（机械工程专业论文）声光调q+nd：yag脉冲激光修整青铜金刚石砂轮精度和效率研究.pdf

声光调qn d ：y a g 脉冲激光修整青铜会刚石砂轮精度和效率研究 摘要 青铜金刚石砂轮具有异常优良的磨削性能，在难加工材料的磨削、精密磨削、 高效磨削和磨削自动化中有广泛的应用前景。近年来，由于砂轮制造问题得以突 破及陶瓷、玻璃等难加工材料应用增多，青铜金刚石砂轮应用急剧增加。由于金 刚石硬度极高，传统、单一的“硬碰硬”修整方法不适合青铜金刚石砂轮的修整， 严重影响了其优良磨削性能的充分发挥。基于微区热作用的激光烧蚀微细加工修 整已被广泛认为是一种非常有发展前途的方法。 本文基于三角测量原理，通过确定合理的试验方案、选取理想的结构参数和 接收透镜，设计了一套激光光路系统，加工了一套较为精密三角测量装置。进行 了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验，研究了激光功率密度、平均功率、脉冲 重复频率和离焦量对青铜金刚石砂轮烧蚀效果的影响。通过分析单脉冲激光烧蚀 试验后的砂轮表面形貌图，找到了激光精密修整试验所需的最合适激光参数。进 行了激光修整砂轮的可行性分析，研究了声光调q 脉冲激光修整青铜金刚石砂 轮的机理。 采用p s d 作为光电检测元件，研究了p s d 的工作原理，从理论上推导了输 出电压矾与圆跳动x 之间的线性关系。用二维精密位移台的微量进给模拟砂轮 表面圆跳动，对微位移量与输出电压信号之间的关系进行了标定。试验结果表明： 骗与彳成线性关系，标定结果与理论值吻合，从而验证了三角测量系统和检测 电路的准确性。将三角测量系统和检测电路应用于激光烧蚀系统标定试验，其标 定结果为下一步激光精密修整试验做好了准备。 直接以加工激光作为光学三角检测光源，即检测光源与加工光源合二为一， 以保证砂轮的测量位置与加工位置一致。同时根据激光烧蚀系统标定的结果来调 整比较电压，分粗修和精修两步进行砂轮精密修整试验。用体视显微镜观察分析 了修整后砂轮表面形貌图。 最后研究了激光机械复合精密修整技术，砂轮修整精度得到了进一步的提 高。该技术适合于磨粒尺寸较大的青铜金刚石砂轮精密修整。 关键词：青铜金刚石砂轮；激光修整；三角测量；系统标定；砂轮地形地貌 i i a b s t r a c t w i t he x c e l l e n tg r i n d i n gp e r f o r m a n c e ，t h eb r o n z e b o n d e dd i a m o n dw h e e l sh a v e aw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do fp r e c i s i o n ，u l t r a - p r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y g r i n d i n g ，g r i n d i n ga u t o m a t i o na n dd i f f i c u l tp r o c e s s i n gm a t e r i a lf o r m i n g i nr e c e n t y e a r s ，b e c a u s eo ft h eb r e a k i n gt h r o u g ho ft h eg r i n d i n gw h e e l sm a n u f a c t u r eq u e s t i o n a n dt h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o nt od i f f i c u l tp r o c e s s i n gm a t e r i a l ss u c ha sc e r a m i c s ， g l a s s e sa n ds oo n ，b r o n z e b o n d e dd i a m o n d w h e e l sa p p l i c a t i o ng r o w t hs h a r p l y b e c a u s eo ft h eu l t r a h i g hh a r d n e s so fd i a m o n d ，i t sd i f f i c u l tf o rt r a d i t i o n a lt r u i n ga n d d r e s s i n gm e t h o dw h i c hw a s b a s e do nt h ei n t e r a c t i o no ff o r c et op r o m o t w h i c hr e a l l y a f f e c t st h eg r i n d i n gp e r f o r m a n c eo fb r o n z e b o n d e dd i a m o n dw h e e l s an e wm e t h o d w h i c ht os o l v ep r o b l e m so ft r u i n ga n dd r e s s i n gb r o n z e b o n d e dd i a m o n dw h e e l f u n d a m e n t a l l yt r u i n gh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d as e to fl a s e rt r i a n g u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h r e ea n g u l a rm e a s u r e m e n t m e