曲面激光熱處理裝置及控制激光光斑位姿的方法
【專利摘要】一種曲面激光熱處理裝置及實現(xiàn)激光光斑位姿的控制方法，機床主機包括底座、安裝在底座上的A旋轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)臂和第二轉(zhuǎn)臂，第一轉(zhuǎn)臂的一端與A旋轉(zhuǎn)軸相連，另一端通過B旋轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)臂相連，第二轉(zhuǎn)臂的另一端通過C旋轉(zhuǎn)軸與激光器裝置相連，滑道與A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向平行，激光器發(fā)射裝置與工件的表面保持垂直；激光光斑位姿的控制方法為：采用計算機語言編制程序計算A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸的角速度，先計算C旋轉(zhuǎn)軸的角速度，再通過三連桿雅可比矩陣計算A、B旋轉(zhuǎn)軸的角速度，實現(xiàn)激光光斑的實時速度的控制；本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)凸曲面的連續(xù)淬火，而且對于曲率半徑大于等于激光頭到曲面的距離的凹曲面，也可以實現(xiàn)激光淬火工藝。
【專利說明】曲面激光熱處理裝置及控制激光光斑位姿的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光熱處理領(lǐng)域，尤其涉及一種在四軸三聯(lián)動激光加工機床上對工件曲面激光熱處理裝置及控制激光光斑位姿的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光熱處理是指利用高能量的激光束快速掃描工件，工件在瞬間實現(xiàn)自冷淬火，使激光加熱形成的高溫奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，實現(xiàn)激光相變硬化?，F(xiàn)有的激光加工數(shù)控系統(tǒng)，由于控制機算法問題，只能對簡單的平面或圓柱面的工件進行加工，無法對其他曲面輪廓的工件進行激光熱處理。
[0003]中國非專利文獻中，劉中博在2010年04月的青島科技大學碩士論文中發(fā)表了名稱為“激光淬火熱處理CAD系統(tǒng)研究”的論文，論文中公開了一種四軸三聯(lián)動的激光淬火裝置，包括X、Y、Z三個軸臂、位于Z軸臂末端的激光器和工作臺；三軸臂任意兩個在空間上相互垂直，三軸臂滑動配合，任意軸臂可沿該軸臂所在軸往復運動；工作臺可繞所在w軸轉(zhuǎn)動。
[0004] 該論文還公開了利用該裝置進行激光淬火的方法，該方法滿足的三個技術(shù)條件是:(1)保證激光頭的離焦量不變，即激光頭的中心與工件表面之間要始終保持一定距離；
(2)保證激光束始終垂直工件輪廓面；(3)保證激光束的掃描速度不變；該論文通過控制Z軸的軸向運動保證透鏡與工件表面的距離不變，控制X軸的軸向運動和工作臺的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)激光沿輪廓表面法向入射，工作臺繞Y軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)連續(xù)掃描。上述技術(shù)方案實現(xiàn)了凸輪的連續(xù)淬火，但無法實現(xiàn)其他曲面的連續(xù)淬火。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決曲面激光熱處理的問題，提供了一種對工件曲面進行激光熱處理的裝置和利用該裝置實現(xiàn)激光光斑位姿的控制方法，本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)凸曲面的連續(xù)淬火，而且對于曲率半徑大于等于激光頭到曲面的距離的凹曲面，也可以實現(xiàn)激光淬火工藝。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:提供了一種激光熱處理裝置，包括安裝在工作臺上的機床主機、安裝在機床主機上的激光器發(fā)射裝置、驅(qū)動機床主機各旋轉(zhuǎn)軸運動的伺服驅(qū)動裝置、控制伺服驅(qū)動裝置的計算機數(shù)控系統(tǒng)；工作臺上還裝有滑道，滑道上配有用于承裝工件的滑臺，其特征在于:機床主機包括底座、安裝在底座上的A旋轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)臂和第二轉(zhuǎn)臂，第一轉(zhuǎn)臂的一端與A旋轉(zhuǎn)軸相連，另一端通過B旋轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)臂的一端相連，第二轉(zhuǎn)臂的另一端通過C旋轉(zhuǎn)軸與激光器發(fā)射裝置相連，滑道與A、B、C三軸旋轉(zhuǎn)軸的軸向線方向平行，激光器發(fā)射裝置與工件的表面保持垂直。