进行逼近计算。

10.如权利要求8所述的曲面高精度激光打磨装置，其特征在于，所述微处理模块还包括：

速度计算模块，用于计算所述激光器的运动速度V，所述激光器的速度V由如下公式进行计算，

式中，I为激光束强度，Rl为零件材料的反射率，C为零件材料的比热容，ΔT为零件材料的沸点与室温之差，T_R为零件材料的熔点，R_F为零件材料的沸点，ρ为零件材料的密度。

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