n s u r a t i o n sh a sb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h er e a s o n a b l et e s t i n gp r o g r a mh a s b e e nd e t e r m i n e d ，t h er e a s o n a b l ed e s i g np a r a m e t e ra n dt h ea p p r o p r i a t eo p t i c a l e l e m e n t sa r es e l e c t e d t h ee x p e r i m e n to fas i n g l ep u l s ea b l a t i o no nab r o n z e - b o n d e d d i a m o n dw h e e lh a sb e e nc a r r i e do u t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea b l a t e de f f e c ta n d s o m ed i f f e r e n tl a s e ra b l a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha sl a s e ri n t e n s i t y ，p o w e ri n t e n s i t y , r e p e t i t i o nf r e q u e n c ya n df o c a lp o s i t i o n ，h a sb e e na n a l y z e d t h ea b l a t e dt o p o g r a p h i e s o ft h ew h e e lw e r eo b s e r v e d ，o b t a i n e dt h ea p p r o p r i a t el a s e rp a r a m e t e r st ot r u i n ga n d d r e s s i n gw h e e l a n a l y z e dt h eb r o n z e - b o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e lt r u i n ga n d d r e s s i n gm e c h a n i s mb yl a s e r u s i n gp s d a st h ee l e c t r o o p t i cd e t e c t i n ge l e m e n t ，t h ep r i n c i p l eo fw o r ko fp s d h a sb e e na n a l y z e d u s i n gt h em i c r o f e e do ft h e2 - dp r e c i s i o np o s i t i o n e dt os i m u l a t e t h ep r e c i s ec i r c l eb e a to ft h eg r i n d i n gw h e e ls u r f a c e ，t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n u 0a n dxi nt h e o r yi sd e r i v e d d e m a r c a t i o ni sc a r r i e do nt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h em i c r od i s p l a c e m e n ta n dt h eo u t p u tv o l t a g es i g n a l t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nu 0a n dx i sl i n e a r t h er e s u l t so fc a l i b r a t i o nc o i n c i d ew i t h t h et h e o r e t i c a lv a l u e ，a n dt h ea c c u r a c yo ft r i a n g u l a t i o ns y s t e ma n dd e t e c t i o n c i r c u i ti sv e r i f i e d t h e nt h et r i a n g u l a t i o ns y s t e ma n dd e t e c t i o nc i r c u i ta r eu s e d i nt h el a s e ra b l a t i o ns y s t e md e m a r c a t i o ne x p e r i m e n t w h i c ha r ep r e p a r e df o rt h e n e x tp r e c i s i o nl a s e rt e s t i i i t om a k et h e s u r v e y sp o s i t i o n a n di t s i n t e g r a t i o n w i t ht h e o p t i c s t r i a n g u l a t i o n ，t h ep r o c e s s e sl a s e ri su s e df o rt r i a n g u l a rs u r v e y i n gd i r e c t l