CN116393830A - 一种基于变焦仿形进给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变焦仿形进给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、自适应设计激光束相对进给量，使得激光束在横向扫描的同时，仿照砂轮理想廓形线进行竖直方向上的往复相对进给，实现了超硬磨料砂轮激光整形过程中刀尖(焦点)对材料的剥削去除，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；同时明确了砂轮激光修整过程中的切深‑进给关系，在不改变水平方向上激光束扫描轨迹的同时，达到激光束焦点与砂轮理想廓形线始终相贴合的目的，不会出现材料过量切除的情况，不会引入视觉测量误差与单次过量切除误差，保证了成形砂轮激光修整的超精密加工要求。

Description

一种基于变焦仿形进给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，涉及一种基于变焦仿形进给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(a)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相贴合，修整时激光束在水平面内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。

此外，对于本人前述提出的一种基于恒离焦控制的成形砂轮激光高效整形方法，虽大幅提高了激光整形效率，但在加工精度上，一方面，切深验证将会引入视觉测量误差，另一方面，因加工过程中经自适应设计水平方向上的激光扫描轨迹线无法保证与砂轮理想廓形线相贴合，使得在单次扫描加工过程中因存在激光束焦深能量特性的因素导致砂轮材料被过量切除的可能，即加工过程中实际切深是非连续变化的，切深验证只能防止对砂轮表面的第二次过量切除扫描，将会引入单次过量切除误差，未能达到与传统单层大切深、间断式进给的修整方法相同的超高整形精度。

因此，针对成形砂轮激光修整，目前的方法难以达到恒离焦、高效率、超精密加工。

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设计激光束相对进给量的方法实现砂轮恒离焦高效激光整形，解决目前成形砂轮激光整形效率低的技术问题。并且，由于激光束扫描轨迹采用了与砂轮理想廓形线相贴合的加工方式，在加工过程中不改变水平方向上的激光束扫描轨迹，令加工过程不存在因激光束焦深能量特性等因素导致砂轮材料被过量切除的可能，极大地保证了成形砂轮超高精度激光整形。

为实现上述目的，如图1(b)所示，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相对进给量，使得激光束在横向扫描的同时仿砂轮表面竖直方向相对进给，使激光辐照光斑始终保持高能量密度的状态与砂轮材料相互作用，实现了超硬磨料砂轮激光整形过程中刀尖(焦点)对材料的剥削去除，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。具体为：

一种基于变焦仿形进给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、计算激光束焦点的剩余进给量：计算所有光斑(焦点)扫描轨迹点P_i(x_i,y_i,z_i)，(i＝1,2,3...n)所对应的剩余进给量z_i(i＝1,2,3...n)；

步骤4、拟合激光束相对进给函数：对所有焦点扫描轨迹点所对应的剩余进给量z_i(i＝1,2,3...n)进行最小二乘法二次曲线拟合，获得相对进给函数s，得到单次扫描加工的激光束的相对进给量dz_i(i＝1,2,3...n)。

步骤5、免进给切深对刀：基于步骤3中提出的切深进给关系，进行免激光束进给的砂轮竖直方向上的切深对刀。

步骤6、砂轮高点精准靶向去除：基于步骤3中提出的切深进给关系，在砂轮激光修整过程中针对表面轮廓高点进行靶向精准去除。

本发明在加工过程中结合视觉监测砂轮实际廓形线，通过间断式、自适应设计激光束相对进给量，使得激光束在横向扫描的同时，仿照砂轮理想廓形线进行竖直方向上的往复相对进给，实现了超硬磨料砂轮激光整形过程中刀尖(焦点)对材料的剥削去除，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。本发明明确了砂轮激光修整过程中的切深-进给关系，使得在不改变水平方向上激光束扫描轨迹的同时，达到激光束焦点与砂轮理想廓形线始终相贴合的目的，因此不会出现材料过量切除的情况，不会引入视觉测量误差与单次过量切除误差，极大地保证了成形砂轮激光修整的超精密加工要求。此外，本方法提出免进给切深对刀、砂轮高点精准靶向去除等辅助方法优化加工过程，提高了成形砂轮激光整形的效率与轮廓精度。

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：本发明在加工过程中通过间断地自适应设计激光束相对进给量，使得激光束在横向扫描的同时仿砂轮表面竖直方向相对进给，使激光辐照光斑始终保持高能量密度的状态与砂轮材料相互作用，实现了超硬磨料砂轮激光整形过程中刀尖(焦点)对材料的剥削去除，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。

