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基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 摘要 金刚石砂轮具有极高的硬度，使得其修整比较困难。目前金刚石砂轮的修整存 在着精度、效率和成本不能兼顾，以及修整后的砂轮总有几个高点存在的问题。激 光修整作为一种非接触修整法，避免了硬碰硬对磨料及修整工具的损伤，是一种很 有前途的砂轮修整技术。本文从控制系统入手，通过在激光烧蚀加工中引入控制系 统，实现对砂轮外围轮廓的选择性修整，解决了激光修整均匀性所引起的砂轮圆度 误差不能得到根本性纠正的问题，同时通过调整脉冲激光的参数及加工工艺参数， 最终达到高效率、高精度地修整砂轮的目的。 针对激光修整金刚石砂轮的加工过程，本文设计了一套采用高精度激光c c d 位移传感器作为测量感应器件，a r m 控制器作为处理和控制核心的在线数字化控 制系统。该系统依据三角测量原理，采用边检测边烧蚀的方法，通过传感器采集砂 轮表面的位移形貌信号，再由a r m 控制器进行比较处理，根据比较结果输出t t l 高低电平来控制声光调qy a g 激光巨脉冲的发射。分别从硬件和软件两个方面来 阐述了该系统，通过软硬件的协调工作，最终实现对金刚石砂轮的选择性修整， 即砂轮上高于基准点的部分被修整，低于基准点的部分未被修整。 其次，在砂轮修整基准信号值的选取方面，通过在p c 上位机中开发l a b v i e w 虚拟仪器，同时调用l i n u x 操作系统中的信号中断机制，实现基准值在p c 机与 a r m 控制器间的自由传输，即不需要通过反复修改程序即可达到改变程序中基准 值的目的，从而降低了工作量并提高了效率。 最后，通过选取激光平均功率和调q 重复频率、砂轮的转速和轴向进给速度 等最优参数，采用该控制系统作为控制装置、声光调qy a g 激光器作为出光器件、 金刚石砂轮作为待修整材料，进行了一系列的激光修整砂轮试验，并对修整后砂 轮的几何形状精度及表面微观形貌进行了分析和评价。实验结果显示，引入该控 制系统的激光修整砂轮的效果良好，能得到理想的整形精度和表面形貌。 关键词：激光修整；金刚石砂轮；控制系统；a r m ；表面质量 硕士学位论文 a b s t r a c t d i a m o n dg r i n d i n gw h e e l sh a v eu l t r a h i g hh a r d n e s s ，a n dt h i sm a k e st h ed r e s s i n g a n dt r u i n go fd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l sm o r ed i f f i c u l t a tp r e s e n t ，t h ed r e s s i n ga n d t r u i n go fd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l sh a ss o m ep r o b l e m s ，s u c ha s ，t h ep r e c i s i o n ，t h e e f f i c i e n c ya n dt h ec o s tc a n tb es a t i s f i e dt o g e t h e r ，t h ew h e e l sa f t e rd r e s s i n ga n dt r u i n g a l s oe x i s th i g hs p o t so ni t ss u r f a c e a san o n - c o n t a c tm e t h o d ，d r e s s i n ga n dt r u i n g g r i n d i n gw h e e l sb yl a s e ra v o i d st h eh u r to fa b r a s i v ea n db i n d e rc a u s e db yt h e i n t e r a c t i o no ff o r c e ，a n di t sap r o m i s i n gt e c h n o l o g y t h ec o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e di n t h i sp a p e r t h r o u g ha p p l y i n gt h ec o n t r o ls y s t e mt op r o d u c t i o no fl a s e ra b l a t i o n ，i t r e a l i z e ss e l e c t i v ed r e s s i n ga n dt r u i n go fd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l