CN114700879B - 一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，在加工过程中结合视觉监测砂轮实际廓形线，通过间断式、自适应设计激光束扫描轨迹线，使得激光束每次沿轨迹线扫描时其离焦量保持恒定，实现恒离焦激光整形，解决了现有激光整形技术中离焦量大幅波动的难题，提高了成形砂轮激光整形效率。同时，在自适应设计激光扫描轨迹线过程中加入了切深验证算法，防止砂轮材料被激光束过量切除，保证了成形砂轮激光整形精度。

Description

一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法

技术领域

本发明属于激光修整技术领域，具体地说，涉及一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法。

背景技术

超硬磨料砂轮作为光学玻璃、硬质合金、陶瓷等材料磨削加工的工具，其磨削性能优异，但由于其硬度极高，结合剂把持力大，成形修整非常困难。

超硬磨料砂轮修整方法主要分为机械修整法、电火花修整法以及脉冲激光修整法等，激光修整法是利用高功率的短脉冲激光不断辐照运动旋转的砂轮表面，其表面材料被高能量的激光束所蒸发汽化去除，以使砂轮重新获得理想的微观形貌与宏观轮廓。

砂轮激光修整可分为整形与修锐两个阶段，整形时要求激光束高效地去除砂轮表面多余材料，获得一定的形状精度。修锐时要求激光束能选择性地去除砂轮表面的结合剂材料，留下磨粒并获得一定的出刃高度，才能让砂轮获得锋利的“刀尖”与足够的容屑空间。图1为圆弧形砂轮切向激光整形加工示意图，目前采用较多的是基于单层大切深、间断式进给的修整方法，即修整前先保证激光扫描轨迹线与砂轮整形后的理想廓形线重合，修整时激光束往复扫描并沿进给线间断式进给。由于激光高斯光束存在焦深特性，这种采用与砂轮理想廓形线完全相同的激光扫描轨迹线加工时，单次扫描内砂轮表面激光辐照光斑的高度位置与面积总是呈现出周期性的变化，单次扫描内激光辐照位置的离焦量发生改变、光斑能量密度发生变化、材料去除速率发生周期性变化，激光修整速率难以维持较高水平，修整效率低。

因此，针对成形砂轮激光修整，目前的方法难以做到恒离焦的高效率整形。

发明内容

本发明目的在于提供一种成形砂轮高效率激光整形的方法，以克服单次扫描内离焦量变化的影响，通过整形过程中自适应优化激光扫描轨迹的方法实现砂轮恒离焦激光整形，解决目前成形砂轮激光整形效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出了在加工过程中结合视觉监测砂轮实际廓形线，并在加工过程中通过间断地自适应设计激光束扫描轨迹线使得单次扫描内激光离焦量参数恒定，实现砂轮恒离焦激光整形，从而达到高效率修整的一种方法。具体为：

一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，包括以下步骤：

步骤1、建立基面坐标系：在水平面内建立砂轮基面坐标系xoy。

步骤2、获取砂轮实际廓形线：使用CCD相机在基面内采集砂轮实际廓形线截面图并获取基面内的实际廓形线各点坐标。

步骤3、建立激光扫描平面坐标系：建立与基面相平行的激光扫描平面xo′y坐标系，后续步骤中在该平面内拟合出激光扫描轨迹线。

步骤4、确定激光扫描轨迹点：计算处于激光扫描平面内所有激光扫描轨迹点的坐标值P_i′(x_i，y_i)，(i＝1，2，3...n)

步骤5、拟合激光扫描轨迹线：对激光扫描轨迹点P_i′(x_i，y_i)；(i＝1，2，3...n)，进行最小二乘法二次曲线拟合，获得激光扫描轨迹线1。得到用于单次恒离焦加工的激光扫描轨迹线。

步骤6、扫描轨迹线切深验证：为防止激光束过量切除材料，将基面内砂轮实际廓形线与理想廓形线进行对比，保留切深大于零的加工区段。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、高效率整形：本发明得到的激光扫描轨迹线，其轨迹线中各点在同一高度的平面内且均在当前砂轮的表面上，实现恒离焦高效率加工，提高了砂轮激光整形的速率。

2、自动化激光修整：本发明所提供的方法可实现砂轮激光整形过程中激光扫描轨迹线自适应优化，无需人工再次调整，实现自动化激光修整。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：

图1是圆弧形砂轮激光整形示意图。

图2是坐标系示意图，其中基面内的曲线m为砂轮实际廓形线；n为砂轮理想廓形线，即修整完成之后的砂轮廓形。

图3是扫描轨迹线示意图，其中实际廓形线m₁为过O′X轴的砂轮轴截面与砂轮表面的交线；m₂为m₁绕O′X轴旋转至xo′y面内所得曲线，其各点的横纵坐标与基面内砂轮实际廓形线m等同；1为激光扫描轨迹线，即激光扫描平面与砂轮表面的交线。

