一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置及方法与流程

本发明属于准直器位姿调节领域，更具体地，涉及一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置及方法。

背景技术

随着国家航空航天工业、航母工业等行业的发展，对产品零部件材料的性能有了更严格的要求，出现了各种高硬度、高强度的工程材料(如aermet100钢、钛合金)。采用传统铣削加工工艺加工aermet100钢、钛合金等难加工材料时，刀具容易出现粘刀、不易断屑及刀具易磨损等问题，加工效率较低。而采用激光辅助铣削技术，能够有效减小切削力和抑制积屑瘤产生，同时能够改善粘刀现象和降低刀具磨损速率，在提高加工效率的同时也可改善加工表面质量。

激光辅助铣削的原理如图6所示，将高功率激光聚焦在切削区域前方的工件表面，在材料被切除前的短时间内将工件材料局部加热到较高的温度，使被加工材料的切削区域受热软化，从而有效降低工件材料的屈服强度，改善切削加工性能。在激光辅助铣削过程中，激光预热的温度直接影响切削效果，若激光光斑过小，则工件吸收的热量集中在较小的区域，温度梯度大，容易引起热应力和微观裂纹；若激光光斑过大，则工件吸收的热量分散在较大的区域，温度梯度小，虽然对热应力的影响小，但会直接影响加工效率。而光斑与刀具之间的距离也将影响切削效果，若距离过大，则切削区域预热效果不理想，距离过小则容易引起刀具的热冲击/疲劳，加剧刀具磨损。

因此，在激光辅助铣削过程中，需要根据切削参数和工件材料确定合适的预热温度，为了获得合适的预热温度，要求准直器的位姿(激光入射角度、激光光斑大小、激光光斑与刀具之间的距离)可调，此外在确定了合适的准直器位姿后，需保证激光辅助铣削过程中，尽量减小准直器的振动和激光光斑的偏移以保证切削效果，其对准直器位姿调节装置的刚度提出了更高的要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置及方法，其通过对关键组件如固定支板、方形滑轨、u型活动支背和十字交叉滑台机构的结构及其具体布置方式进行研究和设计，可有效地调节准直器的位姿，实现激光辅助铣削中激光入射角度、激光光斑大小以及激光光斑与刀具间相对位置的调节，满足激光辅助铣削对激光入射角度、光斑大小以及光斑与刀具之间的距离等工艺参数的要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置，其包括固定支板、一对相互平行的方形滑轨、u型活动支背和十字交叉滑台机构，其中，一对相互平行的方形滑轨安装于固定支板的两侧，且能相对于固定支板水平移动，两个方形滑轨在相对于固定支板水平移动的过程中始终保持平行；该对相互平行的方形滑轨远离所述固定支板的一端上分别对应安装有固定支背，所述固定支背分别与u型活动支背可枢转连接以形成旋转副，所述十字交叉滑台机构安装于u型活动支背上，该十字交叉滑台机构用于安装准直器，并带动准直器移动。

作为进一步优选的，所述固定支板两侧设有一对相互平行的与一对相互平行的方形滑轨滑动配合的方形滑道，保证两个方形滑轨平行移动；所述固定支板与机床主轴固定连接，以实现将整个位姿调节装置固定安装在机床主轴上，该机床主轴上安装有刀具，该刀具位于所述固定支板的下方。

作为进一步优选的，其中一方形滑道远离固定支背的一端设置有端面盖板，该端面盖板上安装有与方形滑道内对应的方形滑轨螺纹连接的第一丝杠，通过第一丝杠的旋转带动方形滑轨沿方形滑道水平移动。

