CN113885435B - 激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法及装置，属于超精密加工领域，其通过改变金刚石刀具的角度，改变激光辐射于刀具圆弧上的位置，通过建立金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，实现不同激光辐射位置的调节，通过建立加工轨迹与金刚石刀具圆弧中心的位置关系并结合金刚石刀具偏转角度与光束折射角度的关系，计算曲面加工任意位置时金刚石刀具所需偏转角度，在金刚石刀具转动一定角度之后，计算其圆弧中心的移动距离并作为补偿值输入到加工轨迹中。本发明还提供实现以上方法的装置。本发明方法和装置可以保证自由曲面加工过程中任意时刻均有激光辐照，提高原位激光辅助自由曲面加工的表面质量，减少刀具磨损。

Description

激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法及装置

技术领域

本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工方法及装置，尤其涉及一种激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工方法。

背景技术

随着光子学和光学成像技术的飞速发展，包括玻璃和半导体在内的硬脆性材料凭借其高硬度、高透射率、低热膨胀系数和高耐腐蚀性等优点，已成为这些技术应用领域中关键部件的首选材料。在光学成像领域，自由曲面具有独特的几何机构和光学成像效果，能够显著缩小所在设备的结构，提高光学成像质量，在航空航天、空间光学、等领域应用需求日益广泛。硬脆材料通常具有高强度，宽能带隙和化学惰性的特性，加工过程中多为脆性去除，加工表面质量较差、亚表面损伤严重。现有加工方式多为磨削、抛光，但是传统磨削、抛光加工效率极低，成本较高，且无法实现复杂面形工件的加工，严重制约了此类光学元件的推广与应用。

单点金刚石切削技术作为一种超精密切削技术，具有效率高、加工质量好、亚表面损伤低等优势，已成为各类光学曲面及功能光学结构加工的一种有效手段，但由于硬脆材料难以维持稳定的塑性加工去除，材料多以裂纹扩展和脆性断裂的方式去除，加工表面质量较差。近年来，原位激光辅助加工成为硬脆材料超精密加工的一种方式，该方法将单点金刚石切削技术与激光辅助加工技术相结合，激光光束通过光学透明金刚石刀具发射，并精确聚焦于刀具-工件界面，从而实现工件在加热的同时被去除。该方法因其可以提高硬脆材料的塑性加工能力，被广泛应用于单晶硅、单晶锗、碳化硅等材料的加工中。

原位激光辅助加工中，激光光束通过整形后聚焦于刀具圆弧中心位置，在平面切削过程中，刀具的作用位置为刀具圆弧中心，因此激光能够对工件起到较好的软化改性作用，加工表面质量较高。然而在自由曲面加工过程中，刀具切削位置并不完全是刀具圆弧中心位置，刀具作用范围较广，因此，在使用原位激光辅助加工技术进行曲面加工时，部分位置没有激光的软化改性作用。因此，自由曲面加工过程中，部分位置加工表面质量较高，部分位置加工表面质量较低，加工面形精度和表面质量均不能满足超精密加工的需求。另一方面，由于激光光束没有与切削位置重合，对于没有激光辅助作用的区域，金刚石刀具直接对硬脆材料进行切削加工，刀具磨损极为严重，限制了硬脆材料自由曲面的大批量生产。因此，从现有技术来看，对于硬脆材料自由曲面的超精密加工，目前尚未有合适的加工手段。

为实现硬脆材料自由曲面的超精密加工，需要开发出一种激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工装置以及方法，在原有原位激光辅助切削系统中引入激光位置调整单元和加工路径补偿模块，保证自由曲面原位激光辅助切削过程中任意切削位置均有激光辐照，避免自由曲面加工过程中部分切削位置没有激光辅助作用所带来的加工质量差、刀具磨损严重的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光调整与路径补偿相结合的自由曲面加工方法，加工过程中，改变金刚石刀具的转动角度，建立金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，实现对激光辐射位置的调节，根据加工轨迹与金刚石刀具圆弧中心的位置关系并结合金刚石刀具偏转角度与光束折射角度的关系，计算曲面加工任意位置时金刚石刀具所需偏转角度，在金刚石刀具转动设定角度之后，计算金刚石刀具圆弧中心的移动距离并作为补偿值输入到加工轨迹中，保证曲面加工轨迹按照原设定路径进行加工，实现原位激光辅助自由曲面加工过程中激光辐射位置根据加工路径的不同进行实时调整，保证自由曲面加工过程中任意时刻均有激光辐照。