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案對機床主機進行了改進，將軸臂的運動方式由移動副改為旋轉(zhuǎn)副，軸臂在相應的軸的帶動下進行轉(zhuǎn)動，機床主機能像機械手般伸縮自如，使機床主機的運動更加靈敏，本方案整體上提高了機床三軸聯(lián)動的準確性和靈敏度，滿足激光淬火的要求，在激光淬火工藝中產(chǎn)生了積極地效果。
[0008]本發(fā)明還提供了一種利用所述裝置實現(xiàn)曲面激光熱處理時激光光斑位姿的控制方法:采用的技術(shù)方案是分別控制機床主機的三軸轉(zhuǎn)動，控制C軸轉(zhuǎn)動保證激光束垂直工件曲面切向，控制A、B軸聯(lián)動保證激光聚焦鏡中心與工件曲面線等距，控制A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動保證切向線速度大小恒定；完成一條曲線的淬火后，滑臺沿滑道做一次進給運動，激光光斑對準下一條曲線后進行淬火，反復這個過程，直至完成整個曲面的掃描。
[0009]具體的計算步驟為(I)采用三次B樣條曲線對曲面輪廓進行擬合；(2)曲面輪廓等距線的計算；(3)曲面輪廓軌跡掃描過程中各關(guān)節(jié)角度的計算；(4) A軸、B軸、C軸角速度的計算。
[0010]A軸、B軸、C軸角速度的計算過程是先計算C軸旋轉(zhuǎn)的角速度，再通過三連桿雅可比矩陣計算A軸、B軸的角速度。采用計算機語言編制計算程序，計算出A、B、C三軸角速度的值，并對激光加工機床進行控制。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案是基于雅可比矩陣的實時速度控制，而現(xiàn)有技術(shù)是基于插值的速度控制，在單一的旋轉(zhuǎn)運動或平移運動中，插值后的速度控制可以滿足實際加工的需要，在曲面零件淬火的過程中，既存在旋轉(zhuǎn)運動，又存在平移運動，運動控制過程甚為復雜，此時的插值已無法保證加工時對速度的要求；本方案基于雅可比矩陣，實現(xiàn)了激光淬火過程中速度的實時控制，從而實現(xiàn)曲面的激光淬火。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的激光熱處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖
[0013]圖2是本發(fā)明的控制流程示意圖
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明為了實現(xiàn)激光在曲面的淬火，提供了一種激光熱處理裝置，包括安裝在工作臺I上的機床主機、安裝在機床主機上的激光器裝置5、驅(qū)動機床主機各旋轉(zhuǎn)軸運動的伺服驅(qū)動裝置、控制伺服驅(qū)動裝置的計算機數(shù)控系統(tǒng)；機床主機包括底座6、安裝在底座上的A旋轉(zhuǎn)軸7,第一轉(zhuǎn)臂8和第二轉(zhuǎn)臂10,第一轉(zhuǎn)臂8的一端與A旋轉(zhuǎn)軸7相連,另一端通過B旋轉(zhuǎn)軸9與第二轉(zhuǎn)臂10的一端相連，第二轉(zhuǎn)臂10的另一端通過C旋轉(zhuǎn)軸11與激光器發(fā)射裝置5相連，激光器發(fā)射裝置5與工件4的表面保持垂直；工作臺I上還裝有與三旋轉(zhuǎn)軸軸線方向平行的滑道2，滑道2所在的軸設(shè)為X軸，滑道2上配有用于承裝工件4的滑臺3。
[0015]利用上述裝置實現(xiàn)激光光斑位姿的控制方法，采用的技術(shù)方案是:將滑臺沿X軸調(diào)整到適當位置，使待加工曲面的截面曲線起點對準激光束方向，分別控制機床主機的三旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，控制C旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動保證激光束垂直工件曲面切向，控制A、B旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動保證激光聚焦鏡中心與工件曲面線等距，控制A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動保證切向線速度大小恒定；完成一條曲線的淬火后，滑臺沿滑道做一次進給運動，激光光斑對準下一條曲線后進行淬火，反復這個過程，直至完成整個曲面的掃描。