s ，a n ds o l v e st h e p r o b l e mo fr o u n d n e s se r r o rw h i c hi sc a u s e db y1 a s e ra b l a t i o nw i t h o u tc o n t r 0 1 m e a n w h i l e ，b yc h o o s i n gas e to fo p t i m a lp a r a m e t e r so fp u l s el a s e ra n dp r o c e s s ，i t f i n a l l ya c h i e v e st h eg o a lo fh i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o c e s so fl a s e rd r e s s i n ga n dt r u i n g ，ar e a l - t i m ec o n t r o l s y s t e mw h i c ha d o p t sh i g h - p r e c i s i o nc c dl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o ra sm e a s u r ed e v i c e a n da d o p t sa r m m i c r o c o m p u t e ra st h ec o r eo fc a l c u l a t i o np r o c e s s i n ga n dc o n t r o li s d e s i g n e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mw h i c hi sb a s e do np r i n c i p l eo ft r i a n g u l a t i o n ，a d o p t s t h em e t h o dw h i c hc a nd e t e c ta n da b l a t ei n s y n c h r o n y i tc o l l e c t st h et o p o g r a p h i c s i g n a lo ft h eo b j e c tb ys e n s o r ，t h e na c c o m p l i s h e st h ec o m p a r a t i o nb e t w e e ns a m p l i n g v a l u ea n dr e f e r e n c ev a l u ei nt h ea r m ，a n de x p o r t st h et t ll e v e lt oc o n t r o lt h e a c o u s t o - o p t i cq s w i t c h e dn d ：y a gp u l s e dl a s e ra c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc o m p a r a t i o n t h es y s t e mi sd e s c r i b e df r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，a n df i n a l l yr e a l i z e s t h es e l e c t i v ed r e s s i n ga n dt r u i n go fd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l sw h i c hag r e a tp u l s el a s e r i sl a u n c h e dt ot h eh i g hs p o to fg r i n d i n gw h e e la n dn o tl a u n c h e dt ot h el o ws p o t ， t h r o u g ht h ec o o r d i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s e c o n d l y , i nt h ea s p e c t o fr e f e r e n c ev a l u e s c h o o s i n g ，al a b v i e wv i r t u a l i n s t r u m e n ti sd e s i g n e db a s e do np cc o m p u t e r ，a c c o r d i n gt ot h ei n c o n v e n i e n c eo ft h e c h o o s i n g ，m e a n w h i l e ，i tr e a l i z e st h ef r