CN113828941B - 一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工技术领域，并具体公开了一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法及装置，加工方法包括S1根据复合材料选择与之匹配的切削参数，并根据切削参数和采集延迟时间相应调节高速识别延迟距离；S2采集并处理复合材料表面的数据，并根据数据处理结果控制激光的开启或关闭；S3当识别到材料为金属材料时关闭激光，当识别到材料为硬质相脆硬材料时，开启激光并将激光的功率调整到与材料相匹配的功率大小。装置包括吸盘夹具、金刚石刀具、高速识别模块、固定单元、电光调制器、激光发生器和整形电路；高速识别模块包括：高速采集单元和数据处理单元。本发明可实现高速、高稳定性、高准确性的复合材料微米级识别。

Description

一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法及装置

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，更具体地，涉及一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法及装置。

背景技术

随着高新技术的发展，复合材料的研究已慢慢成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增加，在航空、交通、建筑、汽车等领域上被广泛应用。硅铝合金和铝基碳化硅等一些金属基复合材料，有着质量轻、导热性能好的特点，同时具有高硬度、高强度和耐腐蚀性能，满足尖端技术所用材料的需求。但这类材料由于自身的高硬度，在进行传统切削加工时会产生较高的接触压力和切削温度，形成积屑瘤导致刀具黏结磨损发生，此外材料的均匀性差，在加工过程中材料硬质相硅、碳化硅等颗粒硬度高，加工过程中会产生硬质点磨损。以上表明采用传统切削方式对此类复合材料进行加工，效率低、成本代价高且难以获得高质量表面。

目前用于难加工复合材料的技术有电火花切削、激光切削、磨料水射流切削、激光辅助切削、振动辅助切削等，其中激光辅助切削技术优势较大。激光辅助切削技术通过激光束对工件材料加热软化，使切削时材料塑性变形更为容易，能有效减小切削力、提高加工质量和效率。考虑到切削铝基复合材料时，激光束作用在一个区域内，对硬质相加热软化的同时也会使铝基过软化(接近熔点)。为了减少铝基过软化带来加工质量降低等不良后果，在本领域上有必要对激光辅助切削进一步研究改善，实现加工复合材料不同部分时，针对性开关激光器。考虑到加工过程中转速较高，对复合材料表面需要高频率采集处理，同时复合材料晶胞处于微米级大小，需要满足微米级尺度分辨，识别复合材料各部分时开关激光器，需要做到实时同步。

目前已有的材料识别技术没有做到上述三要素同时满足，大多实时识别尺度处于毫米级，不能满足上述对复合材料各部分识别的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法及装置，其能够在激光辅助切削过程中识别微米级区域内材料种类，实现不同材料的选择性加工。

本发明提供了一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法，包括下述步骤：

S1：根据待加工复合材料选择与之匹配的切削参数，并根据切削参数和采集延迟时间相应调节高速识别延迟距离；

S2：采集并处理所述待加工复合材料表面的数据，并根据数据处理结果控制激光的开启或关闭；

S3：当识别到待加工材料为金属材料时关闭激光，当识别到待加工材料为硬质相脆硬材料时，开启激光并将激光的功率调整到与待加工材料相匹配的功率大小。

其中，延迟距离S＝2R·Sin(90nt/π)，其中n为工件旋转速度，R为切削半径，t为高速采集单元延迟时间。

更进一步地，步骤S2具体为：当采用高速相机进行数据采集时，对采集的图片进行二值化图像处理，并当像素点数据值不为1时控制激光发生器开启。

其中，当像素点数据值为1时，进一步判断切削过程是否完成，若是则结束，若否则返回至步骤S2。

更进一步地，步骤S2具体为：当采用光纤传感器进行数据采集时，对识别区进行光通量处理，并当光通量不大于设定的光通量阈值时控制激光发生器开启。

其中，当光通量大于设定的光通量阈值时，进一步判断切削过程是否完成，若是则结束，若否则返回至步骤S2。

本发明还提供了一种基于复合材料微米级高速识别的加工装置，包括：吸盘夹具、金刚石刀具、高速识别模块、固定单元、电光调制器、激光发生器和整形电路；吸盘夹具用于在加工过程中保持待加工复合材料的位置稳定；固定单元用于固定金刚石刀具、高速识别模块、电光调制器、激光发生器和整形电路；电光调制器与激光发生器相接，用于通过电子信号间接控制激光发生器的开启和关闭；整形电路用于对激光发生器出射的激光进行整形处理后获得符合要求的激光束。

