CN1904085A - 激光淬火时光斑位姿的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种激光淬火时光斑位姿的控制方法，基于矩形光斑沿工件表面扫描时其位姿满足三个条件：矩形光斑中心在工件淬火平面扫描出预定曲线(即轨迹条件)，扫描时的相对切向线速度大小不变(即匀速条件)，扫描时矩形光斑的长度方向始终沿预定曲线各点处的法线方向(即方向条件)。为满足上述三个技术条件所采用的技术方案是通过控制工件随同激光机床运动时沿x₀、y₀轴的位移量x₀、y₀，和绕铅垂轴A转动角位移量φ，及三轴联动时的同步速度v_l，实现对矩形光斑位姿的有效控制。本发明提供的激光矩形光斑沿工件平面上任意光滑曲线实现预期位姿的控制方法，解决和填补了目前激光淬火技术中的困难和空白，极大地拓展和提高了激光淬火技术的应用范围和工件的激光淬火质量。

Description

激光淬火时光斑位姿的控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光淬火时，矩形光斑沿平面曲线的扫描位置和姿态(简称位姿)控制方法。

背景技术

激光淬火涉及到的主要设备有：激光器、能产生矩形激光光斑的导光系统、能沿铅垂轴z₀作轴向调整的激光加工头、工件运动系统(也称激光加工机床)和可对交流伺服电机进行控制的数控系统。

其中，激光加工机床由相对机座分别可沿x₀、y₀轴(两轴垂直)移动的上、下工作台及可绕铅垂轴A转动的回转工作台等组成。转台的转动部分备有三爪或四爪卡盘，用于夹紧工件并使工件绕A轴转动。三轴(x₀、y₀和A)的运动由三个交流伺服电机驱动，x₀、y₀和A轴组成一个右手坐标系，A轴与z₀轴平行且正向一致。工件的淬火平面与z₀轴或A轴垂直，工件可同时作三个运动：沿x₀、y₀轴的移动和绕A轴的转动。

激光淬火时，工件淬火平面与激光照射方向(-z₀方向)相垂直，激光矩形光斑静止不动，矩形光斑的长度方向始终沿y₀方向。当机床带着工件运动时，激光束就在工件表面扫描出淬火带。这等同于工件不动，激光束沿工件表面扫描。例如，当机床带着工件仅沿一轴(x₀轴或y₀轴)移动时，就扫描出直线状的淬火带；当仅绕A轴转动时，则扫描出以A轴为中心的圆形淬火带。目前的激光淬火技术中，只能进行矩形光斑沿上述简单的圆或直线的扫描位姿控制。

在2005年6月前，申请者以“激光淬火”为主题词在万方数据资源系统上进行了查新、专利和论文检索，检索结果如下：

1.查新检索

共检索到23项国内最新科技成果。其中，没有一项与本专利技术相近的科技成果。

2.专利检索

共检索到7项发明专利。其中，没有一项与本专利技术相近的发明专利。

3.论文检索

共检索到134篇有关论文。其中，没有一项与本专利技术相近的论文。申请者也没有看到与本专利技术相近或相同的国外文献。

发明内容

本发明的目的是为了解决和填补激光淬火技术中的困难和空白，提供一种激光淬火时，使矩形光斑沿工件平面上任意光滑曲线能实现预期位姿的控制方法。矩形光斑的预期位姿要满足三个技术条件：矩形光斑的中心在工件淬火平面扫描出预定曲线，即轨迹条件；矩形光斑中心沿预定曲线扫描时的相对切向线速度大小不变，即匀速条件；矩形光斑的长度方向始终沿预定曲线各点处的法线方向，即方向条件。只有这样，在矩形光斑内激光功率密度均匀分布等前提下，才可加工得到淬火层深度不变和宽度不变的高质量的预定曲线淬火带。

要满足上述矩形光斑相对工件沿平面曲线位姿控制的三个条件，我们所采用的技术方案是：通过控制工件随同激光加工机床运动时沿x₀、y₀轴的位移量x₀、y₀和绕铅垂直轴A转动的角位移量，以及三轴联动时的同步移动速度v，进行矩形光斑扫描位姿的有效控制。

设在与工件淬火平面相固联的xoy坐标系中，淬火曲线l的参数方程为

$\left\{\begin{array}{c}x=x\left(\mathrm{\θ}\right)\\ y=y\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.,{\mathrm{\θ}}_0\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_e$

其中，θ₀和θ_e分别是激光淬火的起光点M₀和终光点M_e的参数值。

在开始加工时，矩形光斑中心位于起光点M₀处，激光加工机床的三轴位移量设为零，则当矩形光斑中心扫描至淬火曲线l上任意点M且满足上述轨迹条件和方向条件时，激光机床的三轴位移量x₀、y₀和可按由申请者发现的以下三式计算。

