拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法与装置与流程

本发明涉及刀具表面跨尺度形貌智能制备方法，特别是涉及一种拉刀刀齿跨尺度表面形貌的智能制备方法与装置。

背景技术：

拉削是机械加工作业的一种类型，是使用拉床(拉刀)加工各种内外成形表面的切削工艺。拉削加工因其高精度、高效的加工特点，被广泛应用于航空航天、模具工业、汽车工业等生产制造行业。但是，传统拉削刀具在拉削过程中存在拉削负载较大、刀-工-屑摩擦较大、易产生积屑瘤和磨损不易被实时检测等问题。因此仿生织构拉刀应运而生，通过将表面织构技术与拉削刀具相结合，改变拉削刀具表面微观形貌实现了降低拉削负载，减少拉削刀具摩擦磨损等目标。工欲善其事，必先利其器。显然，研制一种拉刀刀齿表面微观形貌智能制备方法与装置对拉削行业的发展有着十分重要的意义。

目前，运用在拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备的例子为数不多，如申请专利号为201610094934.5的专利发明公开了一种激光辅助加工系统及激光辅助加工方法。该激光辅助加工系统包括基座、夹持装置、切刀装置以及激光装置。该辅助加工系统通过切刀装置和激光装置多自由度的移动，保证激光聚焦头与刀具保持相对位置固定不变，实达到节约人力，提高加工效率的目的。但是该激光辅助加工系统仅仅只有水平面上的二自由度移动，没有考虑到竖直方向上的移动，易造成随着工件切削深入，激光对焦不精准的后果。申请专利号为201510653803.1的专利公开了一种微织构硬质合金刀片的制备方法。该发明利用具有微织构形貌的硬质合金刀片成形模具压制硬质合金粉末，形成微织构硬质合金坯料并通过真空烧结微织构硬质合金刀片坯料制备微织构硬质合金刀片，实现微织构硬质合金刀片的批量化生产。但该发明制作过程繁琐，精度不高，其次，制作的模具在多次冲压使用后容易磨损，导致刀具表面微织构的具体尺寸与理想尺寸不相符。且上述两种制备方法都欠缺了对表面形貌精度的检测和评估，无法达到拉刀刀齿表面形貌智能制备的目标。

技术实现要素：

本发明针对在拉刀刀齿表面快速制备复杂跨尺度表面微观形貌不易实现的难题，提供了一种拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法与装置。该方法是一种基于3dof伺服驱动和激光扫描打标原理的拉刀刀齿三维跨尺度(介观和微观)表面形貌智能制备方法；是一种将三维介观(亚毫米和毫米级)尺度表面形貌智能分解成多层二维边界，然后进行激光扫描打标的方法；是一种将三维微观(微米和纳米级)尺度表面形貌，一次成形激光扫描打标的方法；采用的装置是一种集刀齿自动输送定位、激光打标参数智能整定(功率、扫描速度和扫描次数等)、刀齿表面形貌自动清洗、表面形貌检测和评估于一体的智能化制备装置。

本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将待加工拉刀平放至夹持装置，通过夹持装置夹持拉刀；夹持装置由三自由度伺服驱动平台驱动；

步骤二、在光纤打标机中绘制所需打标形貌的三维图形，从而确定光纤打标机的激光扫描打标区域和刀齿不同深度层下打标形貌所需的激光打标参数。激光打标参数包括功率、扫描速度和扫描次数。

步骤三、启动三自由度伺服驱动平台，三自由度伺服驱动平台带动拉刀将第一个待加工刀齿的欲打标区域移动至与光纤打标机的激光扫描打标区域重叠，使拉刀处于预打标状态；

步骤四、启动光纤打标机，进行激光对焦，采用激光扫描打标的方法，在拉刀刀齿表面欲打标区域扫描出预定的打标形貌；

步骤五、激光扫描打标过程中，扫描反馈装置的监测反馈结果输入光纤打标机的通信控制卡，通信控制卡将已加工完成的刀齿表面形貌与光纤打标机绘制的打标形貌进行评估对比，确定刀齿表面形貌的精度，若精度不达标，将反馈信号输入到三自由度伺服驱动平台的多轴伺服控制卡，多轴伺服控制卡控制三自由度伺服驱动平台进行x、y、z三个方向的微调，对拉刀刀齿进行自动定位，使刀齿始终处于最佳打标状态；最佳打标状态为拉刀欲打标区域与激光扫描打标区域重叠，且激光光束对焦在拉刀欲打标区域表面的状态。多轴伺服控制卡每隔10s控制刀齿表面清洗装置中清洗电机的电机轴转动及喷嘴喷水，对打标完成的刀齿表面形貌进行清洗。

扫描反馈装置包括表面形貌扫描仪和图像采集卡；表面形貌扫描仪的摄像头将采集的拉刀刀齿表面三维形貌信息传给图像采集卡，图像采集卡对拉刀刀齿表面三维形貌进行识别和尺寸检测后将刀齿表面三维形貌输入光纤打标机的通信控制卡。