[0016]采用計算機語言編制計算程序計算A、B、C旋轉(zhuǎn)軸角速度，其中先計算C旋轉(zhuǎn)軸的角速度，再通過三連桿雅可比矩陣計算A、B旋轉(zhuǎn)軸的角速度。
[0017]激光淬火時，先將工件待加工表面離散成一條條曲線，完成每條曲線的淬火，機床主機類似六自由度機械手，可以實現(xiàn)末端部件的旋轉(zhuǎn)與平移；計算軌跡運動各關(guān)節(jié)角速度，利用計算機數(shù)控系統(tǒng)將實時旋轉(zhuǎn)角速度反饋給伺服驅(qū)動裝置，伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動相應的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，進而帶動相應軸臂轉(zhuǎn)動，從而保證淬火時激光束垂直工件曲面切向、激光聚焦鏡中心與工件曲面線等距及切向線速度大小恒定；完成一條曲線的淬火后，滑臺沿滑道做一次進給運動，激光光斑對準下一條曲線后進行淬火，反復這個過程，直至完成整個曲面的掃描。
[0018]具體的計算步驟:
[0019]第一步、三次B樣條曲線對曲面輪廓進行擬合；
[0020](I)曲面軌跡型值點的獲?。?br> [0021](2)樣條曲線的反算:即通過已知的一組空間型值點，找一條過點列Qj的三次B樣條曲線，同時確定一組與點列Qj對應的B樣條特征多邊形頂點Pj (j = O, I, 2,, n+1),三次B樣條曲線的型值點和控制點的位置矢量之間關(guān)系為Φη+Αρ,Ρμ = 6Qj (j =1，2，3，…，η-1, η)。假定工件輪廓是封閉圖形，為保證曲線能首尾相接，并使曲線上結(jié)點序號與特征多邊形頂點序號相對應，即有:Ρη+1 = Ρ1；Ρη = P0,于是可得到線性方程組:
【權(quán)利要求】
1.一種曲面激光熱處理裝置，包括安裝在工作臺上的機床主機、安裝在機床主機上的激光器發(fā)射裝置、驅(qū)動機床主機各旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的伺服驅(qū)動裝置、控制伺服驅(qū)動裝置的計算機數(shù)控系統(tǒng)；工作臺上還裝有滑道，滑道上配有用于承裝工件的滑臺，其特征在于:機床主機包括底座、安裝在底座上的A旋轉(zhuǎn)軸，第一轉(zhuǎn)臂和第二轉(zhuǎn)臂，第一轉(zhuǎn)臂的一端與A旋轉(zhuǎn)軸相連，另一端通過B旋轉(zhuǎn)軸與第二轉(zhuǎn)臂的一端相連，第二轉(zhuǎn)臂的另一端通過C旋轉(zhuǎn)軸與激光器發(fā)射裝置相連，滑道與A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向均平行，激光器發(fā)射裝置與工件的表面保持垂直。
2.一種利用權(quán)利要求1所述的裝置實現(xiàn)激光光斑位姿的控制方法，其特征在于:控制C旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動保證激光束垂直工件曲面切向，控制A、B旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動保證激光聚焦鏡中心與工件曲面線等距，控制A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動保證激光光斑在工件曲面上的切向線速度大小恒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于:具體的計算步驟為(I)采用三次B樣條曲線對曲面輪廓進行擬合；(2)曲面輪廓等距線的計算；(3)曲面輪廓軌跡掃描過程中各關(guān)節(jié)角度的計算；(4) A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸角速度的計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:步驟(4)中，A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸角速度的計算過程是先計算C旋轉(zhuǎn)軸的角速度，再通過三連桿雅可比矩陣計算A、B旋轉(zhuǎn)軸的角速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的控制方法，其特征在于:步驟(4)中，采用計算機語言編制計算程序，計算出A、B、C三旋轉(zhuǎn)軸角速度的值，并對激光加工機床進行控制。
【文檔編號】C21D1/09GK103898282SQ201410156545
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】蔡漢明, 司付興, 宋曉梅 申請人:青島科技大學