[发明专利]侧曲面激光淬火时光斑位姿的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在四轴三联动激光加工机床上对侧曲面激光淬火时，矩形光斑沿侧曲面扫描时的位置和姿态(简称位姿)的控制方法。

背景技术

激光淬火涉及到的主要设备有：激光器、能进行光束处理、获得特定光斑形状的导光系统、能沿铅垂轴z₀作上下调整的激光加工头、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。四轴各由一个交流伺服电机驱动，并可实现任意三轴(如x₀、z₀和A轴)的联动。x₀、y₀和z₀轴组成一个与机座固联的右手坐标系o₀-x₀y₀z₀(简称机床坐标系)。激光淬火时，可使A轴与y₀轴平行且正向一致，工件的淬火侧曲面为母线与y₀轴平行的柱面，柱面的准线(下面简称侧曲线)位于与x₀o₀z₀平面相平行的平面内。夹紧在回转工作台卡盘上的工件随同激光加工机床可作三个运动：沿x₀、y₀轴的移动和绕A轴的转动。

采用功率密度均布的矩形光斑进行激光淬火时，淬火工件侧曲线的法矢与激光束照射方向(-z₀方向)相重合，激光矩形光斑的中心在z₀轴上，矩形光斑的长度方向始终沿y₀方向。当激光加工机床带着工件作受控运动时，激光束就在工件侧曲面上扫描出所需的淬火带。如何同步地控制三轴(z₀、x₀和A轴)的联动，使激光束在工件的侧曲面上扫描出宽度和层深都不变的均匀淬火带是一个具有理论意义和实用价值的关键技术。

在2006年5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8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145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在三轴联动激光加工机床上对工件侧曲面激光淬火时的一个技术难题，提供一种对激光加工机床三轴联动的控制方法，以使矩形光斑相对工件以恰当的位姿在工件侧曲面上扫描出宽度和层深都均匀的高质量淬火带。

@在激光器输出功率不变和在矩形光斑内激光功率密度分布均匀等前提条件下，为在工件的侧曲面上扫描出宽度和层深都不变的高质量淬火带，矩形光斑的预期位姿应满足三个技术条件：在工件侧曲面上形成的矩形光斑的长度和宽度不变，且该矩形光斑的中心(可视为光轴线上的一个定点，记为G_C)必须沿工件上预定的侧曲线扫描，此即轨迹条件；特定矩形光斑中心G_C沿工件上预定侧曲线扫描时的相对切向线速度大小不变，此即匀速条件；激光束(其照射方向为-z₀方向)必须沿工件上预定侧曲线各点处的法线方向照射，此即方向条件。

为满足上述矩形光斑相对工件沿侧曲线位姿控制的三个技术条件，我们所采用的技术方案是：对工件随同激光加工机床运动时沿x₀轴的位移量x₀与绕回转工作台轴线A转动的角位移量、激光加工头沿z₀轴的位移量z₀、以及三轴(z₀、x₀和A轴)联动时的同步移动速度v_i进行有效控制。

设在与工件淬火侧曲线所在平面相固联的工件坐标系zox中，淬火侧曲线l的参数方程为