2、超精密加工：激光束扫描轨迹采用了与砂轮理想廓形线始终相贴合的加工方式，令加工过程中不存在因激光束焦深能量特性等因素导致砂轮材料被过量切除的可能，不会引入视觉测量误差与单次过量切除误差，极大地保证了成形砂轮超高精度激光整形。

3、优化加工过程：明确了砂轮激光修整过程中的切深-进给关系，并以此为基础提出免进给切深对刀、砂轮高点精准靶向去除等辅助方法优化加工过程，提高了成形砂轮激光整形的效率与精度。同时，通过砂轮高点精准靶向去除的方法，可对砂轮表面未知难加工区域所产生的高点进行精准再去除，增强了修整过程的容错能力。

4、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束相对进给的自适应优化，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是传统整形方法与变焦仿形进给法的加工效果对比示意图；(a)为传统整形方法示意图，(b)为本发明变焦仿形进给法示意图。

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是激光束相对进给示意图，其中光斑(焦点)扫描轨迹为基面内的砂轮实际廓形线n沿Z轴正向投影至砂轮表面的曲线；激光束相对进给函数是焦点扫描轨迹在切削平面(xoz平面)内的投影；相对进给量是指激光束横向扫描时各焦点位置相对于扫描起点的焦点位置剩余进给量之差dz。

图4是激光束焦点剩余进给量计算图。

图5是相对进给函数拟合图。其中曲线m为基面内的砂轮实际廓形线；n为砂轮理想廓形线，即修整完成之后的砂轮廓形；s为单次扫描内激光束焦点的相对进给函数，P₀'为相对进给函数的起点，也是焦点扫描轨迹线的起点。

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。

实施例1

如图1至图5所示，本实施例所述一种基于变焦仿形进给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Q₁”(x₁,y₁)，Q₂”(x₂,y_m2)，Q₃”(x₃,y_m3)...Q_i”(x_n,y_mn)；

步骤3、计算激光束焦点的剩余进给量：如图3所示，对于激光束焦点扫描轨迹线上的任意一点P，其激光束焦点的剩余进给量为PQ，其在切削平面xoz内的投影为P'。根据几何关系，确定并计算出激光束焦点的剩余进给量PQ。

该步骤中，剩余进给量PQ的具体计算过程如下：

如图4所示，欲求剩余进给量PQ，对于任意的激光束焦点扫描轨迹点P_i(x_i,y_i)，(i＝1,2,3...n)，即求该点的坐标值z_i(x_i,y_i)，(i＝0,1,2,3...n)。在砂轮未加工前可由测量与设计获得的基本条件有砂轮理想半径NQ'为r₀、砂轮理想廓形线n上的各点坐标Q₁(x₁,y_n1)，Q₂(x₂,y_n2)，Q₃(x₃,y_n3)...Q_n(x_n,y_nn)；并由步骤2已获得砂轮实际廓形线m上各点坐标Q₁”(x₁,y_m1)，Q₂”(x₂,y_m2)，Q₃”(x₃,y_m3)...Q_n”(x_n,y_mn)。

计算砂轮理想旋转半径：

如图4所示，Q_i到砂轮轴线的距离NQ_i，即砂轮理想径向距离(理想旋转半径)r_i为

r_i＝NQ_i＝r₀+y_ni

进一步的，计算砂轮旋转半径：

Q_i”到砂轮轴线的距离NQ_i”，即砂轮径向距离(旋转半径)R_i为

R_i＝NP_i＝NQ_i”＝r₀+y_mi

激光束焦点扫描轨迹点P_i的剩余切深QQ”即p_i为

p_i＝R_i-r_i

其剩余进给量PQ即z_i为

可见，对于砂轮表面任意加工位置，其剩余进给量z_i与剩余切深p_i存在如下关系：

将该式命名为切深-进给关系式，不难看出，当剩余切深为零时，剩余进给量也为零，此时激光束进给完成，加工结束。同时，基于切深-进给关系，可进一步优化超硬磨料砂轮激光修整加工过程，详见步骤5与步骤6。

至此，该步骤已求出所有激光束焦点扫描轨迹点P_i所对应的剩余进给量z_i与相对进给量dz_i，则P_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,3,...,n)对应在切削平面内投影的点集为P_i'(x_i,0,z_i),(i＝1,2,3,...,n)。

步骤4、拟合激光束相对进给函数：重复步骤3获得所有焦点扫描轨迹点所对应的剩余进给量z_i(i＝1,2,3...n)进行最小二乘法二次曲线拟合，获得相对进给函数s，得到单次扫描加工的激光束的相对进给量dz_i(i＝1,2,3...n)。