作为进一步优选的，一对相互平行的方形滑轨通过连接板相连，以实现两方形滑轨的同步移动。

作为进一步优选的，两固定支背分别通过销轴与u型活动支背的两侧连接，两固定支背与u型活动支背相连的一侧设置有圆柱凸台，u型活动支背套装在两固定支背的圆柱凸台上。

作为进一步优选的，u型活动支背还通过螺栓与两固定支背相连，两固定支背上开设有与螺栓配合的u型孔。

作为进一步优选的，所述十字交叉滑台机构包括前后调节组件和左右调节组件，其中，前后调节组件包括下滑台，该下滑台穿过两导轨，并由两导轨安装在u型活动支背上，u型活动支背上还设置有与下滑台螺纹连接的第二丝杠，通过旋转第二丝杠带动下滑台沿导轨前后移动；左右调节组件包括上滑台，该上滑台位于下滑台的上方，所述下滑台上表面设有u型槽，其上安装有第三丝杠，该第三丝杠穿过u型槽，并与第二丝杠呈十字交叉，其上螺纹连接有螺母，该螺母与上滑台相连，通过旋转第三丝杠带动上滑台沿下滑台左右移动。

作为进一步优选的，所述准直器通过固定安装机构安装在十字交叉滑台机构上，该固定安装机构包括v型块和弧形盖板，所述v型块固定于上滑台上，准直器放置于v型块的v型槽中，弧形盖板位于准直器上方，其利用紧固件紧固于v型块上，以将准直器压紧在v型块上。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节方法，其采用所述准直器位姿调节装置进行，其包括如下步骤：

s1旋转u型活动支背使准直器处于所要求的角度，以完成激光入射角度的调节；

s2保持激光入射角度不变，旋转与上滑台相连的第三丝杠，带动上滑台与准直器沿下滑台移动，以完成激光光斑大小的调节；

s3保持激光入射角度和激光光斑大小不变，旋转与方形滑轨相连接的第一丝杠，使两方形滑轨沿着方形滑道进行移动，从而带着准直器沿进给方向移动，以完成激光光斑中心与刀具中心在进给方向上距离的调节；

s4保持激光入射角度、激光光斑大小及激光光斑中心与刀具中心在进给方向上距离不变，旋转与下滑台相连的第二丝杠，使下滑台带着准直器沿垂直于进给方向移动，以完成激光光斑中心与刀具中心在垂直于进给方向上距离的调节。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明研究设计的准直器位姿调节装置包含三个不同方向的移动副和一个旋转副，可以实现在激光辅助铣削过程中，对不同切削参数和工件材料所要求的激光入射角度、激光光斑大小以及激光光斑与刀具间距离进行准确方便调节。

2.本发明的准直器位姿调节装置采用双导轨和双旋转副对称支撑的结构，具有很好的结构刚度，极大地降低了准直器在激光辅助铣削过程中的振动和激光光斑的偏移，保证了准直器位姿调节的准确性和加工稳定性。

3.本发明的准直器位姿调节装置固定安装在机床主轴上，整体结构布局紧凑，尺寸较小，占用空间小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置的右视图；

图3是本发明实施例提供的方形滑轨与方形滑道的传动原理图；

图4a是本发明实施例提供的旋转副的结构示意图；

图4b是图4a的a-a向剖视图；

图5a是本发明实施例提供的十字交叉滑台机构的结构示意图；

图5b是图5a的b-b向剖视图；

图5c是图5a的俯视图；

图6是激光辅助铣削的原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-机床主轴，2-固定支板，3-螺钉，4-手柄，5-第一丝杠，6-端面盖板，7-刀具，8-弧形盖板，9-准直器，10-下滑台，11-第三丝杠，12-第一紧定螺钉，13-导轨，14-v型块，15-上滑台，16-第二紧定螺钉，17-u型活动支背，18-第二丝杠，19-螺母，20-螺栓，21-销轴，22-导轨，23-固定支背，24-方形滑轨，25-旋转手柄，26-第三紧定螺钉，27-连接板，28-固定支背，29-方形滑轨，30-第四紧定螺钉，31-止推套，32-销，33-销轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置，其包括固定支板2、一对相互平行的方形滑轨24，29、u型活动支背17和十字交叉滑台机构，其中，一对相互平行的方形滑轨24，29安装于固定支板2的两侧，且能相对于固定支板2水平移动(如图1所示，方形滑轨24，29相对于固定支板2左右移动)，两个方形滑轨24，29在相对于固定支板2水平移动的过程中始终保持平行；该对相互平行的方形滑轨24，29远离所述固定支板2的一端上分别对应安装有固定支背23，28，即每一方形滑轨上设有一固定支背，固定支背23，28分别与u型活动支背17可枢转连接以形成旋转副，例如分别通过销轴21，33与u型活动支背17相连，通过旋转u型活动支背17实现激光入射角度的调节，而十字交叉滑台机构安装于u型活动支背17上，该十字交叉滑台机构用于安装准直器9，并带动准直器9移动。

