專利名稱：：側(cè)曲面激光淬火時(shí)光斑位姿的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種在四軸三聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床上對側(cè)曲面激光淬火時(shí)，矩形光斑沿側(cè)曲面掃描時(shí)的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)的控制方法。
背景技術(shù)：
：激光淬火涉及到的主要設(shè)備有激光器、能進(jìn)行光束處理、獲得特定光斑形狀的導(dǎo)光系統(tǒng)、能沿鉛垂軸z。作上下調(diào)整的激光加工頭、工件運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(也稱激光加工機(jī)床)和可對交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制的數(shù)控系統(tǒng)。其中，激光加工機(jī)床由相對機(jī)座分別可沿x。、少。軸(兩軸垂直)移動(dòng)的上、下工作臺及可繞軸A轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺等組成。轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動(dòng)部分備有三爪或四爪卡盤，用于夾緊工件并使工件繞A軸轉(zhuǎn)動(dòng)。四軸各由一個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)任意三軸(如x。、丄-o禾[lA軸)的聯(lián)動(dòng)。；c。、y。和z。軸組成一個(gè)與機(jī)座固聯(lián)的右手坐標(biāo)系o。-x。j^Q(簡稱機(jī)床坐標(biāo)系)。激光淬火時(shí)，可使A軸與^。軸平行且正向一致，工件的淬火側(cè)曲面為母線與h軸平行的柱面，柱面的準(zhǔn)線(下面簡稱側(cè)曲線)位于與x。。。z。平面相平行的平面內(nèi)。夾緊在回轉(zhuǎn)工作臺卡盤上的工件隨同激光加工機(jī)床可作三個(gè)運(yùn)動(dòng)沿x。、^軸的移動(dòng)和繞A軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。采用功率密度均布的矩形光斑進(jìn)行激光淬火時(shí)，淬火工件側(cè)曲線的法矢與激光束照射方向(一z。方向)相重合，激光矩形光斑的中心在z。軸上，矩形光斑的長度方向始終沿少。方向。、"l激光加工機(jī)床帶著工件作受控運(yùn)動(dòng)時(shí)，激光束就在工件側(cè)曲面上掃描出所需的淬火帶。如何同步地控制三軸(z。、x。和A軸)的聯(lián)動(dòng)，使激光束在工件的側(cè)祖面上掃描出寬度和層深都不變的均勻淬火帶是-個(gè)具有理論意義和實(shí)用價(jià)值的關(guān)鍵技術(shù)。在2006年5jj前，屮請者以"激光淬火"為主題詞在萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)上進(jìn)行了査新、專利和論文檢索，檢索結(jié)果如下1.査新檢索共檢索到23項(xiàng)國內(nèi)最新科技成果。其中，沒有一項(xiàng)與本專利技術(shù)相近的科技成果。2.專利檢索共檢索到8項(xiàng)發(fā)明專利。其中，沒有一項(xiàng)與本專利技術(shù)相近的發(fā)明專利。3.論文撿索共檢索到145篇有關(guān)論文。其中，沒有一項(xiàng)與本專利技術(shù)相近的論文。申請者也沒有看到與本專利技術(shù)相近或相同的國外文獻(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決在三軸聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床上對工件側(cè)曲面激光淬火時(shí)的一個(gè)技術(shù)難題，提供一種對激光加工機(jī)床三軸聯(lián)動(dòng)的控制方法，以使矩形光斑相對工件以恰當(dāng)?shù)奈蛔嗽诠ぜ?cè)曲面上掃描出寬度和層深都均勻的高質(zhì)量淬火帶。@在激光器輸出功率不變和在矩形光斑內(nèi)激光功率密度分布均勻等前提條件下，為在工件的側(cè)曲面上掃描出寬度和層深都不變的高質(zhì)量淬火帶,矩形光斑的預(yù)期位姿應(yīng)滿足三個(gè)技術(shù)條件在工件側(cè)曲面上形成的矩形光斑的長度和寬度不變，且該矩形光斑的中心(可視為光軸線上的一個(gè)定點(diǎn)，記為《.)必須沿工件上預(yù)定的側(cè)曲線掃描，此即軌跡條件；特定矩形光斑中心G(.