步骤六、拉刀所有刀齿表面三维形貌制备完毕，关闭光纤打标机，三自由度伺服驱动平台带动拉刀复位。

步骤二中，在光纤打标机打标程序中绘制的打标形貌三维图形有两种形式：拉刀刀齿表面形貌为亚毫米和毫米级尺度时，打标形貌三维图形被分解成包含多层二维边界的多个三维体；拉刀刀齿表面形貌为微米和纳米级尺度时，打标形貌三维图形不进行分解，即只有一个三维体。

本发明一种拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备装置，包括安装底板、三自由度伺服驱动平台、夹持装置、光纤打标机、扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置。所述的光纤打标机、扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置均置于夹持装置上方，且扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置均处于拉刀刀齿表面加工输出端。

所述的三自由度伺服驱动平台包括一个x向进给运动滑台、两个y向进给运动滑台和两个z向进给运动升降台。所述两个y向进给运动滑台的滑轨固定于安装底板两端；所述x向进给运动滑台的滑轨两端与两个y向进给运动滑台的滑块分别通过一块长方形安装板一固定，且x向进给运动滑台与y向进给运动滑台垂直；所述两个z向进给运动升降台的底座分别通过一块长方形安装板二固定在x向进给运动滑台的滑块上。

所述的夹持装置包括呈矩阵排布在长方形安装板三两端的四个气缸；气缸固定在长方形安装板三上，长方形安装板三两端与两个z向进给运动升降台的滑块分别固定。长方形安装板三一端固定有限位角铝。气缸底座沿x方向的间距为600mm-800mm之间，气缸底座沿y方向的间距为30mm-50mm之间。四个气缸的活塞杆均朝向内布置。

连接安装板底端固定在安装底板上；l型固定角铝的一个臂与连接安装板顶端开设的调节槽通过螺栓连接，所述扫描反馈装置的表面形貌扫描仪通过螺栓固定在l型固定角铝的另一个臂上。

所述的刀齿表面清洗装置包括圆柱形毛刷、清洗电机、喷嘴、电机安装座、喷嘴套筒和固定支座。圆柱形毛刷与清洗电机的电机轴固定，清洗电机通过螺栓固定在电机安装座上，电机安装座通过螺栓和固定支座连接；喷嘴套筒与固定支座固定；喷嘴套入喷嘴套筒内。

本发明的有益效果：

本发明设置了安装底板、三自由度伺服驱动平台、夹持装置、光纤打标机、扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置。通过夹持装置气缸对顶夹持拉刀；通过三自由度伺服驱动平台有效微调拉刀刀齿进行自动定位用于激光的实时对焦与准确扫描；通过光纤打标机对拉刀后刀面进行微型织构的设计与开设；通过扫描反馈装置实时监测对已加工完成的刀齿表面形貌精度进行检测和评估并进行反馈；通过刀齿表面清洗装置对已加工表面形貌进行清洗；特别是三自由度伺服驱动平台与扫描反馈装置形成的闭环反馈提供了拉刀刀齿定位精度和定位效率。本发明涉及的一种拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法与装置为拉刀刀齿跨尺度表面形貌的开设提供了更为便捷的途径，节约人力，节约时间，提高了拉刀表面开设跨尺度表面形貌的精度，提高了刀具的可靠性和寿命。

附图说明

图1为本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法的流程图。

图2为本发明将拉刀刀齿三维表面形貌分解成二维形貌的示意图。

图3为本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备装置的立体图。

图4为本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备装置中夹持装置的立体图。

图5为本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备装置中刀齿表面清洗装置的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将待加工拉刀3平放至夹持装置，通过夹持装置夹持拉刀3；夹持装置由三自由度伺服驱动平台驱动；

步骤二、在光纤打标机5打标程序中绘制所需打标形貌的三维图形，从而确定光纤打标机5的激光扫描打标区域和刀齿不同深度层下打标形貌所需的激光打标参数。激光打标参数包括功率、扫描速度和扫描次数，其中，功率随深度层深度递增。

步骤三、启动三自由度伺服驱动平台，三自由度伺服驱动平台带动拉刀3将第一个待加工刀齿的欲打标区域移动至与光纤打标机5的激光扫描打标区域重叠，使拉刀3处于预打标状态；

步骤四、启动光纤打标机5，进行激光对焦，采用激光扫描打标的方法，在拉刀刀齿表面欲打标区域扫描出预定的打标形貌；

步骤五、激光扫描打标过程中，扫描反馈装置的监测反馈结果输入光纤打标机5的通信控制卡，通信控制卡将已加工完成的刀齿表面形貌与光纤打标机5绘制的打标形貌进行评估对比，确定刀齿表面形貌的刀齿表面形貌精度，若精度不达标，将反馈信号输入到三自由度伺服驱动平台的多轴伺服控制卡，多轴伺服控制卡控制三自由度伺服驱动平台进行x、y、z三个方向的微调，对拉刀刀齿进行自动定位，使刀齿始终处于最佳打标状态；最佳打标状态为拉刀欲打标区域与激光扫描打标区域重叠，且激光光束对焦在拉刀欲打标区域表面的状态。同时多轴伺服控制卡每隔10s控制刀齿表面清洗装置中清洗电机702的电机轴(u轴)转动及喷嘴703喷水，对打标完成的刀齿表面形貌进行清洗。

