本發(fā)明屬于砂輪修整，具體涉及一種砂輪激光修整智能化系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前砂輪激光修整高度依賴人工，在激光參數(shù)設(shè)定、砂輪材質(zhì)分析、加工工藝參數(shù)確定、部分修整工步(如對(duì)刀)、修整自動(dòng)化及完成判定、上下料等多個(gè)方面均依賴人工。

2、智能加工系統(tǒng)著眼于人工替代，包括人工操作、工藝經(jīng)驗(yàn)判斷、上下料等方面。這與傳統(tǒng)的自動(dòng)化的區(qū)別在于：自動(dòng)化的人工替代主要是替代了人工操作，比如自動(dòng)進(jìn)刀、自動(dòng)插補(bǔ)等。智能化則不同，使用數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)分析，形成經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選擇。使用視覺(jué)、聲音、熱、電磁、力等判斷，對(duì)加工進(jìn)程全過(guò)程監(jiān)測(cè)。利用cam核心算法，規(guī)劃并定制化的加工砂輪。因此，智能化不是在自動(dòng)化上簡(jiǎn)單的升級(jí)，而是包括自動(dòng)化在內(nèi)的，對(duì)人工加工的全面替代。

3、成形砂輪激光修整系統(tǒng)當(dāng)前處于工藝試驗(yàn)階段，沒(méi)有形成集成化的、自動(dòng)化的、智能化的加工體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提出一種砂輪激光修整智能化系統(tǒng)及方法，該智能化系統(tǒng)能夠根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的輪廓要求與修整過(guò)程中實(shí)時(shí)變化的砂輪毛坯件外形尺寸，進(jìn)行激光束姿態(tài)調(diào)整、能量補(bǔ)償，還能實(shí)現(xiàn)全流程的自主迭代，對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)迭代升級(jí)；該方法通過(guò)修整參數(shù)確定、離焦量補(bǔ)償和激光干涉的規(guī)避，實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃自動(dòng)生成。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種砂輪激光修整智能化系統(tǒng)，包括輸入端、加工系統(tǒng)和輸出端；

4、所述輸入端根據(jù)產(chǎn)品需求，將砂輪資料輸入到加工系統(tǒng)中，所述砂輪資料包括在圖紙上設(shè)計(jì)的輪廓要求參數(shù)、模型，以及砂輪毛坯件的材質(zhì)信息和外形尺寸；圖紙為數(shù)字化形式，砂輪毛坯件的材質(zhì)信息和外形尺寸利用機(jī)床上的各種傳感器、相機(jī)等硬件設(shè)施獲得。

5、所述加工系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、cam系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成；數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)專家預(yù)測(cè)、參數(shù)選優(yōu)、數(shù)字孿生以及機(jī)器學(xué)習(xí)四個(gè)功能；cam系統(tǒng)接收來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的加工工藝參數(shù)，并基于加工工藝參數(shù)進(jìn)行激光束姿態(tài)調(diào)整、能量補(bǔ)償兩個(gè)功能；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能包括對(duì)砂輪修整的余量判斷、對(duì)刀點(diǎn)的識(shí)別和異常情況判斷，一方面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將加工的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助升級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面與cam進(jìn)行交互，輸出cam系統(tǒng)所需要的加工實(shí)時(shí)位置和余量信息，并接受cam系統(tǒng)對(duì)它的跟隨控制；在加工系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)全流程的自主迭代，對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)迭代升級(jí)；

6、所述輸出端獲得加工系統(tǒng)產(chǎn)生的產(chǎn)品，包括合格的砂輪和檢測(cè)報(bào)告。輸出合格的砂輪(客戶)，加工檢測(cè)結(jié)果(客戶)，加工成本消耗(工廠)。

7、一種激光智能化修整砂輪的方法，包括以下步驟：

8、步驟1：將砂輪資料通過(guò)輸入端輸入到砂輪激光修整智能化系統(tǒng)中；

9、步驟2：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)照并分析砂輪毛坯件的外形尺寸和圖紙的輪廓要求參數(shù)，進(jìn)而自動(dòng)生成對(duì)刀點(diǎn)、余量信息；

10、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分析毛坯件的實(shí)際外形尺寸，分析之后，將兩者對(duì)比。相當(dāng)于蒙在一起尋找差異。