本发明通过调整旋转副可以对激光入射角度进行调节，调整方形滑轨可对激光光斑中心与刀具中心在进给方向上的距离进行调节，调整十字交叉滑台机构可对激光光斑的大小以及激光光斑中心与刀具中心在垂直于进给方向上的距离进行调节。本发明的方形滑轨采用平行双滑轨结构，可提高整个装置的刚度，本发明形成的旋转副为对称分布同轴双旋转副结构，可有效提高整个装置的刚度。

如图1所示，固定支板2与机床主轴1固定连接，具体通过分布于四周的螺钉3实现与机床主轴1的固定连接，以实现将整个位姿调节装置固定安装在机床主轴1上，主轴1上安装有刀具7，刀具7位于固定支板2下方。

如图2所示，固定支板2两侧设有一对相互平行的与一对相互平行的方形滑轨24，29滑动配合的方形滑道，两方形滑轨对应插装在方形滑道内，与方形滑道滑动配合，通过两方形滑道的设置以保证两个方形滑轨平行移动。

如图1-3所示，其中一方形滑道远离固定支背的一端设置有端面盖板6，该端面盖板6上安装有与方形滑道内方形滑轨螺纹连接的第一丝杠5，通过第一丝杠5的旋转带动方形滑轨沿方形滑道水平移动，例如在第一丝杠5上设置手柄4，通过旋转手柄4带动第一丝杠旋转，通过方形滑轨的水平移动，其移动方向与刀具的进给方向平行，进而实现准直器发出的激光的光斑中心与刀具中心在进给方向上距离的调节。此外，两方形滑道上对应安装有第三紧定螺钉26和第四紧定螺钉30，当方形滑轨调节到位后，通过旋转第三紧定螺钉26和第四紧定螺钉30以顶紧方形滑轨进而实现方形滑轨的固定。第一丝杠5位于端面盖板6的外部套装有止推套31，止推套31通过销32与第一丝杠5固定在一起。

具体的，一对相互平行的方形滑轨24，29通过连接板27相连，以实现两方形滑轨24，29的同步移动，该连接板27具体设置在两方形滑轨的上表面，也可设于两固定支背的上表面并与两固定支背相连。

如图4a和图4b所示，固定支背23、28与u型活动支背17的两侧通过销轴21、33连接在一起，同时u型活动支背17套在两固定支背23、28的外侧圆柱凸台上，实现在u型活动支背17绕销轴21、33进行旋转的基础上进一步提高装置的刚度。进一步的，u型活动支背17还通过螺栓20与固定支背23、28相连，该固定支背23、28上开设有与螺栓20配合的u型孔，即通过螺栓穿过固定支背上的u型孔及u型活动支背实现u型活动支背17与固定支背23、28的连接。

如图5a-5c所示，十字交叉滑台机构包括前后调节组件和左右调节组件，其中，前后调节组件包括下滑台10，该下滑台10穿过两导轨13，22，并由两导轨13，22安装在u型活动支背17上，两导轨13，22对称设置在u型活动支背17上。u型活动支背17上还设置有与下滑台10螺纹连接的第二丝杠18，该下滑台10的中部设有与第二丝杠螺纹连接的螺纹孔，通过旋转第二丝杠18带动下滑台10沿导轨13，22水平前后移动，移动方向与刀具的进给方向垂直，以此实现激光光斑中心与刀具中心在垂直于进给方向上的距离的调节。此外，u型活动支背17上设置有第一紧定螺钉12，当下滑台10调节到位后，通过旋转第一紧定螺钉12以顶紧下滑台10的底面进而固定下滑台。