更进一步地，高速识别模块包括：高速采集单元和数据处理单元；高速采集单元布置在固定单元靠近刀尖一端，用于对识别区内所述待加工复合材料的表面进行高速高频率的数据采集；数据处理单元用于将高速采集单元所采集到的数据进行实时处理，根据处理结果识别相应材料并进一步发出用于间接控制激光发生器开启的控制信号。

作为本发明的一个实施例，高速采集单元可以采用光纤传感器，也可以采用高速相机等设备，能实现高频率、低延迟和高稳定性的图像采集。

更进一步地，由于高速采集单元与刀尖相距较近，易受切屑、切削液干扰，因此在高速采集单元上设置有出气孔，用于通入惰性气体，在切削过程中将干扰物吹离识别区，确保识别准确度。

更进一步地，由于高速采集单元有延迟时间，为确保实时识别准确性，通过固定单元对高速采集单元进行安装固定时，识别区与金刚石刀具之间相距一段预留距离，此距离可以根据参数自由调节。

作为本发明的一个实施例，数据处理单元对高速相机采集的数据采用图像识别处理，将高频拍摄图片二值化处理，0(黑)、1(白)两种颜色可对应复合材料相应部分，按照切削轨迹得到0、1数据链，对不同像素点相应值开关激光发生器。

其中，数据处理单元对光纤传感器采用光通量阈值比较处理，由于光纤传感器向识别区射出光束，复合材料不同部分对光反射能力不同，可划分一个临界值，将光通量与各部分相对应，通过光通量控制激光发生器开关。

更进一步地，固定单元能夹紧光纤传感器或高速相机，切削进给过程中不易晃动，确保能对识别区稳定采集数据，同时避免与其他单元发生干涉。

总体而言，通过本发明所构思的以上方案与现有技术相比，主要具备以下优点：

(1)本发明通过复合材料高速识别技术，在加工过程中可识别复合材料不同材料部分，加工基体金属材料时关闭激光，防止该部分材料受热过软化，加工硬质相脆硬材料时给予合适功率的激光，增加脆塑转变深度便于加工。

(2)本发明通过固定单元的设计，可将高速采集单元、数据处理单元、电光调制器、激光发生器光纤等组件有效安装在机床夹具上，能保证其工作状态稳定。

(3)本发明采用的高速相机或光纤传感器高速采集单元可实现100RPM～1000RPM高速旋转下复合材料表面数据采集，同时具有微米级采集区域、稳定性高、延迟小、采集频率高的特点。

(4)本发明采用的数据处理单元可对采集到的数据进行实时处理，并能快速发出指令，实现针对不同材料高频开关激光发生器。

(5)本发明的识别过程中，由光信号探测材料表面特征，再将光信号转变为电信号，使识别的响应速度快、稳定性高，可在高转速下准确识别基体和增强相，非常适用于复合材料微米级高速识别，尤其是针对一些脆硬难加工硬质相。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于符合材料微米级高速识别的加工方法中高速识别方法的子流程实现示意图；

图2是本发明实施例提供的基于复合材料微米级高速识别的加工装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于复合材料微米级高速识别的加工装置的加工过程的示意图；

图4是本发明实施例提供的识别区延迟距离示意图；

图5是本发明实施例提供的高速相机图像识别处理示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为复合材料，2为吸盘夹具，3为金刚石刀具，4为高速识别模块，5为固定单元，6为电光调制器，7为激光发生器，8为整形电路，9为激光束，101为基体，102为硬质相，103为切削轨迹，104为延迟距离，105为识别区，401为高速采集单元，402为数据处理单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，现参照附图1详述如下：