11、步驟3：將砂輪毛坯件的材質(zhì)信息和外形尺寸與數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)存的修整案例進(jìn)行對(duì)比，找到相近或一致的修整案例，再通過(guò)專家預(yù)測(cè)和參數(shù)選優(yōu)功能，優(yōu)化加工工藝參數(shù)；如果沒(méi)有類似案例，則通過(guò)已知案例進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，生成一組加工工藝參數(shù)；生成的加工工藝參數(shù)為數(shù)字孿生做準(zhǔn)備；

12、步驟4：將數(shù)據(jù)庫(kù)生成的加工工藝參數(shù)發(fā)送到cam系統(tǒng)，cam系統(tǒng)按照砂輪的輪廓要求參數(shù)和加工工藝參數(shù)，計(jì)算激光束姿態(tài)調(diào)整方式、激光能量補(bǔ)償方式，并生成激光加工過(guò)程的軌跡規(guī)劃；

13、步驟5：機(jī)床按照cam系統(tǒng)生成的軌跡規(guī)劃，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始修整砂輪；

14、步驟6：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后，監(jiān)測(cè)加工過(guò)程，并實(shí)時(shí)觀察毛坯的余量變化，再通過(guò)模板匹配和目標(biāo)識(shí)別，向cam系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送實(shí)時(shí)余量與砂輪毛坯的位置信息；

15、cam系統(tǒng)利用余量及毛坯的位置信息做異常加工點(diǎn)的補(bǔ)償，數(shù)據(jù)庫(kù)利用實(shí)時(shí)位置與余量做數(shù)字孿生表現(xiàn)；

16、步驟7：余量滿足加工要求后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出信息，停機(jī)，檢測(cè)；

17、步驟8：輸出檢測(cè)結(jié)果，若產(chǎn)品合格，則輸出合格產(chǎn)品及檢測(cè)報(bào)告；若不合格，重新分析砂輪信息，規(guī)劃下一輪修整；

18、步驟9：若特殊砂輪反復(fù)修整難以合格，利用系統(tǒng)迭代功能，優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，找到更優(yōu)化的參數(shù)。

19、進(jìn)一步的，在步驟2中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)以下方式自動(dòng)生成對(duì)刀點(diǎn)和余量信息：

20、對(duì)于砂輪毛坯件判斷：通過(guò)視覺(jué)觀察并檢查余量，判斷毛坯件加工的余量大?。?/p>

21、對(duì)于刀點(diǎn)檢測(cè)：采用試燒方式，再根據(jù)視覺(jué)觀察，判斷熔池與激光刀尖位置；當(dāng)采用機(jī)械法時(shí)，通過(guò)聲音傳感和視覺(jué)，判斷對(duì)刀深度與對(duì)刀位置；

22、對(duì)于加工過(guò)程的監(jiān)測(cè)：根據(jù)激光光學(xué)光譜儀的能量，判斷加工點(diǎn)位能量吸收是否均勻；對(duì)比視覺(jué)觀察的實(shí)際輪廓與圖紙要求的輪廓，根據(jù)二者的差異判斷是否加工完畢；根據(jù)視覺(jué)觀察和邊緣檢測(cè)合成算法，判斷成品的圓周圓度、跳動(dòng)、輪廓精度；根據(jù)聲音、電流判斷全設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

23、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為全過(guò)程的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)視覺(jué)、光學(xué)、聲學(xué)等方式不同，需要自己組裝。常見(jiàn)有視覺(jué)直接觀察，采用背光源方式。光學(xué)如光譜儀檢測(cè)，聲音振動(dòng)傳感檢測(cè)對(duì)刀等。用于砂輪毛坯余量判斷，對(duì)刀點(diǎn)檢測(cè)，異常加工點(diǎn)判斷，加工完畢停機(jī)判斷，成品檢測(cè)，全設(shè)備監(jiān)測(cè)。

24、進(jìn)一步的，在步驟3中，優(yōu)化加工工藝參數(shù)采用粒子群pso算法，該算法包括以下步驟：

25、s301，采用隨機(jī)方式初始化粒子群的位置和速度；包括單個(gè)粒子歷史最優(yōu)位置和群體歷史最優(yōu)位置，單個(gè)粒子歷史最佳適應(yīng)度值和群體歷史最佳適應(yīng)度值；