进一步的，金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度/>的关系满足以下方程：

其中，是指金刚石转动角度/>与激光光束折射角度/>的函数关系。。

进一步的，考虑自由曲面曲率和直径以建立加工轨迹方程，确定刀具切削位置，根据金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，计算获得金刚石刀具偏转角度，根据金刚石刀具偏转角度和加工轨迹方程，计算获得金刚石刀具加工路径偏移补偿，再执行最终的加工。

进一步的，金刚石刀具加工路径偏移补偿包括在X轴方向和Z轴方向的补偿，各个方向的补偿值分别为x和z，其中，

其中，x为金刚石刀具在X方向的偏移量，z为金刚石刀具在Z方向的偏移量，g₁为金刚石转动角度和刀具X方向偏移量的函数关系，g₂为金刚石转动角度/>和刀具Z方向偏移量的函数关系，/>为金刚石刀具转动角度。

进一步的，其包括激光位置调整单元和加工路径补偿模块，激光位置调整单元设置在原位激光辅助加工刀架单元中，包括压电陶瓷和螺母，压电陶瓷一端设置有金刚石刀具刀杆，另一端通过螺母固定在原位激光辅助加工刀架单元的刀架座内，压电陶瓷用作金刚石刀具偏转执行机构，在给予压电陶瓷大小相等且方向相反的电压时，压电陶瓷在逆压电效应作用下，自动产生位移而带动金刚石刀具按照预期发生偏转，所述加工路径补偿模块用于建立金刚石刀具圆弧中心与加工轨迹的关系，在金刚石刀具转动之后，计算金刚石刀具圆弧中心的移动距离，并将其作为补偿值改变金刚石刀具位置，保证调整角度后金刚石刀具圆弧中心仍与原设定加工轨迹重合。

以上发明构思中，加工路径补偿模块实际为进行激光原位辅助加工的数控机床原有的具有路径规划和计算处理功能的部分。

进一步的，加工路径补偿模块用于将计算所得的加工路径在X轴方向和Z轴方向分别的偏移量x、z补偿于加工轨迹中，保证刀具偏转角度之后，仍按照原加工路径进行切削。

进一步的，加工路径补偿模块通过建立加工轨迹与金刚石刀具圆弧中心的位置关系，结合刀具偏转角度与穿过金刚石刀具的激光折射角度的关系，得到加工过程任意时刻金刚石刀具所需偏转角度。

进一步的，压电陶瓷具有两块，两块压电陶瓷均呈半圆筒状，两块压电陶瓷相对设置，嵌装在刀架座内，形成类圆筒状，类圆筒状的压电陶瓷一端卡合在金刚石刀具刀杆上设置的台阶处，并与金刚石刀具的刀杆形成过盈配合以形成对金刚石刀具刀杆的咬紧，类圆筒状的压电陶瓷另一端位于刀架座内，刀架座端头处通过旋紧螺母而对类圆筒状的压电陶瓷顶紧固定。

本发明提供的一种激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工装置主要包括激光位置调整单元和加工路径补偿模块，其中，激光位置调整单元通过转动金刚石刀具的角度，改变激光折射方向，从而改变激光辐照到金刚石刀具圆弧上的位置，达到激光辐射位置实时调整的目的。加工路径补偿模块利用金刚石刀具偏转角度、激光折射角度、金刚石刀具圆弧中心位置、加工轨迹这四者的关系，计算自由曲面任意切削位置所需的金刚石刀具偏转角度，以及金刚石刀具圆弧中心的移动距离，并将计算结果作为补偿值输入到加工轨迹中，保证偏转后的刀具按照仍按照原设定加工路径进行曲面切削。激光位置调整单元位于原位激光辅助加工刀架单元中，其包括金刚石刀具、压电陶瓷、防尘盖、螺母和刀架座。在实际工程实践中，金刚石刀具采用原位激光辅助加工专用刀具，可以保证激光光束在刀具圆弧位置的精准聚焦。原位激光辅助加工专用刀具包括刀杆和刀片两个部分，刀片材质是金刚石，为透明材质，保证激光光束可以透过后聚焦于待加工工件表面，金刚石刀片与刀杆通过焊接固定为一体，并安装于刀架座上，刀杆上设置有台阶，用于压电陶瓷的固定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明中利用压电陶瓷改变原位激光辅助加工系统金刚石刀具的方向，进而改变激光辐照到金刚石刀具圆弧上的位置，实现自由曲面切削过程中任意时刻金刚石刀具切削位置均有激光辐照，保证自由曲面加工过程中任意时刻均有激光辅助加工。