本发明实施例提供的一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法包括下述步骤：

(1)设备初始化：根据切削参数与采集单元延迟时间相应调节高速识别延迟距离，激光发生器保持开启状态，由电光调制器间接控制其开关。

(2)高速采集及数据处理：开始进给切削时，同步开启高频高速识别，选取的高速采集单元不同，相应有不同数据处理方式。高速相机采用二值化图像处理，光纤传感器采用光通量阈值比较。

具体地，数据处理单元能对高速采集单元采集的数据进行实时处理，对于高速相机采用图像识别处理，将拍摄图片进行二值化处理，像素点值与复合材料各部分相对应，按照轨迹得到0、1数据链；对于光纤传感器采用光通量阈值比较处理，根据不同材料对光的反射能力不同，设置阈值区分复合材料各部分。通过高频识别结果来高频控制激光发生器开关。

(3)激光器开关控制：采用高速相机时，根据像素点0、1值可对应开关激光器；采用光纤传感器时，根据检测到的光通量与预先设定的阈值相比较可对应开关激光器，该阈值可由光纤传感器分别对两种材料测量光通量，取结果中间值得到。

图2示出了本发明实施例提供的一种基于复合材料微米级高速识别的加工装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，现参照附图2详述如下：

本发明实施例提供的基于复合材料微米级高速识别的加工装置包括：吸盘夹具2、金刚石刀具3、高速识别模块4、固定单元5、电光调制器6、激光发生器7和整形电路8，吸盘夹具2能够在加工过程中保持复合材料1位置稳定，金刚石刀具3、高速识别模块4、激光发生器7光纤输出、整形电路8均固定于固定单元5上，电光调制器6与激光发生器7相接，通过电子信号间接控制激光器开关，激光发生器7通过整形电路8得到符合要求的激光束。

其中，高速识别模块4包括：高速采集单元401和数据处理单元402，高速采集单元401用于采集复合材料1表面的数据，数据处理单元402用于实时处理高速采集单元401所采集的数据，进一步执行相关指令控制电光调制器6，从而实现高频控制激光发生器7开关。

本发明方法与装置上与现有的激光辅助加工技术有很大的不同，现有激光辅助加工技术在加工过程中，激光器全程处于开启状态，有的复合材料基体金属熔点较低，易在激光器加热条件下融化，难以加工得到理想表面质量，本发明在加工方式上做到了选择性加工，当检测到基体金属，及时关闭激光器，当检测到难加工硬质相，开启激光器加热软化，可很好解决这一问题。

为了更进一步的说明本发明实施例，现以铝基碳化硅为例并参照图3～图5详述如下：

考虑到切削时复合材料1的高速旋转，高速采集单元401需满足采集频率高、响应速度快、采集精度高的要求。

具体的，考虑到铝基碳化硅材料晶粒尺寸在20um～100um，切削转速100RPM～1000RPM，高速采集单元401可采用光纤传感器对光通量进行分析识别，或通过高速相机拍照后进行图像处理。光纤传感器光斑大小和高速相机分辨率需参考晶粒大小，采集频率需参考识别区大小、切削转速、切削半径等。

固定单元5在固定高速采集单元401与数据处理单元402时，为实现高速识别实时同步，将识别区105安置在金刚石刀具3运行轨迹前侧，对不同参数相应调节延迟距离，具体可参考图4。考虑到切削过程中切屑和切削液会对高速采集单元401采集过程造成干扰，在识别区105附近设置出气口，其中通入惰性气体，将干扰物质吹离识别区105。

进一步的，光纤传感器响应速度在微秒级，高速相机响应速度较慢，处于毫秒级，由于延迟时间较为稳定，延迟距离104可根据转速、延迟时间计算得到，其延迟距离为：S＝2R·Sin(90nt/π)……(1)；式中，n为工件旋转速度，R为切削半径，t为高速采集单元延迟时间。