e et r a n s m i s s i o no ft h er e f e r e n c ev a l u eb e t w e e n p cc o m p u t e ra n da r m m i c r o c o m p u t e rw h i c hc a nc h a n g et h er e f e r e n c ev a l u ew i t h o u t m o d i f i c a t i o no ft h ep r o g r a m ，t h r o u g hc a l l i n gs e m a p h o r e so fl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m i tr e d u c e st h ew o r k l o a da n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fl a s e r sd r e s s i n ga n dt r u i n g f i n a l l y ，as e r i e so fo p t i m a lp a r a m e t e r ss u c ha st h el a s e ra v e r a g ep o w e r ，p u l s e i i i r e p e t l t l o nr a t e ，t h ew h e e ls p e e da n dt h ea x i a lm a c h i n ea u t o m a t i c a l l yf e e dr a t e a r e s e l e c t e dt od os o m e e x p e r i m e n t sw h i c ha d o p t st h i sc o n t r o l s y s t e m a sc o n t r o l e q u l p m e n t ，t h ea c o u s t o o p t i cq s w i t c h e dn d ：y a ga st o o l ，a n dt h ed i a m o n dg r i n d i n g w h e e l sa sm a t e r i a l t h ef i n i s h e dg r i n d i n gw h e e ls u r f a c et o p o g r a p h ya n dg e o m e t r y p r e c l s l o na r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n t s s h o w st h a tt h e d r e s s i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t ya f t e rl a s e rt r i m m i n gw i t ht h i sc o n t r o ls y s t e mi s g o o d k e yw o r d s ：l a s e rt r i m m i n g ；d i a m o n dg r i n d i n gw h e e l s ；t h ec o n t r o ls y s t e m s ；a r m ； s u r f a c eq u a l i t y 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 插图索引 图2 1 系统结构示意图9 图2 2 系统工作流程图1 0 图2 3 三角测量原理图1 1 图2 4c c d 与p s d 的比较1l 图2 5 声光调qn d ：y a g 固体激光器示意图1 2 图3 1 系统硬件结构图1 4 图3 2 信号衰减偏移调理电路图1 4 图3 3i s p p a c 2 0 内部结构框图1 5 图3 4p a c 块不同的连接方法1 6 图3 5 二阶低通滤波电路图1 6 图3 6i s p p a c 2 0 仿真结果图l7 图3 7 $ 3 c 2 4 4 0 的内部结构图18 图3 8 电源电路2 1 图3 9u s b 端口电路一2 1 图3 1 0 串口电路2 2 图3 1 1 复位电路2 2 图3 1 2s d r a m 存储电路? 