沿工件上預(yù)定側(cè)曲線掃描時(shí)的相對切向線速度大小不變，此即勻速條件；激光束(其照射方向?yàn)橐粃。方向)必須沿工件上預(yù)定側(cè)曲線各點(diǎn)處的法線方向照射，此即方向條件。為滿足上述矩形光斑相對工件沿側(cè)曲線位姿控制的三個(gè)技術(shù)條件，我們所采用的技術(shù)方案是對工件隨同激光加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)沿;c。軸的位移量x。與繞回轉(zhuǎn)工作臺軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量p、激光加工頭沿z。軸的位移量^、以及三軸(z、x。禾nA軸)聯(lián)動(dòng)時(shí)的同步移動(dòng)速度v,進(jìn)行有效控制。設(shè)在與工件淬火側(cè)曲線所在平面相固聯(lián)的工件坐標(biāo)系zox中，淬火側(cè)曲線/的參數(shù)方程為式中，e。和《分別是激光淬火的起光點(diǎn)M。和終光點(diǎn)M。的參數(shù)值。在開始淬火加工時(shí)，激光加工機(jī)床的三軸U。、x。和A軸)位移量z。、；c。和p均設(shè)為零，則當(dāng)大小不變的矩形光斑中心&,掃描至淬火側(cè)曲線/上任意點(diǎn)M且滿足上述軌跡條件和方向條件時(shí)，激光機(jī)床的三軸位移量z。、x。和p可按由申請者發(fā)現(xiàn)的以下三式計(jì)算。激光加工頭沿z。軸移動(dòng)的線位移z。的計(jì)算式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2)上工作臺沿x。軸移動(dòng)的線位移x。的計(jì)算式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>回轉(zhuǎn)工作臺繞軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移^的計(jì)算式:—<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)式中，"。是淬火側(cè)曲線/上起光點(diǎn)M。處單位法矢^與z軸正向的夾角；(z,"j是淬火側(cè)曲線/上任一點(diǎn)M處單位法矢;;在工件坐標(biāo)系^x中的坐標(biāo)；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>為起光點(diǎn)M。在工件系ZOX中的坐標(biāo)。同步移動(dòng)速度v,的確定方法為滿足勻速掃描條件，應(yīng)控制三軸(z。、；c。和A軸)聯(lián)動(dòng)時(shí)的同步移動(dòng)速度v,。v,可按下列方法計(jì)算。首先根據(jù)激光功率及淬火層深等要求確定矩形光斑中心Q.相對工件沿淬火側(cè)曲線/掃描時(shí)的切向線速度々，(簡稱淬火速度)，根據(jù)沿淬火側(cè)曲線/掃描的精度要求等將整個(gè)淬火側(cè)曲線/從起光點(diǎn)M。到終光點(diǎn)M',分成"段(簡稱"為淬火分段數(shù))，得分點(diǎn)M。，M,，...，M=Mt,;根據(jù)側(cè)曲線/的方程(1)計(jì)算各個(gè)分點(diǎn)的坐標(biāo)(z,，x,)及每個(gè)子段的弧長A5,=V"—,+,—z,)2+"+l—A)2，則掃描每個(gè)子段的時(shí)間為A/,A5,/々.。由上述式(2)式(4)計(jì)算出掃描到任一分點(diǎn)M,+,時(shí)的三軸位移量、,+,、和A+1及從M,點(diǎn)掃描到M,+,點(diǎn)時(shí)的三軸位移增量Az,=z。,,+l-z。,,，Ax,=、+l-xQ,,，Ap,=i,，則三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)從M,點(diǎn)掃描到M,+，點(diǎn)過程中需控制的同步移動(dòng)速度v,=^Az,2+Ax,2/A/,(/=0，1，...，"-1)。事實(shí)上，在通用的激光加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)滿足上述三個(gè)技術(shù)條件的三軸聯(lián)動(dòng)，以得到工件側(cè)曲面上寬度和層深都不變的高質(zhì)量淬火帶是一個(gè)十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制問題。本發(fā)明從理論上和實(shí)踐上成功地解決了這個(gè)困難問題，填補(bǔ)了激光淬火技術(shù)中的一個(gè)空白。圖1是本發(fā)明激光淬火時(shí)光斑位姿控制方法操作流程圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的方法。如圖1所示，本發(fā)明方法的具體實(shí)施步驟是1、三軸位移增量Az。