A轴的角位移

上工作台沿x₀轴的线位移

x₀＝c₁cos(α₀+)-c₂sin(α₀+)                       (2)

下工作台沿y₀轴的线位移

y₀＝c₁sin(α₀+)+c₂cos(α₀+)                       (3)

式中，(n_0x，n_0y)和(n_x，n_y)分别是淬火曲线l在起光点M₀和任一点M处的法矢 和在坐标系xoy中的坐标；

c₁＝O_0xcos+O_0ysin-x(θ)

c₂＝-O_0xsin+O_0ycos-y(θ)

其中，O_x＝x(θ₀)，O_0y＝y(θ₀)为起光点M₀在坐标系xoy中的坐标；α₀是淬火曲线l在起光点M₀处的法矢

与y轴正向的夹角。

为满足匀速扫描条件，应控制三轴联动时的同步移动速度v_i。v_i可按下列方法推算。首先计算从起光点M₀到终光点M_e的淬火曲线l的长度S_∑，根据激光功率、淬火硬度及淬火层深等确定矩形光斑中心相对工件沿淬火曲线扫描时的线速度v(简称淬火速度)，根据沿淬火曲线扫描的精度要求等将整个淬火曲线分成各段弧长都相等的n段(简称n为淬火分段数)，得分点M₀，M_i，...，M_n＝M_e；则每个子段的弧长ΔS＝S_∑/n，扫描每个子段的时间为Δt＝ΔS/v。由上述式(1)～式(3)计算出扫描到任一分点M_i+1时的三轴位移量x_i+1、y_i+1和_i+1及从M_i点扫描到M_i+1点时的三轴位移增量Δx_i＝x_i+1-x_i，Δy_i＝y_i+1-y_i，Δ_i＝_i+1-_i，则三轴联动时从M_i点扫描到M_i+1点过程中需控制的同步移动速度 $v_i=\sqrt{\mathrm{\Δ}{x}_i^2+{\mathrm{\Δy}}_i^2}/\mathrm{\Δt}(i=\mathrm{0,1},...,n-1).$

事实上，对于实现矩形光斑沿圆或直线的位姿控制是件容易的事。困难的是：对于任意的连续光滑平面曲线，也要实现矩形光斑满足上述三个条件(即矩形光斑中心扫描出预定曲线、匀速扫描、矩形光斑的长度方向与预定曲线各点的法线方向平行)的位姿控制。本发明从理论上和实践上成功地解决了这个困难问题，填补激光淬火技术中的空白。

附图说明

图1是本发明激光淬火时光斑位姿控制方法操作流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的方法。

如图1所示，本发明方法的具体实施步骤是：

1、三轴位移增量Δx_i、Δy_i、Δ_i和同步移动速度v_i计算；

2、数字化编程；

3、准备工作；

4、淬火操作，执行控制程序；

流程的第1步三轴位移增量和同步移动速度的计算过程是：

1)在工件坐标系xoy中写出淬火曲线的参数方程；

2)根据淬火要求、连续淬火等要求确定起光点M₀和终光点M_e，计算起光点M₀的坐标(O_0x，O_0y)，法矢

的坐标(n_0x，n_0y)，

与y轴正向的夹角α₀并计算M₀到M_e的淬火曲线总长S_∑；

3)根据激光功率、淬火硬度及淬火层深等确定淬火速度v，根据沿淬火曲线扫描的精度要求等确定淬火分段数n，得分点M₀，M_i，...，M_n＝M_e，计算每个子段的扫描时间Δt；

4)由式(1)～式(3)，计算由起光点M₀扫描到任一分点M_i+1时的三轴位移量x_i+1、y_i+1和_i+1，以及从M_i点扫描到M_i+1点激光机床三轴的位移增量Δx_i＝x_i+1-x_i，Δy_i＝y_i+1-y_i，Δ_i＝_i+1-_i和三轴联动时的同步移动速度 $v_i=\sqrt{\mathrm{\Δ}{x}_i^2+{\mathrm{\Δy}}_i^2}/\mathrm{\Δt};$ 并将Δx_i、Δy_i、Δ_i和v_i的值存储在一个二维数组中

(i＝0，1，...，n-1)；

流程的第2步数字化编程过程是：

根据上述计算结果、G代码的专用语言、规定格式和数控系统的设置等，以文本形式输出Δx_i、Δy_i、Δ_i和v_i(i＝0，1，...，n-1)，自动生成G代码数控程序。

整个计算和程序编制可用高级语言在计算机上进行离线编程。生成的G代码控制程序中，不需调用G代码中的任何内部函数，不作任何计算，直接执行数字结果，从而可实现对工件复杂运动的实时控制。这种编程方法称为数字化编程法。