2、本发明中利用激光位置调整单元，有效解决自由曲面原位激光辅助切削过程中部分时刻激光没有作用到切削位置的问题，保证自由曲面加工过程中加工表面的均匀性，提高加工表面质量，同时减少没有激光辅助进行普通切削带来的刀具磨损，满足硬脆材料自由曲面超高表面质量和面形精度的高效制造需求。

3、本发明通过建立刀具偏转角度、激光折射角度、刀具圆弧中心位置、曲面加工轨迹等的关系，利用加工路径补偿模块，在曲面加工轨迹中进行刀具位置的补偿，利用机床实现金刚石刀具X、Z两个方向位置的精确控制，避免刀具偏转造成曲面加工路径等的改变，保证自由曲面加工面形精度。

4、本发明装置结构简单，在原有原位激光辅助切削系统中加入压电陶瓷，实现了激光位置实时调整，其位置精度高，通过所建立的方程可以精准保证金刚石刀具的调整位置。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的可实现激光位置调整的原位激光辅助切削系统的部分结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的金刚石刀具偏转角度前后刀具位置对比示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的激金刚石刀具补偿前后刀具位置对比示意图。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工流程示意图。

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：

100-待加工工件，101-金刚石刀具，102-防尘盖，103-压电陶瓷，104-刀架座，105-螺母，106-激光光束，200-加工轨迹，201-偏转前激光光束，202-偏转前金刚石刀具，203-偏转前切削位置，204-偏转后金刚石刀具，205-偏转后激光光束；300-加工过程中偏转后金刚石刀具，301-加工过程中偏转后激光光束，302补偿后切削位置，303-补偿后金刚石刀具，304-补偿后激光光束。

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。

本发明提供了一种激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工方法以及装置，该装置主要包括激光位置调整单元和加工路径补偿模块两个部分，通过两个模块的协作，实现对激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工方法。激光位置调整单元通过压电陶瓷改变金刚石刀具的角度，从而改变激光辐射于刀具圆弧上的位置。通过建立金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，实现不同激光辐射位置的调节，满足原位激光辅助自由曲面加工中激光辐照刀具圆弧不同位置的需求。加工路径补偿模块，通过建立加工轨迹与金刚石刀具圆弧中心的位置关系并结合金刚石刀具偏转角度与光束折射角度的关系，计算曲面加工任意位置时金刚石刀具所需偏转角度。在金刚石刀具转动一定角度之后，计算金刚石刀具圆弧中心的移动距离并作为补偿值输入到加工轨迹中，保证曲面加工轨迹按照原设定路径进行加工。

下面将结合图1-4对该方法及各个模块进行一一说明。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的可实现激光位置调整的原位激光辅助切削系统部分结构的示意图，由图可知，其包括待加工工件100、金刚石刀具101、防尘盖102、压电陶瓷103、刀架座104、螺母105和激光光束106。金刚石刀具101用于实现自由曲面的切削加工，压电陶瓷103用于实现金刚石刀具角度的调整，激光光束106用于曲面加工过程中的辅助软化，提高材料塑性切削能力，防尘盖102用于防止切削液、切屑等进入光路系统中，影响激光光束的传播，螺母105用于压电陶瓷103与刀架座104之间的固定。

具体的，本实施例中，激光光束106通过激光发生器发射后进入刀具组件，入射至金刚石刀具表面，金刚石为透明状，激光穿透金刚石刀具后，发生折射，激光经过汇聚后作用于透明的金刚石刀具101圆弧中心位置。压电陶瓷103位于刀架座104内部，在自由曲面的加工过程中，压电陶瓷103根据曲面加工轨迹调整金刚石刀具101的偏转角度，其通过所输入的电信号实现。具体的，当给予压电陶瓷大小相等方向相反的电压时，由于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷产生位移，带动金刚石刀具偏转。螺母105位于刀架座104和压电陶瓷103之间，用于实现压电陶瓷103的固定。防尘盖102位于金刚石刀具101之上，可以防止切屑、切削液和灰尘等进入刀架系统，影响激光光路。金刚石刀具101采用原位激光辅助切削专用刀具，其可实现将平行入射的激光光束汇聚于金刚石刀具101圆弧中心位置。激光光束106在金刚石刀具101上汇聚的位置与其入射过程中与金刚石刀具的角度有关系，具体如下：