一2 3 图3 1 3f l a s h 存储电路2 4 图3 1 4t t l 输出电路图2 4 图3 1 5 声光调q 器9 芯接口引脚图一2 5 表3 1 调q 驱动器九芯接口引脚功能表2 5 图3 1 6 声光调q 脉冲出光控制方式图2 6 图3 17 硬件p c b 图2 6 图4 1 系统软件结构图3 0 图4 2b o o t l o a d e r 配置界面3 1 图4 3l i n u x 内核配置界面3 2 图4 4a d c 内部结构图3 3 图4 5 串口内部结构示意图3 6 图4 6 进程的各个状态图3 7 图4 7 进程间的通信3 8 图4 8 应用程序流程图3 8 v i i i 硕士学位论文 图4 9 虚拟仪器串口配置图4 3 图4 1 0 虚拟仪器回写基准值程序图一4 3 图4 1 1 虚拟仪器面板界面4 4 图5 1 修整试验装置4 5 图5 2 待修整砂轮实物图和表面微观形貌4 6 图5 3 待修整砂轮表面圆跳动误差4 6 图5 4 测控系统反应时间4 8 图5 5 最小二乘法评定圆度误差原理图4 9 图5 6 修整后砂轮表面圆跳动误差5 2 图5 7 修整后砂轮表面形貌5 2 i x 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 附表索引 表3 1 调q 驱动器九芯接口引脚功能表2 5 x 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 金刚石砂轮简介及其修整概述 1 1 1 金刚石砂轮 金刚石砂轮作为超硬磨料砂轮的一种，凭借其金刚石磨粒的超强硬度及抗磨 损能力，已经广泛应用于我国的材料加工领域，如精密和超精密磨削及难加工材 料磨削等。在结合剂方面，其又分为金属结合剂金刚石砂轮、树脂结合剂金刚石 砂轮以及陶瓷结合剂金刚石砂轮，其中金属结合剂金刚石砂轮的应用，由于硬脆 材料( 如陶瓷、光学玻璃、半导体材料等) 的应用增加，而有了较快的增长f 1 】。 在金属结合剂金刚石砂轮中，以青铜结合剂金刚石砂轮最为常见，它是以金刚石 为磨料，青铜粉末为主要结合剂，通过一系列的工艺过程，如配置、混合、成型、 烧结以及机械加工等，制成的具有不同规格并可以满足各种个性化要求的砂轮。 青铜结合剂金刚石砂轮具有结合剂强度高、金刚石磨粒把持力强、导热性及耐磨 性良好等特点，而这些特点决定了它的应用会越来越广泛。 青铜结合剂金刚石砂轮在高温烧结过程中存在着收缩变形，而收缩变形的程 度取决于砂轮所使用的热压烧结模具及工艺水平，并且这种收缩变形是不可避免 的，因此在使用前必须对砂轮进行修整，以确保其精度满足要求。另一方面，由 于青铜结合剂金刚石砂轮在使用过程中会不断地磨损，导致其表面磨粒变钝，而 钝化的磨粒由于结合剂的高强度性，会无法从结合剂组织上脱落，致使砂轮容屑 槽发生堵塞，从而影响砂轮的磨削性能。砂轮的磨损特性在总体上可分为以下几 个阶段：一是磨损的初期阶段，主要是磨粒的破碎及整体脱落；二是正常磨损阶 段，主要是磨粒的钝化；三是急剧磨损阶段，主要是磨粒或结合剂的大块破碎， 导致了砂轮表面精度的下降以及表面微形貌的破坏，这种情况下，砂轮己不能正 常进行工作，必须进行修整，以恢复砂轮的切削能力和外形精度【2 】。然而，金刚 石磨粒的超强硬度、金属结合剂的良好韧性以及金刚石与金属结合剂( 特别是青 铜) 熔点的相似性，使得金属结合剂金刚石砂轮修整起来十分困难，而开发一种 高效的，能显著提高砂轮表面精度的修整技术己显得十分必要。 1 1 2 金刚石砂轮修整方法 金刚石砂轮的修整一般分为两步：整形和修锐【3 】。其中，整形主要是针对砂 轮的几何形状误差而进行的表面微量切削过程；修锐则主要针对砂轮磨粒间嵌入 或粘附的结合剂，通过去除这部分结合剂而使砂轮磨粒露出表面，从而形成切削 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 刃的过程。通常情况下，对于陶瓷结合剂金刚石砂轮而言，修锐和整形是在一起 完成的；而对于金属或树脂结合剂金刚石砂轮，二者则必须分开进行。 传统的金刚石砂轮修整方法、工具1 3 j 有： 整形方面： ( 1 ) 滚压整形法，一般选用白刚玉或碳化硅砂轮作为整形工具，并且要求磨床 要具有足够的刚性，以满足滚压力的要求； ( 2 ) 磨削整形法，可选用金刚石、碳化硅或刚玉砂轮作为整形工具，同时要选 择恰当的修整参数，以达到理想的修整效果； ( 3 ) 软钢磨削整形法，采用软钢滚轮作为整形工具，一般用于砂轮整形精度要 求不高的场合。 修锐方面： ( 1 ) 刚玉块切入修锐法，原理是采用破碎的刚玉磨粒对砂轮的结合剂进行切 削，但其不适于对金属结合剂金刚石砂轮的修锐； ( 2 ) 油石修锐法，原理是利用油石磨料对砂轮的结合剂进行切除，但其不能形 成足够多的容屑空间，同时也不适于对金属结合剂金刚石砂轮进行修锐； ( 3 ) 喷射修锐法，采用冷却液或压缩空气作为载体，通过吸入刚玉、碳化硅磨 粒并高速喷射到待修锐砂轮上，从而去除结合剂； ( 4 ) 电解修锐法，主要是针对金属结合剂金刚石砂轮，利用金属结合剂能电解 的性质，引入电极及磨削电解液，通过控制电解参数，来实现高效率、高精度的 砂轮修锐。 1 2 激光修整金刚石砂轮 砂轮整形和修锐的目标是在较短的时间内，得到较高的几何精度和良好的表 面微形貌，以保证砂轮的磨削性能。其中，砂轮的几何精度越高，依照复映规律， 磨削后工件的精度也越高【4 】；良好的表面微形貌能保证有效磨粒的数量及把持力， 同时在磨削中能形成良好的容屑空间，有效地防止烧伤及糊塞现象的发生。而传 统的修磨法一般基于力的作用，通过挤压和剪切去除磨粒及结合剂以达到修整的 目的，这导致了修整工具的磨损以及磨粒突出表面的高度不够，加剧了磨削条件 的恶化。 