Ax,、Ap,和同步移動(dòng)速度v,的計(jì)算；2、數(shù)控程序的數(shù)字化編程；3、工件安裝和起光位置設(shè)定；4、淬火操作，執(zhí)行控制程序。流程的第1步三軸位移增量和同步移動(dòng)速度的計(jì)算過程是1)在工件坐標(biāo)系z。x中寫出淬火側(cè)曲線/的參數(shù)方程；2)根據(jù)淬火要求、連續(xù)淬火等要求確定起光點(diǎn)M。和終光點(diǎn)Me，用計(jì)算機(jī)高級語言(如FORTRAN語言等)編制計(jì)算程序,計(jì)算起光點(diǎn)M。的坐標(biāo)(0。，0。J，單位法矢刁的坐標(biāo)("?！?，"。.、.)，"。與軸正向的夾角"。；3)根據(jù)激光功率、淬火硬度及淬火層深等要求確定淬火速度v(,，根據(jù)沿淬火側(cè)曲線/掃描的精度要求等確定淬火分段數(shù)"，得分點(diǎn)M。，M,，...，M。=Me，用程序計(jì)算各個(gè)分點(diǎn)的坐標(biāo)(z,，x,)、每個(gè)子段的弧長AS,-z,)2+(x,+,-;c,)2及掃描每個(gè)子段所需的時(shí)間A/,=AS,/V(.;4)根據(jù)式(2)式(4)，用程序計(jì)算從起光點(diǎn)M。掃描到任一分點(diǎn)M,+,時(shí)的三軸位移量、+,、xQ,,+l和i,及從M,點(diǎn)掃描到M,+,點(diǎn)時(shí)的三軸位移增量=z。,,+1—2。,,，=x。,,+l-x。,,'化=A+11,，以及三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)從M,點(diǎn)掃描到M,十,點(diǎn)過程中需控制的同步移動(dòng)速度v^^/AzX/A/,(/=0，1，...，5)將Az,、Ax,、/V,和v,(/=0，1，...，；7-1)的值存儲(chǔ)在一個(gè)二維數(shù)組中。流程的第2步數(shù)控程序的數(shù)字化編程的過程是根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果、G代碼的專用語言、規(guī)定格式和數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)置等，直接利用上述計(jì)算程序以文本形式輸出Az,、Ar,、Ap,和v,(/=0，1，...，的值并自動(dòng)生成G代碼數(shù)控程序。整個(gè)計(jì)算和程序編制可用高級語言在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行離線編程。在自動(dòng)生成的G代碼數(shù)控程序屮，小需調(diào)用G代碼中的任何內(nèi)部函數(shù)，不作任何計(jì)算，直接執(zhí)行數(shù)控程序，就可實(shí)現(xiàn)對工件復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制。這種編程方法稱為數(shù)字化編程法。流程的第3步工件安裝和起光位置設(shè)定的工作內(nèi)容是1)通過RS232接U將數(shù)控程序送入激光加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存中；在工件上標(biāo)注工件坐標(biāo)系加x和起光點(diǎn)M。的位置；2)工件安裝將工件用回轉(zhuǎn)工作臺上的卡盤夾緊，保證工件坐標(biāo)系加x的原點(diǎn)在回轉(zhuǎn)工作臺的軸線A上，A軸與機(jī)床坐標(biāo)系的少。軸平行且正向一致,工件淬火側(cè)曲線/所在平面(即mc平面)與機(jī)床坐標(biāo)系的y。軸相垂直；3)起光位置設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺，使工件坐標(biāo)系^x的x軸與機(jī)床坐標(biāo)系的x。軸平行且指向一致；令回轉(zhuǎn)工作臺繞其軸線A逆轉(zhuǎn)"。角度，使起光點(diǎn)M。的單位法矢^與機(jī)床的光軸線z。軸平行；最后將起光點(diǎn)M。移動(dòng)到光軸線z。軸上，并調(diào)整激光加工頭的上下位置，滿足規(guī)定的離焦量。此時(shí)光軸線z。軸上與起光點(diǎn)M。相重合的矩形光斑中心即為上述所述的c;(.點(diǎn)。流程的第4步淬火操作的工作內(nèi)容是在激光器輸出功率達(dá)到設(shè)定值后，執(zhí)行控制程序，就可使矩形光斑在工件的側(cè)曲面上掃描出寬度和層深都不變的高質(zhì)量淬火帶，完成整個(gè)激光淬火過程。實(shí)施算例下面以偏心橢圓凸輪輪廓曲面激光淬火為例，進(jìn)一步闡明上述三軸位移增量和同步移動(dòng)速度的計(jì)算、以及數(shù)字化編程的方法。