不同高速采集单元401使用的数据处理单元402不同，其中，高速相机采集401的数据通过图像识别处理，将高频拍摄的图片进行二值化处理，黑色部分为硬质相碳化硅(对应值0)，白色部分为基体铝(对应值1)，如图5，按照切削轨迹得到0、1数据链，当像素点数据值为0时开启激光发生器7，当数据值为1时将其关闭；光纤传感器采集的数据通过光通量阈值比较处理，光纤传感器向识别区射出光束，因复合材料不同部分对光束反射能力不同，可划分一个临界值，检测到的光通量若大于设定阈值，可识别为基体铝同时关闭激光发生器7，反之则为碳化硅同时开启激光器。如图2，切削过程中识别到碳化硅时，激光束9对其进行加热软化，增大脆塑转变深度；在切削铝基时，及时关闭激光，避免其受热过软化导致粘刀等不良后果，实现铝基碳化硅高质量、高效率切削，能提高材料表面质量，减少材料亚表面损伤和刀具磨损。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于复合材料微米级高速识别的加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：根据待加工复合材料选择与之匹配的切削参数，并根据切削参数和采集延迟时间相应调节高速识别延迟距离；

S2：采集并处理所述待加工复合材料表面的数据，并根据数据处理结果控制激光的开启或关闭；

S3：当识别到待加工材料为金属材料时关闭激光，当识别到待加工材料为硬质相脆硬材料时，开启激光并将激光的功率调整到与待加工材料相匹配的功率大小。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述延迟距离S＝2R·Sin(90nt/π)，其中n为工件旋转速度，R为切削半径，t为高速采集单元延迟时间。

3.如权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，步骤S2具体为：当采用高速相机进行数据采集时，对采集的图片进行二值化图像处理，并当像素点数据值不为1时控制激光发生器开启。

4.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，当像素点数据值为1时，进一步判断切削过程是否完成，若是则结束，若否则返回至步骤S2。

5.如权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，步骤S2具体为：当采用光纤传感器进行数据采集时，对识别区进行光通量处理，并当光通量不大于设定的光通量阈值时控制激光发生器开启。

6.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于，当光通量大于设定的光通量阈值时，进一步判断切削过程是否完成，若是则结束，若否则返回至步骤S2。

7.一种基于复合材料微米级高速识别的加工装置，其特征在于，包括：吸盘夹具(2)、金刚石刀具(3)、高速识别模块(4)、固定单元(5)、电光调制器(6)、激光发生器(7)和整形电路(8)；

所述吸盘夹具(2)用于在加工过程中保持待加工复合材料(1)的位置稳定；

所述固定单元(5)用于固定所述金刚石刀具(3)、高速识别模块(4)、电光调制器(6)、激光发生器(7)和整形电路(8)；

所述电光调制器(6)与所述激光发生器(7)相接，用于通过电子信号间接控制所述激光发生器(7)的开启和关闭；

所述整形电路(8)用于对所述激光发生器(7)出射的激光进行整形处理后获得符合要求的激光束。

8.如权利要求7所述的加工装置，其特征在于，所述高速识别模块(4)包括：高速采集单元(401)和数据处理单元(402)；

所述高速采集单元(401)布置在固定单元(5)靠近刀尖一端，用于对识别区内所述待加工复合材料(1)的表面进行高速高频率的数据采集；

所述数据处理单元(402)用于将所述高速采集单元(401)所采集到的数据进行实时处理，根据处理结果识别相应材料并进一步发出用于间接控制激光发生器(7)开启的控制信号。

9.如权利要求8所述的加工装置，其特征在于，在所述高速采集单元(401)上设置有出气孔，用于通入惰性气体，在切削过程中将干扰物吹离识别区(105)，确保识别准确度。

10.如权利要求9所述的加工装置，其特征在于，在所述识别区(105)与所述金刚石刀具(3)之间相距一段预留距离(104)，所述预留距离(104)可根据参数自由调节。

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