目前，对于金刚石砂轮的修整除了采用g c 杯形砂轮修整法、散粒磨料修整 法和w a 修整块修整法外，针对金属结合剂金刚石砂轮还采用了电加工的方法， 如电解法、电火花法等【5 j 。上述方法各有优缺点，且均不同程度地存在以下问题： 需要冷却液或电解质，对环境有污染；修整工具损耗大；设备比较复杂，相关成 本较高。 有文献指出，解决金刚石砂轮的修整难度，往往大于开发金刚石砂轮的难度， 硕士学位论文 需要付出更多的努力【6 j 。通过实地考察砂轮制造企业得知，当前金刚石砂轮的修 整存在着精度、效率和成本不能兼顾，以及修整后的砂轮总有几个高点修不掉的 问题。激光修整作为一种非接触修整法，避免了硬碰硬对磨料及修整工具的损伤， 同时通过控制脉冲激光的频率、功率及调q 的开关状态，达到高效率、高精度地 选择性修整砂轮的目的。 1 2 1 激光修整金刚石砂轮机理分析 激光修整砂轮主要是利用了激光加工的高功率密度、非接触、高注入速度、 无工具损耗、高加工效率、无公害和易控制等特点 7 1 。特别是脉冲激光，凭借其 高的功率密度径向辐射待加工砂轮，使得砂轮表面材料在极短的时间内熔化或气 化，达到去除材料的目的，同时其较小的占空比则有利于烧蚀过程中的散热，减 小了热作用过大的影响，降低了磨料的损伤，从而获得良好的微观形貌。 然而，不同的激光光束对烧蚀加工的效果影响也不同，如，y a g 激光器相比 于c 0 2 激光器在修整金属结合剂金刚石砂轮上更有优势，首先是y a g 激光器输 出的脉冲峰值功率更高，更能有效地去除砂轮表面材料，有利于砂轮的整形；其 次y a g 激光器输出的激光波长一般为1 0 6 9 m ，c 0 2 激光器输出的波长则为 1 0 6 9 m ，而波长相对较短的激光更容易被金属表面吸收，更容易去除砂轮表面的 结合剂，有利于砂轮的修锐。 当高能量密度的y a g 脉冲激光作用于青铜结合剂金刚石砂轮表面时，由于 青铜结合剂对激光的吸收率远大于金刚石磨粒( 前者约为o 7 ，后者一般为 o 1 0 3 ) ，并且其热导率及扩散率都远小于金刚石磨粒，所以青铜结合剂会比金 刚石磨粒吸收更多的能量，也导致了结合剂的温升远高于金刚石磨粒。对于青铜 结合剂而言，固态金属首先会出现熔化接着气化，当气化金属与液态金属一起喷 出时，考虑到金属气化所用的时间会比激光的脉冲宽度短得多，金属蒸汽将比固 态金属吸收更多的能量，从而形成强烈的金属喷射和飞溅，待脉冲激光停止后， 一些溅出的液态金属会形成结晶并粘附在砂轮表面，影响砂轮的表面微形貌及容 屑空间的形成，可以考虑通过吹气的办法将部分的液态金属吹出砂轮表面，从而 避免上述情况的发生。对于金刚石而言，其能够接收到充分的脉冲激光的能量， 从而发生物理及化学变化，但这一过程中产生的热量却来不及传输到其它部分。 金刚石与激光在空气环境下相互作用的过程如下：首先是金刚石吸收激光脉冲能 量，导致砂轮表面的温度随之升高，而这一过程会产生无定形的碳，当温度达到 1 0 0 0 。c 左右时，碳会发生氧化反应，实现微量地去除材料效果，随着温度升高至 1 3 0 0 。c 时，金刚石将逐渐发生石墨化反应，而石墨的升温速度要高于金刚石，当 温度升高至3 6 0 0 。c 左右时，石墨会蒸发升华，但由于等离子体及热应力等现象的 存在，金刚石会在3 5 5 0 。c 左右时因为破裂而飞溅出去，一般认为此时即达到了去 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 除金刚石的效果。 1 2 2 激光修整砂轮及相关控制系统研究现状 1 9 8 9 年，印度学者尝试采用激光修整了普通a 1 2 0 3 、s i c 砂轮，其先是采用 金刚石对砂轮进行了初步整形，再采用y a g 激光器普通脉冲激光垂直照射砂轮 表面，每个脉冲激光均会在砂轮表面打出小坑，这些小坑叠加起来便得到了激光 修整后的砂轮表面，经过磨削试验表明，激光修整与金刚石修整后的砂轮磨削性 能相近。基于上述情况，n r a l l l e s hb a b u 和v r a d h a k r i s h n a n 研究了不同的激 光参数及工艺参数对a 1 2 0 3 砂轮修锐效果的影响，以及不同的修整参数( 如激光 能量密度和进给速度) 对砂轮在干、湿条件下磨削的影响，并建立了相应的激光 修整砂轮表面凹坑理论模型【8 , 9 , 1 0 , 1 1 j 。 日本的学者a h o s o k a w a 等人采用脉冲n d ：y a g 激光束对金属结合剂金刚石 砂轮进行了修锐研究，试验中采用激光径向垂直辐射砂轮表面，同时采用空气侧 吹的方法，以防止熔融或气化的结合剂冷却结晶后粘附在砂轮表面，试验结果表 明，激光修锐的效率比传统的w a 滚轮修整法的效率高一些，但修锐后的砂轮工 作时所产生的磨削力则相差无几i i 7 2 l 。 美国的学者m j j a c k s o n 和g m r o b i n s o n 等人使用连续n d ：y a g 激光器对 陶瓷结合剂a 1 2 0 3 砂轮进行了修锐研究，试验结果表明：在不降低结合剂把持力 的情况下，激光修锐可以通过微小破坏使磨粒产生多刃，从而有效地提高修锐后 砂轮的磨削性能l l 川。 