图2是按照本发明的优选实施例所构建的金刚石刀具偏转角度前后刀具位置对比示意图，如图2所示，原位激光辅助切削系统中偏转前激光光束201直接汇聚于偏转前金刚石刀具202的圆弧中心位置，在自由曲面的加工过程中，偏转前切削位置203与偏转前激光光束201所汇聚于加工轨迹200上的位置并不重合，因此，在这个区域的加工过程中，材料并没有得到激光的软化作用，加工质量较差，刀具磨损严重。进一步的，利用前述压电陶瓷使金刚石刀具偏转一定角度，此时激光光束将会偏转一定角度β，偏转后激光光束205在偏转后金刚石刀具204上的汇聚位置将会发生改变。金刚石刀具所偏转的角度/>与激光光束偏转角度β存在以下的关系：

其中，是指金刚石转动角度/>与激光光束折射角度/>的函数关系。

其中，金刚石刀具偏转一定角度后，金刚石刀具圆弧中心位置将会发生改变，从偏转前金刚石刀具202的圆心位置A移动到了偏转后金刚石刀具204的圆心位置B，因此金刚石刀具的移动轨迹也相应发生了变化，为保证金刚石刀具仍按照原定加工路径进行加工，需要对金刚石刀具位置进行加工路径补偿，具体如下：

图3是按照本发明的优选实施例所构建的激金刚石刀具补偿前后刀具位置对比示意图，如图3所示，为保证金刚石刀具仍按照原定切削路径进行切削，需要对X、Z两个方向进行位置补偿，通过建立加工轨迹、偏转角度的关系，X、Z方向的偏移量可用下式表示：

其中，x为金刚石刀具在X方向的偏移量，z为金刚石刀具在Z方向的偏移量，g₁为金刚石转动角度和刀具X方向偏移量的函数关系，g₂为金刚石转动角度/>和刀具Z方向偏移量的函数关系，/>为金刚石刀具转动角度。

具体的，利用加工轨迹补偿模块将X、Z两个方向的偏移量提前输入至加工轨迹中，即可保证刀具偏转一定角度之后，刀具圆弧中心位置没有发生相应的改变。此时，补偿后激光光束304经过补偿后金刚石刀具303后将汇聚于补偿后切削位置302上，解决了前述激光汇聚位置与切削位置不一致的问题，从而实现原位激光辅助自由曲面加工过程中任意位置均有激光辅助作用，保证加工表面质量，减少刀具磨损。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的激光调整与路径补偿相结合的原位激光辅助自由曲面加工流程示意图，如图4所示，主要包括以下几个步骤：

首先，根据待加工自由曲面的曲率、直径等几何参数计算刀具的切削路径，寻找最优的加工轨迹，根据所设定的加工轨迹可以获取刀具圆弧位置与工件的接触点，即刀具切削位置。其次，根据刀具切削位置与激光辐照位置的函数关系，计算切削过程中哪些位置激光无法辐照于刀具圆弧位置上，在无激光辐照的位置，根据刀具偏转角度与光束折射角度的关系确定刀具偏转角度。刀具偏转角度一旦确定，根据所需偏转角度，压电陶瓷输出相关电信号，刀具将在压电陶瓷的作用下发生偏转。利用所建立的刀具偏转角度和与加工轨迹关系，进行刀具偏移补偿，刀具将会发生移动，刀具圆弧位置将移动至偏转前的位置处，保证切削轨迹没有发生改变，最后利用金刚石刀具和激光光束的辅助作用完成自由曲面的超精密加工。

通过本发明，可实现原位激光辅助自由曲面加工过程中激光辐射位置根据加工路径的不同进行实时调整，保证自由曲面加工过程中任意时刻均有激光辐照，提高原位激光辅助自由曲面加工的表面质量，减少刀具磨损，实现硬脆材料自由曲面的超精密加工。

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 (7)