扫描反馈装置包括表面形貌扫描仪603和图像采集卡；表面形貌扫描仪603的摄像头将采集的拉刀刀齿表面三维形貌信息传给图像采集卡，图像采集卡对拉刀刀齿表面三维形貌进行识别和尺寸检测后将刀齿表面三维形貌输入光纤打标机5的通信控制卡。

步骤六、刀齿表面三维形貌制备完毕，关闭光纤打标机5，三自由度伺服驱动平台带动拉刀复位。

步骤二中，在光纤打标机5打标程序中绘制的打标形貌三维图形有两种形式：拉刀刀齿表面形貌为亚毫米和毫米级尺度时，打标形貌三维图形被分解成包含多层二维边界的多个三维体；拉刀刀齿表面形貌为微米和纳米级尺度时，打标形貌三维图形不进行分解，即只有一个三维体。

如图2所示，为便于理解，现以纺锥型表面形貌进行说明。为了在拉刀刀齿表面扫描打标出纺锥型表面形貌，本实施例采用将三维凹面体分解成一层层带二维边界的三维体进行分步递进扫描打标的方法。如纺锥型表面形貌可以分解成由若干个不同半径的三维体所组成，此时光纤打标机可根据分解后的图形进行逐层递进扫描打标，每次只蚀刻一个薄片，(依次从第1个到第n个，直到打标结束)这样便可大大降低扫描打标的复杂程度。

本发明拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备方法中,拉刀刀齿跨尺度表面形貌尺寸可在毫米到纳米范围内跨尺度变化，形状可进行任意凹型表面形貌形状组合，如圆形表面形貌、三角形表面形貌、v型表面形貌等。

结合图3、图4、图5所示，一种拉刀刀齿跨尺度表面形貌智能制备装置，包括安装底板1、三自由度伺服驱动平台、夹持装置、光纤打标机5、扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置7。光纤打标机5、扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置7均置于夹持装置上方，且扫描反馈装置和刀齿表面清洗装置7均处于拉刀刀齿表面加工输出端。

三自由度伺服驱动平台包括一个x向进给运动滑台203、两个y向进给运动滑台201和两个z向进给运动升降台205。两个y向进给运动滑台201的滑轨固定于安装底板1两端；x向进给运动滑台203的滑轨两端与两个y向进给运动滑台201的滑块分别通过一块长方形安装板一202固定，且x向进给运动滑台203与y向进给运动滑台201垂直；两个z向进给运动升降台205的底座分别通过一块长方形安装板二204固定在x向进给运动滑台203的滑块上。

夹持装置包括呈矩阵排布在长方形安装板三402两端的四个气缸403；气缸固定在长方形安装板三402上，长方形安装板三402两端与两个z向进给运动升降台的滑块分别固定。长方形安装板三一端固定有限位角铝401。气缸底座沿x方向的间距为600mm-800mm之间，气缸底座沿y方向的间距为30mm-50mm之间。四个气缸403的活塞杆均朝向内布置。

连接安装板601底端固定在安装底板1上；l型固定角铝602的一个臂与连接安装板601顶端开设的调节槽通过螺栓连接，扫描反馈装置的表面形貌扫描仪603通过螺栓固定在l型固定角铝602的另一个臂上。

刀齿表面清洗装置7包括圆柱形毛刷701、清洗电机702、喷嘴703、电机安装座704、喷嘴套筒705和固定支座706。圆柱形毛刷701与清洗电机702的电机轴(u轴)固定，清洗电机702通过螺栓固定在电机安装座704上，电机安装座704通过螺栓和固定支座706连接；喷嘴套筒705与固定支座706固定；喷嘴703套入喷嘴套筒705内。

本发明拉刀刀齿表面微观形貌智能制备装置是一种集刀齿自动输送定位、激光打标参数(功率、扫描速度和扫描次数)智能整定、刀齿表面形貌自动清洗、表面形貌检测和评估于一体的智能化制备装置。如图1所示，本发明采用具有闭环信息通道的负反馈控制系统，将系统的输出信息进行采集、处理，然后送回输入端并据此调整系统行为。此反馈控制系统将输入的织构相貌进行介观/微观分层分析，利用已成的织构打标算法集成到通信控制卡中，并结合打标参数的设定使激光打标机进行可调参数的打标。同时利用扫描反馈装置中的摄像头及图像采集卡对织构尺寸进行检测，并将结果输送回反馈通路利用多轴伺服控制卡对三自由度伺服驱动平台、刀齿表面清洗装置进行调整，得到最优的打标结果。