上海交通大学的陈明等人用普通y a g 脉冲激光修锐了树脂结合齐u s i c 砂轮，其 先用金刚石笔对砂轮进行整形，然后再完成修锐，采用激光三维扫描方法对砂轮 修锐后的效果进行评价，并分别对两种方法修锐后的砂轮进行了磨削应用( 砂轮 的耐用度及磨削力) 1 1 4 l 。上海交通大学王艳等人用c 0 2 连续激光器分别对树脂结 合剂金刚石砂轮和黄铜结合剂金刚石砂轮进行了修锐试验，观察了激光作用前后 砂轮的表面微观形貌变化，并对激光作用下不同结合剂材料的砂轮去除机理进行 了研究15 1 。 大连理工大学的王续跃等人用y a g 激光对超硬磨料砂轮进行了单脉冲激光 烧蚀实验，建立了三维热传导激光修锐模型，研究了激光参数( 如输出功率、脉 宽、离焦量和激光入射角等) 对烧蚀凹坑的影响规律，再通过选择合适的激光和 工艺参数完成了对砂轮的修锐，同时指出了：修锐树脂结合剂超硬磨料砂轮时， 结合剂以气化去除为主，需依靠同轴辅助吹气；修锐金属结合剂超硬磨料砂轮时， 结合剂以熔化去除为主，需依靠同轴辅助和侧吹辅助吹气，以防止结合剂冷却后 将磨粒覆盖，从而达到良好的修锐目的【l 6 ，1 7 1 。 康仁科等人对激光修锐超硬磨料砂轮进行了大量的研究。他们分析了超硬磨 硕士学位论文 料砂轮表面结合剂( 金属和树脂材料) 的去除机理，建立了相关的去除模型。同 时还利用脉冲n d ：y a g 激光束对青铜和树脂结合剂超硬磨料砂轮进行了修锐实 验，结果证明通过选用合适的脉冲激光参数可以达到选择性地去除砂轮表面结合 剂材料而不至损伤磨粒的目的，修锐后的金刚石砂轮具有良好的磨削性能1 1 8 , 1 9 】。 德国学者e w e s t k a m p e r 率先将n d ：y a g 激光用于辅助树脂结合剂c b n 砂轮 磨削金属和陶瓷试件，指出在磨削前先用n d ：y a g 激光对工件进行预热，可以降 低磨削时工件的温度梯度，进而减小材料表面的烧伤【2 0 1 。随后，美国p u r d u e 大 学机械工程系的c z h a n g 和y c s h i n 等人用c 0 2 激光辅助机械法对陶瓷结合剂 c b n 砂轮进行了修整，结果表明这种复合修整法可以有效地减小金刚石修整工具 的磨损和修整过程中产生的磨削力 2 1 , 2 2 】。 由以上可知，激光修整砂轮的大部分研究集中在激光对砂轮的修锐上，对于 激光整形方面的研究还非常少。考虑到激光烧蚀是一种非接触的加工手段，不能 采用硬碰硬的手段对砂轮表面的轮廓进行限制，其只能通过均匀地辐射砂轮表面 以去除磨料，而这种均匀性必然导致砂轮圆度误差不能得到很好的纠正，并且容 易形成较大的复映误差【2 3 1 。因此在激光烧蚀中引入控制系统以实现激光对砂轮的 选择性修整就显得十分必要。 随着计算机技术的飞速发展以及控制理论的日渐成熟，控制技术被逐渐应用 于激光加工领域中。如，在激光烧结方面，美国的德克萨斯大学提出了一种对选 择性激光烧结的最小时间轨迹控制系统1 2 4 ；在激光标刻、焊接及切割方面，激光 技术和数控技术实现了很好的结合；而在激光直接制造金属零件方面，清华大学 对这一过程中的闭环控制系统进行了研究。然而，有关激光修整金刚石砂轮中引 入控制系统的报道则非常有限，特别是将控制系统用于实现砂轮的选择性修整的 研究更是少之又少。据了解，目前国内只有湖南大学激光研究所在进行该方面的 研究。 湖南大学的陈根余等人在激光修整超硬磨料砂轮中引入了在线检测控制系 统，通过位移传感器采集砂轮表面的位移形貌信号，再由控制电路进行比较处理， 根据比较结果输出t t l 高低电平以驱动调q 激光器，最终实现对砂轮有选择性 地输出y a g 脉冲激光的目的，即砂轮上高于基准点的部分被修整，低于基准点 的部分未被修整。试验结果表明，这种通过引入控制系统将修锐和整形合二为一 的做法是可行的1 2 5 , 2 6 j 。 1 3 砂轮表面形貌及几何精度分析方法 砂轮的表面形貌与几何精度直接关系到工件的表面加工质量及砂轮的加工性 能，因此对其进行评价分析就显得尤为重要。 砂轮的几何形状精度一般采用轴向的圆度与直线度来表示，其测量方法通常 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 分为两种，一是触针式接触测量法，二是光学式非接触测量法。其中触针式接触 测量法是表面几何形状精度的传统测量方法，通过触针接触待测物表面，再经计 算机后续处理，即可得出待测物的轮廓参数，其优点是测量范围大、分辨率较高、 测量结果稳定可靠，但其也存在难以克服的缺点，如对触针测头要求很高，必须 耐磨，同时其曲率半径要小于被测表面上微观凹坑的半径以保证测量的精度。光 学式测量方法是一种非接触式的测量方法，采用光学技术测量待测物表面的形貌， 再将表面形貌信号转化为电信号以便存储与显示【2 丌，其优点是测量头不存在磨损 问题；测量的量程大，可以达到几十个毫米；没有测量力，可测量易变形和脆性 物体。