该步骤中，最小二乘法拟合相对进给函数s的计算如下：

设待求函数的线性组合为z(x)＝a₀+a₁x+a₂x²

假设在步骤3中已经测出所有激光束焦点扫描轨迹点所对应的在切削平面内投影的点集为P_i'(x_i,0,z_i),(i＝0,1,2,3,...,n)。则可计算

计算解得a₀，a₁，a₂的值，也即得到了单次扫描内的相对进给函数s曲线方程z(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，单次扫描加工时各点处激光束的相对进给量为

dz_i＝z_i-z₀

其中，z₀为激光束焦点扫描轨迹点P₀'(0,0,z₀)的剩余进给量如图5所示。

步骤5、免进给切深对刀：

基于步骤3中提出的切深进给关系，提出一种免激光束进给的砂轮竖直方向上的切深对刀法。该方法由以下几个步骤构成：

步骤(1)、将激光束焦点平面在竖直方向内调整设定至与电机主轴(砂轮旋转中心)同高度处。

步骤(2)、运用试切法进行砂轮切向对刀，调整激光束焦点恰好切至砂轮切向表面。

步骤(3)、如图5所示，使用CCD相机在基面内采集并获得砂轮实际廓形线m上起始轮廓点Q₀”(0,y₀,0)，则该点加工初始切深为

p_初始＝y⁰

步骤(4)、调整激光束高度上升至初始进给量位置

对刀完成

步骤6、砂轮高点精准靶向去除：

基于步骤3中提出的切深进给关系，提出一种砂轮激光修整过程中针对表面轮廓高点的靶向精准去除方法。该方法由以下几个步骤构成：

步骤(1)、使用CCD相机在基面内采集并获得砂轮实际廓形线m上凸出的高点(难加工点)Q_高”(0,y_高,0)，则该点切深为

p_高＝y_高

步骤(2)、调整激光束高度上升至高点剩余进给量位置

至此，激光束焦点的高点靶向位置已确定。

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 (5)

1.一种基于变焦仿形进给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：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、计算激光束焦点的剩余进给量：计算所有光斑(焦点)扫描轨迹点P_i(x_i,y_i,z_i)，(i＝1,2,3...n)所对应的剩余进给量z_i(i＝1,2,3...n)；

步骤4、拟合激光束相对进给函数：重复步骤3获得所有焦点扫描轨迹点所对应的剩余进给量z_i(i＝1,2,3...n)进行最小二乘法二次曲线拟合，获得相对进给函数s，得到单次扫描加工的激光束的相对进给量dz_i(i＝1,2,3...n)；

步骤5、免进给切深对刀：基于步骤3中提出的切深进给关系，进行免激光束进给的砂轮竖直方向上的切深对刀；

步骤6、砂轮高点精准靶向去除：基于步骤3中提出的切深进给关系，在砂轮激光修整过程中针对表面轮廓高点进行靶向精准去除。

2.根据权利要求1所述一种基于变焦仿形进给控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤3中，剩余进给量PQ即z_i的计算式如下：

3.根据权利要求1所述一种基于变焦仿形进给控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤3中，对于砂轮表面任意加工位置，其剩余进给量z_i与剩余切深p_i存在如下关系：

4.根据权利要求1所述一种基于变焦仿形进给控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤5中，免进给切深对刀由以下几个步骤构成：

步骤(51)、将激光束焦点平面在竖直方向内调整设定至与电机主轴(砂轮旋转中心)同高度处；

步骤(52)、运用试切法进行砂轮切向对刀，调整激光束焦点恰好切至砂轮切向表面；

步骤(53)、使用CCD相机在基面内采集并获得砂轮实际廓形线m上起始轮廓点Q₀”(0,y₀,0)，则该点加工初始切深为p初始＝y⁰；

步骤(54)、调整激光束高度上升至初始进给量位置

对刀完成。

5.根据权利要求1所述一种基于变焦仿形进给控制的成形砂轮激光高效整形方法，其特征在于，步骤6中，砂轮高点精准靶向去除由以下几个步骤构成：

步骤(61)、使用CCD相机在基面内采集并获得砂轮实际廓形线m上凸出的高点(难加工点)Q高”(0,y高,0)，则该点切深为p高＝y高；

步骤(62)、调整激光束高度上升至高点剩余进给量位置

至此，激光束焦点的高点靶向位置已确定。

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