图4是激光扫描轨迹点坐标计算图

图5是激光扫描轨迹线拟合图，其中，1为激光扫描轨迹线。

图6是激光扫描轨迹线切深验证图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例所述一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，包括以下步骤：

步骤1、建立基面坐标系：如图2所示，以平行于水平面的砂轮轴截面为基面，在基面内建立基面坐标系xoy。

该步骤中xoy为基面内的平面直角坐标系，其中，O为基面内砂轮理想廓形线n上的径向距离最短点，OX轴平行于砂轮旋转轴线，O-xyz为空间直角坐标系，取竖直向上为Z轴正方向，远离砂轮中心的方向为Y轴正向。

步骤2、获取砂轮实际廓形线：使用CCD相机在基面内采集砂轮实际廓形线m的各点坐标P_o1′(x₁，y_m1)，P_o2′(x₂，y_m2)，P_o3′(x₃，y_m3)...P_on′(x_n，y_mn)；

步骤3、建立激光扫描平面坐标系：将OX轴沿Z轴正向平移，直至与砂轮实际廓形线m上的径向距离最短点相交，令平移后的O点为O′，以O′为原点，O′X为横轴在水平面内建立平面直角坐标系xo′y，设定此平面为激光扫描平面xo′y，后续步骤中在该平面内拟合出激光扫描轨迹线。

步骤4、确定激光扫描轨迹点：对于砂轮实际廓形线m₁上任意一点P，其在激光扫描平面x0′y内对应为激光扫描轨迹点P′。根据几何关系，确定并计算出激光扫描平面内P′点的坐标值。

该步骤中，关于激光扫描轨迹点的具体形成过程如下：

如图3所示，P点为在过O′X轴的砂轮轴截面内砂轮实际廓形线m₁上任意一点，过P点作砂轮回转轴线的垂线于垂足N(图4(a))并交o′x轴于点Q。

P点绕O′X轴旋转至xo′y面内于点P″，旋转角度为∠α

P点绕砂轮旋转轴旋转至xo′y面内于激光扫描轨迹点P′，旋转角度为∠θ

xo′y面内P′所构成的点集其拟合曲线即为当前高效率加工的激光扫描轨迹线1，也即激光扫描平面与砂轮表面的交线，其中各点在同一高度的平面内且均在当前砂轮的表面上，激光单次扫描时可保持恒离焦加工状态。

该步骤中，激光扫描轨迹点的坐标计算过程如下：

如图4，欲求xo′y面内激光扫描轨迹点P_i′(x_i，y_i)，(i＝1，2，3...n)的坐标，在砂轮未加工前可测量获得的基本条件有砂轮理想半径NQ_o为r、砂轮理想廓形线n上的各点坐标P_o1(x₁，y_n1)，P_o2(x₂，y_n2)，P_o3(x₃，y_n3)...P_on(x_n，y_nn)；并获得砂轮实际廓形线m上各点P_oi′(x_i，y_oi)，(i＝1，2，3...n)坐标及m上径向距离最短点P_min(x_min，y_mmin)。

结合图4(a)与图5(b)计算点P_min的砂轮径向距离NQ

NQ＝r+y_mmin

激光扫描轨迹点P_i′(x_i，y_i)的径向距离R_i为

R_i＝NP_i′＝NP_oi′＝r+y_oi

进一步的，计算圆弧P_iP_oi′对应圆心角α_i

如图4(b)，过P′作QQ_o的平行线交圆弧于点M

P′M＝2QQ_o

圆心角∠P′NM：

QP_i′＝(r+y_mmin)²+(r+y_oi)²-2(r+y_mmin)·(r+y_oi)cosθ_i

激光扫描轨迹点的坐标即为P_i′(x_i，QP_i′)，(i＝1，2，3...n)。

步骤5、拟合激光扫描轨迹线：重复步骤4获取xo′y面所有激光扫描轨迹点坐标P_i′(x_i，y_i)；(i＝1，2，3...n)，采用最小二乘法拟合二次曲线，获得激光扫描轨迹线l如图5(a)所示。得到用于单次恒离焦加工的激光扫描轨迹线。

该步骤中，最小二乘法拟合激光扫描轨迹线计算如下：

设待求函数的线性组合为g(x)＝a₀+a₁x+a₂x²

假设已经测出所有激光扫描轨迹点坐标数据

P₁′(x₁，y₁)，P₂′(x₂，y₂)，P₃′(x₃，y₃)...P_n′(x_n，y_n)，则可计算

计算解得a₀，a₁，a₂的值，也即得到了激光扫描轨迹线l的曲线方程g(x)＝a₀+a₁x+a₂x²

步骤6、扫描轨迹线切深验证：为防止加工完成的表面被激光束过多切除，需加入扫描轨迹线切深验证以确保激光束加工时砂轮材料具有足够的加工余量，将基面内砂轮实际廓形线与理想廓形线进行对比，保留切削深度大于零的加工区段进行高效率加工。