如图5b所示，左右调节组件包括上滑台15，该上滑台15位于下滑台10的上方，下滑台10上表面设有u型槽，其上安装有第三丝杠11，该第三丝杠11穿过u型槽，并与第二丝杠18呈十字交叉，该第三丝杠11上螺纹连接有螺母19，该螺母19与上滑台15相连，通过旋转第三丝杠11带动上滑台15沿下滑台10移动，实现激光光斑大小的调节，即实现准直器的激光入射点与准直器发射在待加工工件上的激光光斑中心点之间的距离的调节。具体的，下滑台10优选为t型导轨，上滑台15一端部设有一个通孔，螺母19一侧设有一圆柱，将螺母19一侧圆柱嵌于上滑台15端部的通孔中，实现螺母19与上滑台15的紧固。此外，上滑台15两侧面设置有第二紧定螺钉16，当上滑台调节到位后，通过旋转第二紧定螺钉16以顶紧下滑台侧面，进而实现上滑台的固定。

进一步的，准直器9通过固定安装机构安装在十字交叉滑台机构上，如图5a所示，固定安装机构包括v型块14和弧形盖板8，v型块14固定于上滑台15上，准直器9放置于v型块14的v型槽中，弧形盖板8位于准直器9上方，其利用紧固件例如螺钉紧固于v型块14上，以将准直器9压紧在v型块14上，实现将准直器9固定安装于准直器位姿调装置的末端。

下面对本发明的准直器位姿调节装置的工作过程进行说明：

在激光辅助铣削中，需要通过调整准直器位姿进行控制的激光参数包括：激光入射角度、激光光斑大小、激光光斑中心与刀具中心间相对位置(两中心在进给方向上的距离和垂直于进给方向上的距离)。

首先，对激光入射角度进行调节，此项参数通过调整旋转副进行调节，在调整之前，将两旋转副的螺栓连接机构调至松弛状态，然后旋转u型活动支背使准直器处于所要求的角度，最后拧紧两旋转副的螺栓，以固定激光入射角度，至此激光入射角度的调节已经完成；

其次，对激光光斑的大小进行调节，此项参数通过调整十字交叉滑台上滑台的位置进行调节(相当于调整激光入射点与激光光斑中心点之间的距离)；在调整之前，将上滑台两侧的紧定螺钉调至松弛状态，然后旋转与上滑台相连接的丝杠，进而带动上滑台与准直器沿着下滑台移动，根据激光辅助铣削对激光入射点与激光光斑中心之间距离的要求，调整好准直器在下滑台上的位置，最后拧紧上滑台两侧的紧定螺钉，至此激光光斑大小的调节已经完成；

然后，对激光光斑中心与刀具中心在进给方向上的距离进行调节，此项参数通过调整方形滑轨的位置进行调节，在调整之前，将两方形滑轨上面的紧定螺钉全部调至松弛状态，然后旋转与方形滑轨相连接的丝杠，使两方形滑轨沿着方形滑道进行移动，从而带着准直器沿进给方向进行移动，根据激光辅助铣削对激光光斑中心与刀具中心在进给方向上距离的要求，将准直器在进给方向的位置调整好，最后将两个方形滑轨上方的紧定螺钉拧紧，至此激光光斑中心与刀具中心在进给方向上距离的调节已经完成；

最后，对激光光斑中心与刀具中心在垂直于进给方向上的距离进行调节，此项参数通过调整十字交叉滑台下滑台的位置进行调节；在调整之前，将下滑台下方的紧定螺钉调至松弛状态，然后旋转与下滑台相连接的丝杠，使下滑台带着准直器沿圆柱导轨进行移动，进而使激光光斑在垂直于进给方向上进行移动，根据激光辅助铣削对激光光斑中心与刀具中心在垂直于进给方向上距离的要求，将下滑台与准直器的位置调整好，最后将下滑台下方的紧定螺钉拧紧，至此激光光斑中心与刀具中心在垂直于进给方向上距离的调节已经完成。

本发明能够实现激光辅助铣削中激光入射角度、激光光斑大小以及激光光斑与刀具间相对位置的调节，本发明的装置采用双滑轨和双旋转副对称支撑的方式，保证该装置有较好的刚度，从而极大地减小在激光辅助铣削过程中准直器的振动和激光光斑的偏移，保证了激光辅助铣削过程中激光光斑与刀具间相对位置的稳定与准确性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。