26、s302，采用公式(1)和(2)更新單個(gè)粒子的位置和速度：

27、

28、pso算法中每次粒子下一步的距離與方向，是一個(gè)位置向量，稱為下一步迭代的速度，表示為：

29、

30、其中，表示粒子i在第k+1次迭代中第d維的位置向量；表示粒子i在第k次迭代中第d維的位置向量；表示粒子i在第k+1次迭代中第d維的速度向量；表示粒子i在第k次迭代中第d維的速度向量；ω表示慣性權(quán)重；c1、c2表示學(xué)習(xí)因子；r1、r2表示兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，取值范圍為0～1之間；表示粒子i在第k次迭代中第d維的歷史最優(yōu)位置，即在第k次迭代后，第i個(gè)粒子(個(gè)體)在第d維搜索得到的最優(yōu)解；表示群體(在全局內(nèi))在第k次迭代中第d維的歷史最優(yōu)位置，即在第k次迭代后，整個(gè)粒子群體在第d維的最優(yōu)解；

31、s303，計(jì)算單個(gè)粒子的適應(yīng)度值，適應(yīng)度值需滿足公式(3)的要求：

32、

33、其中，ηm表示每個(gè)粒子的適應(yīng)度值；m表示粒子序號(hào)；適應(yīng)度值表示優(yōu)化的目標(biāo)，各個(gè)粒子適應(yīng)度值合在一起滿足公差要求就可以認(rèn)為擬合結(jié)果擁有較好的檢測(cè)可信度；

34、s304，更新單個(gè)粒子的歷史最佳擬合值；

35、s305，更新群體的歷史最佳擬合值和位置；

36、s306，更新慣性權(quán)重和迭代次數(shù)：

37、采用線性變化的慣性權(quán)重策略，慣性權(quán)重更新如下式(4)：

38、

39、其中，ωmax和ωmin分別表示最大慣性權(quán)重和最小慣性權(quán)重；iter表示當(dāng)前的迭代次數(shù)；itermax表示最大迭代次數(shù)；

40、s307，滿足終端條件時(shí)，輸出最終的最優(yōu)解，否則重復(fù)步驟s302～s306。

41、進(jìn)一步的，在步驟5中，cam系統(tǒng)生成軌跡規(guī)劃的過(guò)程，包括以下步驟：

42、cam軌跡規(guī)劃系統(tǒng)，用于規(guī)劃調(diào)整修整中激光軌跡的多道優(yōu)化，實(shí)時(shí)姿態(tài)調(diào)整，能量補(bǔ)償，異常加工點(diǎn)補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。該系統(tǒng)需要自行建立，因?yàn)楫?dāng)前市面上還沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)砂輪激光修整用的cam軟件、算法、規(guī)劃系統(tǒng)。這些調(diào)整需要根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)提供砂輪材料加工過(guò)程的數(shù)據(jù)，比如單道燒蝕速度、傾角與成型角關(guān)系、砂輪直徑-激光原始切深-激光束發(fā)散角對(duì)應(yīng)關(guān)系、進(jìn)給速率對(duì)單道燒蝕速率的影響等，并基于此做出軌跡規(guī)劃。

43、s501，修整參數(shù)確定：

44、在切向修整時(shí)，激光光斑通過(guò)脈沖方式照射到砂輪表面，光斑在砂輪表面的形狀近似看作橢圓；根據(jù)文獻(xiàn)和業(yè)內(nèi)共識(shí)，激光在修整砂輪時(shí)，采用切向整形和徑向修銳。對(duì)于精度和成形而言，只考慮切向修整。

45、定義砂輪圓周方向的光斑重疊率為：在兩次脈沖下，光斑重疊部分面積與光斑面積的比值，用oc表示，oc描述為：

46、

47、其中，soverlap表示光斑重疊部分面積；sellipse表示光斑面積；ae和be表示橢圓的參數(shù)；lc表示光斑中心在圓周方向的偏移量；

48、光斑重疊率要達(dá)到85％以上，才能得到較好的砂輪表面質(zhì)量；光斑重疊率達(dá)到85％時(shí)的砂輪轉(zhuǎn)速由式(6)給出：

49、

50、式中，d是砂輪的直徑；t表示的激光的脈沖周期，它是重復(fù)頻率的倒數(shù)；

51、定義砂輪母線方向的光斑重疊率為：光斑重疊部分面積與光斑面積的比值，用oa表示，oa描述為：

52、

53、其中，la是光斑中心在母線上的偏移量；

54、那么，在轉(zhuǎn)速n下，砂輪進(jìn)給速率f由式(8)計(jì)算得到：

55、f＝nla?(8)