如图6(b)所示为步骤3加工过程中某次进行基面内测量获取到的轮廓曲线图，此时砂轮实际廓形线的最低点为P_min(即当前砂轮表面最低点)在最右端，且X₁-X₂段砂轮实际廓形线与理想廓形线重合，该段内已加工完成，切深为零，要求激光束扫描时X₁-X₂段内不出光，其余段保持高效率加工。

验证判断(切深判断)：

当

成立时，该点已加工完成，该激光扫描点P_i′失效。经验证X₁-X₂内激光扫描点均失效，最终得到扫描轨迹线如图6(a)所示完成扫描轨迹线切深验证。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立基面坐标系：以平行于水平面的砂轮轴截面为基面，在基面内建立基面坐标系xoy；

该步骤中xoy为基面内的平面直角坐标系，其中，O为基面内砂轮理想廓形线n上的径向距离最短点，OX轴平行于砂轮旋转轴线，O-xyz为空间直角坐标系，取竖直向上为Z轴正方向，远离砂轮中心的方向为Y轴正向；

步骤2、获取砂轮实际廓形线：使用CCD相机在基面内采集砂轮实际廓形线截面图并获取基面内的实际廓形线各点坐标；

步骤3、建立激光扫描平面坐标系：将OX轴沿Z轴正向平移，直至与砂轮实际廓形线m上的径向距离最短点相交，令平移后的O点为O'，以O'为原点，O'X为横轴在水平面内建立平面直角坐标系xo'y，设定此平面为激光扫描平面xo'y，后续步骤中在该平面内拟合出激光扫描轨迹线；

步骤4、确定激光扫描轨迹点：对于砂轮实际廓形线m₁上任意一点P，其在激光扫描平面xo'y内对应为激光扫描轨迹点P'，确定并计算出激光扫描平面内P'点的坐标值，计算过程如下：

砂轮未加工前可测量获得的基本条件有砂轮理想半径NQ_o为r、砂轮理想廓形线n上的各点坐标P_o1(x₁,y_n1)，P_o2(x₂,y_n2)，P_o3(x₃,y_n3)...P_on(x_n,y_nn)；并获得砂轮实际廓形线m上各点P_oi'(x_i,y_oi)，(i＝1,2,3...n)坐标及砂轮实际廓形线m上径向距离最短点P_min(x_min,y_mmin)；

计算点P_min的砂轮径向距离NQ

NQ＝r+y_mmin

激光扫描轨迹点P_i'(x_i,y_i)的径向距离R_i为

R_i＝NP_i'＝NP_oi'＝r+y_oi

计算圆弧P_iP_oi'对应圆心角α_i

过P'作QQ_o的平行线交圆弧于点M

P'M＝2QQ_o

圆心角∠P'NM：

P点绕砂轮旋转轴旋转至xo′y面内于激光扫描轨迹点P′，旋转角度为∠θ：

QP_i'＝(r+y_mmin)²+(r+y_oi)²-2(r+y_mmin)·(r+y_oi)cosθ_i

激光扫描轨迹点的坐标即为P_i'(x_i,QP_i')，(i＝1,2,3...n)；

步骤5、拟合激光扫描轨迹线：重复步骤4获取xo'y面所有激光扫描轨迹点坐标P_i'(x_i,y_i)；(i＝1,2,3...n)，采用最小二乘法拟合二次曲线，获得激光扫描轨迹线l，得到用于单次恒离焦加工的激光扫描轨迹线；

步骤6、扫描轨迹线切深验证：为防止激光束过量切除材料，需加入扫描轨迹线验证，将基面内砂轮实际廓形线与理想廓形线进行对比，保留切削深度大于零的加工区段进行高效率加工。

2.根据权利要求1所述一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤2中，获取砂轮实际廓形线具体过程：使用CCD相机在基面内采集砂轮实际廓形线m的各点坐标P_o1'(x₁,y_m1)，P_o2'(x₂,y_m2)，P_o3'(x₃,y_m3)...P_on'(x_n,y_mn)。

3.根据权利要求1所述一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤5中，采用最小二乘法拟合得到激光扫描轨迹线l的曲线方程为：

g(x)＝a₀+a₁x+a₂x²。

4.根据权利要求1所述一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤6中，验证条件为：

当

成立时，该点已加工完成，该激光扫描点P'失效。

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