其中激光三角测量法由于其非接触、结构简单、测量距离大、测量点小、 测量精度高、可用于在线检测等优点而被广泛采用。在对金刚石砂轮的几何精度 测量中，光学式非接触式测量方法凭借其测量的准确性、方便性及便于维护性， 已成为目前首选的测量方式。 理想的砂轮表面形貌应具备以下特征：砂轮表面磨粒之间的问距要均匀；磨 粒之问的高度差要很小；磨粒要具有微刃性。目前，砂轮表面形貌的研究方法有 以下几种。一是采用激光三维扫描的方法对砂轮表面的形貌进行测量，再对砂轮 表面的频率构成进行频谱分析，重建砂轮表面的三维形貌，从而得出砂轮的磨粒 出刃高度、静态有效磨粒密度和磨粒平均间距【2 8 1 。二是采用数理统计分析的方法 对砂轮进行地形地貌评价研究，分别从砂轮的宽度方向和圆周方向选择合理的观 测区域，再对这些区域的磨粒进行数量统计，从而分析出这些磨粒的等高性、均 匀性和微刃性f 2 w 。 1 4 课题研究的内容及侧重点 1 4 1 研究的内容 本课题在国家“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项 ( 2 0 1 2 z x 0 4 0 0 3 1 0 1 ) 资助下，研究设计了一套激光在线修整金刚石砂轮的控制系 统，该系统以高精度激光c c d 位移传感器为检测器件，嵌入式a r m 为控制核心， y a g 声光调q 器为执行器件来实现金刚石砂轮的整形和修锐。重点解决砂轮修 整中控制响应的实时性、修整基准值的选取及修整精度的提高等问题，并通过分 析砂轮修整前后的表面形貌来进行验证。本论文所研究的内容主要包括以下方面： ( 1 ) 设计了一套以高精度激光c c d 位移传感器为检测器件，嵌入式a r m 为 控制核心的激光在线修整金刚石砂轮控制系统。 ( 2 1 在p c 上位机中开发了l a b v i e w 虚拟仪器，同时调用l i n u x 操作系统中 的信号中断机制，实现了基准值在p c 机与a r m 控制器间的自由传输。 ( 3 ) 对a r m 控制器的速度，主要是控制程序的执行速度进行了测试分析，并 硕士学位论文 结合经验公式得出了砂轮的最大转速，以保证砂轮修整中控制响应的实时性。 ( 4 ) 分析了在激光修整金刚石砂轮过程中，激光参数和工艺参数( 如调q 重 复频率、砂轮的转速及磨床的轴向进给速度等) 对砂轮修整精度的影响，并对这 些参数进行了优化。 ( 5 ) 对金刚石砂轮修整前后的精度及表面形貌进行了分析评估。 本论文采用激光三角测量原理，通过边检测边烧蚀的方法，研究设计一套合 理的激光修整金刚石砂轮控制系统，并通过一系列的金刚石砂轮修整试验来验证 控制系统的可行性。 1 4 2 研究的重点和难点 本课题研究的重点有：如何提高激光修整金刚石砂轮的精度及表面形貌质量； 如何解决激光修整基准信号值的选取问题；如何实现激光修整金刚石砂轮的效率 与精度的同步提高。 拟采取的方法：在提高激光修整金刚石砂轮的精度方面，采取激光加工光与 检测光分离的方法，即由激光位移传感器负责检测光的发送与接受，y a g 激光器 只负责脉冲加工光的开关，从而避免检测信号受激光器自身稳定性的影响；其次， 通过调整检测光与加工光的位置，使两者在砂轮表面完全重合，进而保证修整的 精度；再次，通过提高控制系统的灵敏度，包括a d 采样的分辨率、模拟放大的 倍数等，进一步保证砂轮修整的精度。在提高激光修整金刚石砂轮的表面形貌方 面，通过不断地调整激光参数( 如泵浦电流及调q 重复频率等) 以及改善加工工 艺参数( 如砂轮转速以及磨床的轴向进给速度等) ，最终实现各个参数间的优化， 达到提高砂轮表面形貌的目的。在激光修整基准值的选取方面，由于激光c c d 位移传感器能够实时地测量并显示砂轮表面的圆跳动数据，通过观察分析可以得 出修整的基准位置，再经过a d 转换计算得到该基准信号值，同时通过调用l i n u x 操作系统中的信号中断机制，实现基准值在p c 机与a r m 控制器问的自由传输， 即不需要通过反复修改程序即可达到改变程序中基准值的目的，从而降低了工作 量并提高了效率。在实现激光修整效率与精度的同步提高方面，由于数字测控系 统不可避免的存在着响应的延迟( 包括数据采样的延迟、数据处理的延迟及操作 系统调用的延迟等) ，而激光在出光的同时伴随着砂轮的转动，并且砂轮的转速直 接关系到加工的效率，若要提高效率就得提高砂轮转速，而砂轮转速的提高会相 对地增加控制系统响应的延时性，严重影响到激光修整的精度，即不能实现“测 哪打哪”的目的。为了解决这一矛盾，需要找到一个“中和点”，即在砂轮修整精 度误差要求的范围内实现激光修整效率的最大化。而通过保证测控系统反应时间 内砂轮转过的线位移小于激光光斑的半径，可以满足砂轮修整精度的误差要求， 从而最终实现激光修整效率与精度的同步提高。 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 本课题研究工作的难点为：如何实现激光对金刚石砂轮的高精度、高效率的 修整。首先要研究设计一套响应足够快、抗干扰力足够强的控制系统，该控制系 统要求能够准确地实现a d 转换、数值比较及稳定的电压输出功能，然后通过调 整并优化试验过程的激光参数和工艺参数，最终达到激光对金刚石砂轮高精度、 高效率修整的目的。 