設(shè)凸輪的橢圓側(cè)曲線的參數(shù)方程為0SM2;r其中，取長半軸"=110.0附附，短半軸6-80.0ww，橢圓中心坐標(biāo)c^50.0ww，d二20.0m附。取定起光點(diǎn)M。&=0，終光點(diǎn)M,:《=2"，分段數(shù)"=180，掃描速度i,r=900/,/min。根據(jù)上述數(shù)字化編程過程，先用Fortran語言編制的程序?qū)ι鲜銎臋E圓凸輪輪廓曲線進(jìn)行計(jì)算，得表l所示結(jié)果。其中，第2列為參數(shù)0的值，第3、第4列為橢圓廓線上各分點(diǎn)的坐標(biāo)值(z,x)，第5列為激光加工頭相對開始位置沿z。軸移動(dòng)的線位移，第6列為激光加工機(jī)床相對開始位置沿;c。軸移動(dòng)的線位移，第7列為回轉(zhuǎn)工作臺相對開始位置繞^軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移。然后根據(jù)表1所示的三軸位移量，計(jì)算三軸對應(yīng)于點(diǎn)M,+,的位移增量Az,、Ax,、A^,和二軸聯(lián)動(dòng)吋的問歩移動(dòng)速設(shè)i，,，并將Ar,、Ax,、Ap,和v,的值存儲(chǔ)在一個(gè)二維數(shù)組中(/=0，1，…，w-l)。表2是根據(jù)已求得的三軸位移增量Az,、Ax,、Ap,和三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)的同步移動(dòng)速度v,(/=0，1，...，1)的值用計(jì)算程序自動(dòng)生成的對凸輪輪廓曲面進(jìn)行激光淬火的G代碼數(shù)控程序ELLIPSE。其中，Z、X和A后面的數(shù)字為相應(yīng)點(diǎn)M,+1的位移增量Az,(附w)、Ax,(^m2)和A^(。)的值，F(xiàn)后面的數(shù)字為所需控制的同步移動(dòng)速度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>表l計(jì)算結(jié)果表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2數(shù)控程序<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>N14Z.13456X/1.85759A-2.713876F1555.9698N15Z-.09304X4.78243A-2.691135F1525.1622N16z_.31209X4.68008A-2.663441F1487.8339N17z-.52038X4.55273A-2.631240F1444.7250N18z-.71609X4.40288A-2.595025F1396.6587N19z89777X4,23327A_2.555327F1344.5099N20Z-l.06440X4.04676A一2.512689F1289.1743N181Z2.64981X3.29633A-2.512689F1303.0192N182z2.54225X3.54214A-2.555327F1354.6381N183z2.41596X3.77676A-2.595025F1403.7513N184z2.27112X3.99711A-2.631240F1449.4221N185z2.10833X4.20012A-2.663441F1490.7228N186z1.鄉(xiāng)63X4.38278A-2.691135F1526.7649N187z1.73349X4,54230A-2.713876F1556.7318N188z1.52481X4.67613A-2.731285F1579.9109N189z1.30490X4.78217A-2.743064F1595.7235N190z1.07637X4.85875A-2.749006F1603.7498N200M21M9N999M權(quán)利要求1.一種在四軸三聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床上對工件側(cè)曲面進(jìn)行激光淬火時(shí)矩形光斑位姿控制方法，其特征在于矩形光斑預(yù)期掃描位姿應(yīng)滿足的三個(gè)技術(shù)條件是(1)特定大小矩形光斑的中心GC必須沿工件上預(yù)定側(cè)曲線掃描，即軌跡條件；(2)特定矩形光斑中心GC沿工件上預(yù)定側(cè)曲線掃描時(shí)的相對切向線速度大小不變，即勻速條件；(3)激光束必須沿工件上預(yù)定側(cè)曲線各點(diǎn)處的法線方向照射，即方向條件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光淬火時(shí)矩形光斑位姿控制方法，其特征在于具體的步驟是(1)三軸位移增量Az,、Ax,、Ap,和同步移動(dòng)速度v,的計(jì)算；(2)數(shù)控程序的數(shù)字化編程；(3):i:件安裝和起光位置設(shè)定；(4)淬火操作，執(zhí)行控制程序。