56、通過(guò)公式(5)～公式(8)即可確定修整參數(shù)；

57、s502，離焦量補(bǔ)償：

58、將砂輪邊緣點(diǎn)作為坐標(biāo)的原點(diǎn)，將砂輪圓柱的母線方向作為x方向、直徑方向作為y方向和z方向；砂輪在修整之前，其表面圓柱環(huán)面被描述為：

59、

60、通過(guò)公式(9)描述激光要運(yùn)動(dòng)的軌跡，來(lái)構(gòu)建離焦量補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型。式中，x、y、z分別是坐標(biāo)系建立之后的三個(gè)方向位置，坐標(biāo)原點(diǎn)在砂輪邊緣；b是砂輪的厚度(相當(dāng)于圓柱的母線長(zhǎng)度)；

61、光斑照射在材料表面，一般在瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)，此時(shí)可以認(rèn)為激光束是圓柱的。在材料去除過(guò)程中，垂直照射的激光束需要以激光束焦點(diǎn)o為回轉(zhuǎn)中心、在x-o-z平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)α角度的狀態(tài)描述為：

62、

63、其中，r表示激光束在某一位置的半徑大??；h表示位置距離激光焦點(diǎn)的長(zhǎng)度；r0表示激光焦點(diǎn)處(h＝0位置)光斑的半徑，激光束采用的是近場(chǎng)圓柱模型r始終與r0保持一致；lray表示激光束的瑞利長(zhǎng)度，e0是激光束垂直狀態(tài)下的初始離焦量。

64、對(duì)于垂直照射的激光，焦點(diǎn)在x-o-y平面上，隨著激光束的旋轉(zhuǎn)，激光束與砂輪的交點(diǎn)(即實(shí)際輻照位置)pt發(fā)生變化，為了保持穩(wěn)定的離焦量，需要在x和z方向上進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償量為：

65、

66、當(dāng)進(jìn)行離焦量補(bǔ)償時(shí)，則認(rèn)為焦點(diǎn)始終保持在x-o-y平面上。

67、s503，激光干涉的規(guī)避：

68、當(dāng)激光束與材料的作用點(diǎn)超出了瑞利長(zhǎng)度的時(shí)候，此時(shí)激光束被認(rèn)為是由雙曲線構(gòu)成的遠(yuǎn)場(chǎng)激光；

69、在遠(yuǎn)場(chǎng)模型下，利用漸近線模型，將光束方向某一高度h上的半徑值rb近似描述為：

70、

71、其中，是激光束的發(fā)散角；hb為光束長(zhǎng)度；

72、垂直方向上，光束長(zhǎng)度hb與高度h之間滿足如下幾何關(guān)系：

73、hb＝h/cosαh?(13)

74、其中，αh表示激光被遮擋一半時(shí)，a軸旋轉(zhuǎn)的角度；

75、晶圓倒角砂輪的形狀輪廓使用如下的分段函數(shù)來(lái)描述(晶圓倒角砂輪的輪廓形狀可以理解為由直線和圓弧組成的組合圖形)：

76、

77、其中，ks表示斜邊直線的截距，(xr，yr)表示圓弧的圓心坐標(biāo)，它們隨著圓弧的序號(hào)有所變化；θ表示輪廓線與水平方向的夾角；y表示坐標(biāo)系位置；

78、在砂輪燒蝕過(guò)程中，激光的刀尖需要一定的切深量，假設(shè)在加工中切深量是固定的，此時(shí)激光與砂輪實(shí)際作用的位置會(huì)受到砂輪圓形的作用而抬高，因此激光光斑實(shí)際作用的輪廓應(yīng)該由成形輪廓變形得到的(實(shí)際加工過(guò)程中，激光光斑不是在絕對(duì)的切向，而是有一定的切深量。以前方法中認(rèn)為激光插補(bǔ)軌跡就是圖紙輪廓軌跡。但是本發(fā)明通過(guò)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)切深導(dǎo)致了激光光斑在砂輪表面抬高，引起了去除點(diǎn)軌跡相對(duì)激光插補(bǔ)軌跡發(fā)生了變形)。抬高部分的高度δh由以下幾何關(guān)系得到：