硕士学位论文 第2 章系统构成及原理分析 2 1 系统工作原理及流程 2 1 1 系统工作原理 如图2 1 所示，系统由激光c c d 位移传感器、下位机、p c 上位机、y a g 激 光器、声光调q 器、外光路及微动进给机床等组成。激光位移传感器采集砂轮表 面形貌信号，得到与砂轮表面径向位置成正比关系的电压信号，下位机对该电压 信号进行衰减偏移、滤波及a d 采样等一系列调理。待分析得出砂轮修整的基准 信号值后，通过上位机传给下位机。下位机调用程序实现采样信号值与基准信号 值的比较，再根据比较结果输出相应的t t l 电平，从而驱动声光调q 器，实现 y a g 激光器脉冲出光。当砂轮表面位置高于修整基准位置时，t t l 输出为低电平， 输出脉冲激光；当砂轮表面位置低于修整基准位置时，t t l 输出为高电平，无脉 冲激光输出。单个激光脉冲烧蚀的去除量都在微米级，且热影响区小，这样砂轮 在转动的同时进行缓慢的轴向进给，通过适时地调整基准信号值，再经过若干次 数的反复加工，直到达到理想的修整精度【30 1 。 反 2 1 2 系统工作流程 图2 1 系统结构示意图 系统工作过程分为以下几大步骤： ( 1 ) 砂轮表面形貌信号的采集与处理。 ( 2 ) 砂轮修整基准信号值的确定及调整。 ( 3 ) 对砂轮采取边检测边烧蚀的方法进行修整，反复此过程，直到达到预期 的砂轮修整要求。 具体的系统工作流程如图2 2 所示： 图2 2 系统工作流程图 2 2 激光位移传感器检测原理 检测部分精度的高低将直接影响到整个加工系统的精度，若检测到的信号不 能精确地反应砂轮表面位置形貌的高低变化，会导致后续一系列控制动作的不准 确甚至错误。本系统选用基恩士生产的l k 系列激光位移传感器，其内部含有c c d 光接收原件及3 2 位超高速r i s c 处理器以供信号处理。其特点如下：o 0 5 1 a m 的 解析度、f s 的0 0 5 的线性度、3 0 1 t m 的光斑直径及测量不受表面材料和漫反 射的影响。 激光位移传感器使用的是三角测量系统，图2 3 为激光位移传感器的三角测量 原理图。激光光束经会聚透镜聚焦后入射到被测物体上，被测物体表面变化导致 入射光沿入射光轴移动，其漫反射光经接收透镜成像在c c d 光敏元件上。若光 点在光敏元件成像面上的位移为x ，利用相似三角形的比例关系，被测面x 的位 移为【3 i j ： 锻s i n 良c o s 舅 x = ? = - = j l b s i n 尥+ 幺) 一x s i n ( 0 , - i - 0 2 + 0 3 ) 式中日，为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；0 2 为成像透镜光轴与被测面 法线之间的夹角；以为探测器光轴与成像透镜光轴之问的夹角。 硕士学位论文 图2 3 三角测量原理图 传统的激光位移传感器采用一个p s d ( 位置灵敏检测器) 作为光接收元件。 而l k 系列则使用c c d 作为光接收元件。p s d 型激光位移传感器使用p s d 上 的所有点的光量分布来决定光点的中心，并将此识别为目标位置。但光量的分布 会受目标表面的影响，可能造成测量上的误差。而c c d 型激光位移传感器会检 测出每一像素的光量分布峰值并以此做为目标位置。所以不管光点的光量分布如 何，c c d 都能实现稳定的高精确的位移测量。二者在定位时的比较如图2 4 所 不o 耄刭r 值巫 2 3 上下位机控制原理 图2 4c c d 与p s d 的比较 a r m 控制器的控制原理是将传感器每次检测到的位移信号量进行调理，包括 电压衰减偏移、二阶低通滤波及a d 转换：将上位机写入的基准信号值与调理后 的信号值进行比较，根据比较结果输出相应的控制信号，该信号经过t t l 输出电 路后生成相应的控制脉冲，从而控制调q 巨脉冲的发射。当调理后的信号值小于 基准信号值时，t t l 输出为高电平，无脉冲激光输出；反之，t t l 输出为低电平， 基于嵌入式的激光修整金刚石砂轮控制系统设计 输出脉冲激光。 p c 上位机的控制原理是通过与激光c c d 位移传感器相配套的软件将传感器 所检测到的砂轮表面形貌以图形的方式实时地显示出来，经分析后得出砂轮修整 的基准信号值，再通过l a b v i e w 虚拟仪器写给下位机。 2 4 声光调q 激光器工作原理 2 4 1 声光调q 固体激光器的基本结构 固体激光器的工作介质是激光器的核心，它是由在基质材料中均匀地掺入少 量的激活离子所组成。最具代表性的是掺杂n d 3 + 离子的钇铝石榴石晶体，简称 n d 3 + ：y a g ，其特别有利于激光作用的产生。y a g 晶体的立方结构在光学上具有 各向同性，有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低阀值的激光作用【3 2 。 y a g 固体激光器的连续平均输出功率一般比较低，本系统采用的y a g 固体 激光器平均