3.根據(jù)權(quán)利要求l、2所述的激光淬火時(shí)矩形光斑位姿控制方法，其特征在于所述的三軸位移增量Az,、Ax,、Ap,和同步移動(dòng)速度v,的計(jì)算方法是(1)在工件坐標(biāo)系中寫出淬火側(cè)曲線的參數(shù)方程；(2)確定淬火曲線上起光起點(diǎn)M。、終光點(diǎn)M,的坐標(biāo)，計(jì)算起光點(diǎn)M。的單位法矢刁與z軸正向的夾角"。；(3)確定淬火速度v(.和淬火分段數(shù)"，計(jì)算每個(gè)掃描點(diǎn)的坐標(biāo)及掃描各個(gè)子段的時(shí)間Ar,;(4)計(jì)算從起光點(diǎn)M。掃描到任一分點(diǎn)M,+,的三軸位移量z。,+,、；y,+,和i,，從W,點(diǎn)掃描到M,+l點(diǎn)時(shí)所需的:二軸位移增量Az,=-z。,，，Ax,=x。,+|-x。，，=化,—^，以及二軸聯(lián)動(dòng)時(shí)所需控制的同步移動(dòng)速度v,^/A^+A^/A/,(/=0，1，...，并將三軸位移增量和同步移動(dòng)速度的值存儲(chǔ)在一個(gè)二維數(shù)組中。4.根據(jù)權(quán)利要求l、2所述的激光淬火時(shí)矩形光斑位姿控制方法，其特征在于數(shù)字化編程的過程是用其他計(jì)算機(jī)高級語言(如FORTRAN語言等)編制計(jì)算程序，計(jì)算三軸位移增量Az,、Ax,、Ap,和同步移動(dòng)速度v,(/=0，1，…，的值并以文本形式輸出計(jì)算結(jié)果；并根據(jù)G代碼的專用語言、規(guī)定格式、數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)置和上述計(jì)算結(jié)果，直接利用該程序自動(dòng)生成G代碼數(shù)控程序。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的激光淬火時(shí)矩形光斑位姿控制方法，其特征在于工件安裝和起光位置設(shè)定的步驟是(1)工件安裝——將工件用回轉(zhuǎn)工作臺的卡盤夾緊，保證工件坐標(biāo)系^x的原點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺軸線A上，A軸與機(jī)床坐標(biāo)系的y。軸平行且正向一致，工件淬火側(cè)曲線所在平而(§卩--m平面)與機(jī)床坐標(biāo)系的力軸相垂直；(2)起光位置設(shè)定——轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺，使工件坐標(biāo)系zo;c的x軸與機(jī)床坐標(biāo)系的x。軸平行且指向一致，令回轉(zhuǎn)工作臺繞其軸線A逆轉(zhuǎn)"。角度，使工件側(cè)曲線上起光點(diǎn)M。處的單位法矢刁與機(jī)床坐標(biāo)系的z。軸平行；最后將起光點(diǎn)M。移動(dòng)到光軸線z。軸上，并調(diào)整激光加工頭的上下位置，得到所需的矩形光斑。全文摘要一種在四軸三聯(lián)動(dòng)激光加工機(jī)床上對工件側(cè)曲面進(jìn)行激光淬火時(shí)控制矩形光斑位姿的方法，是基于矩形光斑沿工件側(cè)曲面掃描時(shí)其位姿應(yīng)滿足三個(gè)技術(shù)條件特定矩形光斑的中心必須沿工件上預(yù)定側(cè)曲線掃描，即軌跡條件；特定矩形光斑中心沿工件上預(yù)定側(cè)曲線掃描時(shí)的相對切向線速度大小不變，即勻速條件；激光束沿工件上預(yù)定側(cè)曲線各點(diǎn)處的法線方向照射，即方向條件。為滿足上述三個(gè)技術(shù)條件，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是控制工件隨同激光機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)沿x₀軸的位移量x₀與繞回轉(zhuǎn)工作臺軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量φ，激光加工頭沿z₀軸的位移量z₀，以及三軸(z₀、x₀和A軸)聯(lián)動(dòng)時(shí)的同步移動(dòng)速度v_i，以實(shí)現(xiàn)對矩形光斑位姿的有效控制。本發(fā)明的實(shí)施例，開拓了沿工件側(cè)曲面激光淬火技術(shù)新的應(yīng)用范圍。文檔編號G05D3/00GK101109033SQ200610029260公開日2008年1月23日申請日期2006年7月21日優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日發(fā)明者鋼吳,吳清華,張紀(jì)元申請人:上海海事大學(xué)