79、

80、其中是砂輪的半徑；a表示激光刀尖的切深量；

81、在高度為δh時(shí)，成型砂輪的形狀輪廓yh變形為：

82、

83、當(dāng)激光束偏轉(zhuǎn)角度(本方法中采用的偏轉(zhuǎn)，其激光束偏轉(zhuǎn)中心，a軸回轉(zhuǎn)中心和激光束焦點(diǎn)是重合的，因此轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是一致的。激光頭在a軸上，激光束偏轉(zhuǎn)角度就是a軸旋轉(zhuǎn)的角度)持續(xù)增大時(shí)，激光束會(huì)與砂輪外圓相交，并由此引起外圓對(duì)激光的擋光效應(yīng)，此時(shí)的角度αh采用以下公式計(jì)算：

84、

85、式中，αh表示激光被遮擋一半時(shí)，a軸旋轉(zhuǎn)的角度；因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)上來(lái)說(shuō)，激光束被遮蔽一半的時(shí)候，能量不足以繼續(xù)加工，認(rèn)為此時(shí)完全存在遮蔽效應(yīng)。因此，αh可以認(rèn)為是光束中心線位置在參與遮蔽效應(yīng)的位置。lt表示凹槽的寬度，d表示直徑，xl表示某位置距離凹槽中心的距離，主要是方便圓弧部分的數(shù)理計(jì)算。也可以改成x位置；y是y軸位置；

86、當(dāng)產(chǎn)生擋光效應(yīng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界角度α2描述為：

87、

88、激光束與砂輪外圓相交之后，激光束無(wú)法穿透砂輪材料繼續(xù)照射到砂輪的輪廓面上，因此激光的能量被分散一部分到不應(yīng)該被加工的外圓面上，并導(dǎo)致成型輪廓無(wú)法被仿形。

89、砂輪擋光的臨界角度α2是跟隨x變化的一系列臨界值。對(duì)于砂輪成型輪廓上的某一點(diǎn)(外圓面除外)，總是存在一個(gè)激光的擋光臨界角度α2，使得激光束偏轉(zhuǎn)的角度大于該臨界角度α2時(shí)，激光被成型砂輪的外圓面遮擋，無(wú)法有效的去除成型輪廓中的修整余量；所以激光修整成型砂輪的不擋光條件是：激光的偏轉(zhuǎn)角度，在輪廓上某點(diǎn)小于該點(diǎn)的擋光臨界角度，即：

90、α(x)＜α2(x)?(19)

91、在α2范圍內(nèi)，因?yàn)榧す獗徽诒危瑢?dǎo)致激光功率密度急劇下降，無(wú)法去除材料。因此在砂輪仿形時(shí)，需要在不同的輪廓處，采用不同的偏轉(zhuǎn)角度α。

92、可以看出，不同的激光偏轉(zhuǎn)角，對(duì)應(yīng)在砂輪的圓弧上，能夠加工到不同的位置。在實(shí)際的加工工藝中，加工圓弧所需要的偏轉(zhuǎn)分辨率m使用以下公式計(jì)算：

93、

94、其中，kcw是參數(shù)，取整數(shù)；lg表示圓弧輪廓的割線長(zhǎng)度，lα是斜邊燒蝕臨界角對(duì)應(yīng)的圓弧燒蝕長(zhǎng)度。

95、本發(fā)明的有益效果：

96、本發(fā)明的砂輪激光修整智能化系統(tǒng)能夠根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的輪廓要求與修整過(guò)程中實(shí)時(shí)變化的砂輪毛坯件外形尺寸，進(jìn)行激光束姿態(tài)調(diào)整、能量補(bǔ)償，還能實(shí)現(xiàn)全流程的自主迭代，對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)迭代升級(jí)；該方法通過(guò)修整參數(shù)確定、離焦量補(bǔ)償和激光干涉的規(guī)避，實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃自動(dòng)生成。