流程的第3步准备工作的内容是：

1)通过RS232接口将数控程序送入激光加工机床数控系统的内存中；在工件的淬火平面上标注工件坐标系xoy和起光点M₀的位置；

2)工件安装

将工件用转台上的卡盘夹紧，保证工件坐标系xoy的原点在转台轴线A上，工件淬火平面(即xoy平面)与激光束轴线z₀相垂直；

3)起光位置的设定

转动转台，使工件坐标系xoy的x轴与机床的x₀轴平行且指向一致；再令转台绕其轴线转α₀角度，使起光点M₀的法矢 与机床的y₀轴平行；最后将矩形光斑中心移动到起光点M₀处；

流程的第4步淬火操作执行控制程序

在激光器准备好后，执行控制程序，就可使矩形光斑相对工件沿平面上任意光滑曲线进行扫描位姿的有效控制，完成整个激光淬火过程。

实施例

下面以椭圆淬火曲线为例，阐明上述三轴位移增量和同步移动速度的确定和数字化编程的结果。

设椭圆的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=a\cos \mathrm{\θ}+c\\ y=b\sin \mathrm{\θ}+d\end{array}\right.,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π}$

其中，取长半轴a＝110.0mm，短半轴b＝80.0mm，椭圆中心坐标c＝50.0mm，d＝20.0mm。

取定起光点M₀：θ₀＝0，终光点M_e：θ_e＝2π，分段数n＝200，扫描速度v＝900mm/min，S_∑＝600.629mm，ΔS＝3.003mm，Δt＝0.2002s。

根据上述数字化编程过程，先用Fortran语言计算得上述椭圆曲线的位移量，见表1结果。其中，第2列为参数θ的值，第3、第4列为椭圆上各分点的坐标值(x，y)，第5列为激光机床沿x₀轴的位移量，第6列为沿y₀轴的位移量，第7列为A轴的角位移。然后根据表1的三轴位移量，计算三轴位移增量Δx_i、Δy_i、Δ_i和三轴联动时的同步移动速度v_i，并将Δx_i、Δy_i、Δ_i和v_i的值存储在一个二维数组中(i＝0，1，...，n-1)。

表2是用计算机自动生成的上述椭圆曲线的G代码控制程序：ELLIP；X、Y、A后面的数字为相应点M_i+1的位移增量Δx_i、Δy_i和Δ_i的值，F后面的数字为实际需控制的同步移动速度v_i(i＝0，1，...，n-1)。

表1

I	O	X	Y	XO	YO	PH
							0	.00000D+00	.16000D+03	.20000D+02	.00000D+00	.00000D+00	.00000D+00
1	.21508D+01	.15992D+03	.23002D+02	-.52757D+01	-.89597D+00	-.29562D+01
							2	.43003D+01	.15969D+03	.25999D+02	-.10563D+02	-.15174D+01	-.59031D+01
3	.64458D+01	.15930D+03	.28981D+02	-.15816D+02	-.18653D+01	-.88300D+01
							4	.85847D+01	.15877D+03	.31942D+02	.20993D+02	-.19458D+01	-.11727D+02
5	.10715D+02	.15808D+03	.34873D+02	-.26053D+02	-.17699D+01	-.14583D+02
							6	.12833D+02	.15725D+03	.37769D+02	-.30961D+02	-.13525D+01	-.17392D+02
7	.14938D+02	.15628D+03	.40622D+02	-.35686D+02	-.71193D+00	-.20145D+02
							8	.17028D+02	.15518D+03	.43427D+02	-.40202D+02	.13151D+00	-.22837D+02
9	.19101D+02	.15394D+03	.46179D+02	-.44489D+02	.11560D+01	-.25462D+02
							10	.21156D+02	.15259D+03	.48873D+02	-.48533D+02	.23392D+01	-.28018D+02
…	…	…	…	…	…	…
							191	.34099D+03	.15400D+03	-.60536D+01	.40448D+02	.18227D+02	-.33466D+03
192	.34305D+03	.15522D+03	-.33233D+01	.36929D+02	.15557D+02	-.33726D+03
							193	.34512D+03	.15631D+03	-.53882D+00	.33122D+02	.12990D+02	-.33994D+03
194	.34721D+03	.15727D+03	.22951D+01	.29039D+02	.10551D+02	-.34267D+03
							195	.34932D+03	.15809D+03	.51732D+01	.24693D+02	.82664D+01	-.34546D+03
196	.35144D+03	.15877D+03	.80897D+01	.20108D+02	.61624D+01	-.34830D+03
							197	.35357D+03	.15931D+03	.11038D+02	.15311D+02	.42633D+01	-.35119D+03
198	.35571D+03	.15969D+03	.14011D+02	.10334D+02	.25912D+01	-.35411D+03
							199	.35785D+03	.15992D+03	.17002D+02	.52148D+01	.11650D+01	-.35705D+03
200	.36000D+03	.16000D+03	.20000D+02	.17871D-13	.48989D-14	-.36000D+03