1.一种激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法，其特征在于，加工过程中，改变金刚石刀具的转动角度，建立金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，实现对激光辐射位置的调节，根据加工轨迹与金刚石刀具圆弧中心的位置关系并结合金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，计算曲面加工任意位置时金刚石刀具所需偏转角度，在金刚石刀具转动所需偏转角度之后，计算金刚石刀具圆弧中心的移动距离并作为补偿值输入到加工轨迹中，保证曲面加工轨迹按照原设定路径进行加工，实现原位激光辅助自由曲面加工过程中激光辐射位置根据加工轨迹的不同进行实时调整，保证自由曲面加工过程中任意时刻均有激光辐射，

具体的，首先，根据待加工自由曲面的曲率、直径计算金刚石刀具的切削路径，寻找最优的加工轨迹，根据最优的加工轨迹获取金刚石刀具圆弧位置与工件的接触点，即刀具切削位置，其次，根据金刚石刀具切削位置与激光辐射位置的函数关系，计算切削过程中激光无法辐射于刀具切削位置上的地方，在无激光辐射的地方，根据金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系确定金刚石刀具所需偏转角度。

2.如权利要求1所述的一种激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法，其特征在于，金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度/>的关系满足以下方程：

其中，为金刚石刀具转动角度/>与激光光束折射角度/>的函数关系。

3.如权利要求2所述的一种激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法，其特征在于，考虑自由曲面曲率和直径以建立加工轨迹方程，确定刀具切削位置，根据金刚石刀具转动角度与激光光束折射角度的关系，计算获得金刚石刀具所需偏转角度，根据金刚石刀具所需偏转角度和加工轨迹方程，计算获得金刚石刀具加工路径偏移补偿，再执行最终的加工。

4.如权利要求3所述的一种激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法，其特征在于，金刚石刀具加工路径偏移补偿包括在X轴方向和Z轴方向的补偿，各个方向的补偿值分别为x和z，其中，

其中，x为金刚石刀具在X方向的偏移量，z为金刚石刀具在Z方向的偏移量，g₁为金刚石刀具转动角度和刀具X方向偏移量的函数关系，g₂为金刚石刀具转动角度/>和刀具Z方向偏移量的函数关系，/>为金刚石刀具转动角度。

5.实现如权利要求1-4之一所述的激光调整与路径补偿结合的激光辅助曲面加工方法的装置，其特征在于，其设置在原位激光辅助加工的数控机床中，其包括激光位置调整单元和加工路径补偿模块，激光位置调整单元设置在原位激光辅助加工刀架单元中，包括压电陶瓷（103）和螺母（105），压电陶瓷（103）一端设置有金刚石刀具刀杆，另一端通过螺母（105）固定在原位激光辅助加工刀架单元的刀架座（104）内，压电陶瓷用作金刚石刀具偏转执行机构，在给予压电陶瓷大小相等且方向相反的电压时，压电陶瓷在逆压电效应作用下，自动产生位移而带动金刚石刀具按照预期发生偏转，

所述加工路径补偿模块为数控机床中具有路径规划和计算功能的部分，用于建立金刚石刀具圆弧中心与加工轨迹的关系，在金刚石刀具转动之后，计算金刚石刀具圆弧中心的移动距离，并将其作为补偿值改变金刚石刀具位置，保证转动所需偏转角度后金刚石刀具圆弧中心仍与原设定路径下金刚石刀具圆弧中心重合，

具体的，压电陶瓷（103）具有两块，两块压电陶瓷（103）均呈半圆筒状，两块压电陶瓷相对设置，嵌装在刀架座（104）内，形成类圆筒状，类圆筒状的压电陶瓷一端卡合在金刚石刀具刀杆上设置的台阶处，并与金刚石刀具的刀杆形成过盈配合以形成对金刚石刀具刀杆的咬紧，类圆筒状的压电陶瓷另一端位于刀架座（104）内，刀架座（104）端头处通过旋紧螺母（105）而对类圆筒状的压电陶瓷顶紧固定。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，加工路径补偿模块用于将计算所得的加工轨迹在X轴方向和Z轴方向分别的偏移量x、z补偿于加工轨迹中，保证转动所需偏转角度之后，仍按照原设定路径进行切削。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，加工路径补偿模块通过建立加工轨迹与金刚石刀具圆弧中心的位置关系，结合金刚石刀具转动角度与穿过金刚石刀具的激光光束折射角度的关系，得到加工过程任意时刻金刚石刀具所需偏转角度。