表2

％_N_ELLIP1_MPR

；$PATH＝/_N_MPF_DIR

N 5 G1 G91 G64

N 8 M7 M20

N 11 X-5.27571 Y  -.89597 A-2.956174 F1603.6937

N 12 X-5.28701 Y  -.62143 A-2.946944 F1595.3486

N 13 X-5.25347 Y  -.34787 A-2.926885 F1577.8385

N 14 X-5.17689 Y  -.08051 A-2.896549 F1551.6281

N 15 X-5.06035 Y   .17591 A-2.856758 F1517.4332

N 16 X-4.90802 Y   .41734 A-2.808546 F1476.1720

N 17 X-4.72478 Y   .64060 A-2.753098 F1428.9063

N 18 X-4.51599 Y   .84344 A-2.691679 F1376.7797

N 19 X-4.28710 Y  1.02447 A-2.625575 F1320.9589

N 20 X-4.04346 Y  1.18320 A-2.556036 F1262.5831

…   …        …         …         …

N202 X-3.51884 Y-2.66978 A-2.605688 F1323.7142

N203 X-3.80660 Y-2.56723 A-2.672366 F1375.9750

N204 X-4.08394 Y-2.43890 A-2.734853 F1425.5346

N205 X-4.34536 Y-2.28435 A-2.791895 F1471.2226

N206 X-4.58511 Y-2.10396 A-2.842228 F1511.8534

N207 X-4.79746 Y-1.89909 A-2.884640 F1546.2797

N208 X-4.97697 Y-1.67208 A-2.918032 F1573.4528

N209 X-5.11885 Y-1.42627 A-2.941489 F1592.4834

N210 X-5.21475 Y-1.16497 A-2.951772 F1601.3110

N220 M21 M9

N999 M2

Claims (5)

1、一种激光淬火时光斑位姿的控制方法，其特征在于矩形光斑的预期扫描位姿要满足三个技术条件：

矩形光斑的中心在工件淬光平面扫描出预定曲线，即轨迹条件；矩形光斑中心沿预定曲线的相对切向线速度大小不变，即匀速条件；矩形光斑的长度方向始终沿预定曲线各点处的法线方向，即方向条件。

2、根据权利要求1所述的激光淬火时光斑位姿的控制方法，其特征在于具体步骤是：

(1)三轴位移增量Δx_i、Δy_i、Δ_i和同步移动速度v_i计算；

(2)数字化编程；

(3)准备工作；

(4)淬火操作，执行控制程序。

3、根据权利要求1、2所述的激光淬火时光斑位姿的控制方法，其特征在于所说的三轴位移增量Δx_i、Δy_i、Δ_i和同步移动速度v_i的计算过程是：

(1)在工件坐标系xoy中写出淬火曲线的参数方程；

(2)确定淬火曲线起点、终点坐标，计算起光点的法矢 与y轴的正向夹角α₀，计算淬火曲线总长S_∑；

(3)确定淬火速度v和淬火分段数n，计算每个扫描子段的时间Δt；

(4)计算起光点M₀扫描到任一分点M_i+1的三轴位移量，以及从M_i点扫描到M_i+1点的三轴位移增量Δx_i＝x_i+1-x_i，Δy_i＝y_i+1-y_i，Δ_i＝_i+1-_i和三轴联动时同步移动速度 $v_i=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_i^2+{\mathrm{\Δy}}_i^2}/\mathrm{\Δt};$ 并将三轴位移增量和同步移动速度的值存储在一个二维数组中。

4.根据权利要求1、2所述的激光淬火时光斑位姿的控制方法，其特征在于数字化编程过程是：根据三轴位移增量Δx_i、Δy_i、Δ_i和同步移动速度v_i的计算结果，G代码的专用语言、规定格式和数控系统的设置，以文本形式输出Δx_i、Δy_i、Δ_i和vi(i＝0，1，...，n-1)，自动生成G代码数控程序。

5.根据权利要求1、2所述的激光淬火时光斑位姿的控制方法，其特征在于所说的的准备工作包括：

(1)工件安装——将工件用转台的卡盘夹紧，保证工件坐标系xoy的原点在转台轴线A上，工件淬火平面(即xoy平面)与激光束轴线z_o相垂直；

(2)起光位置的设定——转动转台，使工件坐标系xoy的x轴与机床的x_o轴平行且指向一致，再令转台绕其轴线转α₀角度，使起光点M₀的法矢

与机床的y₀轴平行；最后将矩形光斑中心移动到起光点M₀处。

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