y ，a n dt h e l i g h ts o u r c eo fe x a m i n a t i o na n dp r o c e s s i n gi sm a d ei n t oo n e a c c o r d i n gt o t h e r e s u l t so fc a l i b r a t i o n ，a d j u s t i n gt h ec o m p a r i s o nv o l t a g e w eh a v ec h o o s e n r e a s o n a b l el a s e rp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h ee x p e r i m e n ta n da n a l y z e dt h et r u i n g a n dd r e s s i n g t o p o g r a p h i e s i ne a c hk i n do fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e rb y v i d e o m i c r o s c o p e t h ep r e c i s e l yt r u i n ga n dd r e s s i n gt e c h n o l o g yo fl a s e r m a c h i n e r yw h i c hi s s u i t a b l et ot r u i n ga n dd r e s s i n gb r o n z e - b o n e dd i a m o n dw h e e l sw i t hb i g g e ra b r a s i v e s i ns i z e w h i c hw i l lb es t u d i e di nf u r t h e r k e y w o r d s ：b r o n z e - b o n d d i a m o n dw h e e l ；l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n g ；l a s e r t r i a n g u l a t i o n ；s y s t e mc a l i b r a t i o n ；g r i n d i n gw h e e lt o p o g r a p h y i v 声光调qn d ：y a g 脉冲激光修整青铜会刚，( i 砂轮精度和效率研究 插图索引 图1 1g c 杯形砂轮修整器示意图。2 图1 2 软弹性修整装置图一3 图1 3e l i d 修整装置及修整原理3 图2 1 反射型直射式光路图1 1 图2 2 反射型斜射式光路图一1 1 图2 3 激光三角测量原理图1 2 图2 4 方案一原理图1 3 图2 5 方案二原理图13 图2 6 实际的反射模型示意图1 6 图2 7 三角测量装置实物图1 8 图3 1 单脉冲激光烧蚀试验装置示意图一2 0 图3 2 单脉冲激光烧蚀试验装置实物图2 0 图3 3 试验用砂轮外形图21 图3 4 金刚石晶胞空间结构示意图2 2 图3 5 人造单晶金刚石晶体形状2 2 图3 6 激光平均功率与泵浦电流强度关系曲线图2 4 图3 7 声光调q 脉冲激光序列2 5 图3 8 脉冲分离示意图2 9 图3 9 光切法显微镜工作原理图3 0 图3 1 0 激光功率密度、脉冲重复频率和离焦量与烧蚀凹坑深度关系益线一3 2 图3 1 1 声光调qy a g 单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮s e m 图3 3 图3 1 2 激光烧蚀过程框图3 8 图3 1 3 激光修整砂轮示意图4 0 图4 1 一维p s d 的剖面结构图4 3 图4 2 检测装置示意图4 6 图4 3 输出矾与p s d 上像点位移d 的关系图4 6 图4 4 检测电路流程图4 7 图4 5 声光调qn d ：y a g 激光器示意图4 8 图4 6 模拟标定实物图4 9 图4 7 模拟标定再砜曲线5 0 图4 8 模拟标定x - d 曲线5 2 硕t 学位论文 图4 9 实际标定试验用砂轮结构图5 3 图4 1o 声光调q 开关5 4 图4 1 1 泵浦电流强度与激光漏光功率的对应关系图5 4 图4 1 2 激光烧蚀系统标定实物图5 5 图4 13 实际标定尽曲线5 6 图5 1 声光调qy a g 激光修整青铜金刚石砂轮原理示意图5 9 图5 2 激光修整青铜金刚石砂轮试验装置5 9 图5 3 修整前观察表面形貌一6 0 图5 4 闭环控制激光修整青铜金刚石砂轮6 l 图5 5 激光修整后青铜金刚石砂轮表面外观图一6 2 图5 6 激光修整后青铜金刚石砂轮表面微观形貌图6 2 图5 7 碳化硅滚轮修整青铜金刚石砂轮6 3 图5 8 复合法光学显微镜照片6 3 图5 9 磨钝后光学显微镜照片6 4 i x 附表索引 表3 1 金刚石的物理性质一2 2 表3 2 金刚石在不同介质条件下的热稳定性2 3 表3 3 青铜的热物理性质2 3 表3 4 激光平均功率与泵浦电流强度的对应关系表2 4 表3 5 脉宽与重复频率的对应关系表一2 5 表3 6 a 单脉冲激光功率密度i ( 1 0 7 w c m 2 ) a = 0 2 6 表3 6 b 单脉冲激光功率密度i ( 1 0 7 w c m 2 ) a = 3 0 m m 2 6 表3 7 实现烧蚀凹坑沿砂轮表面周向分离重复频率厂和转速刀的对应表2 8 表3 8 横向进给速度，与砂轮转速刀的关系2 9 表3 9 不同激光参数条件下的烧蚀凹坑深度h ( g m ) 一3 0 表4 1 像点在p s d 上不同位置时，l 和如的对应关系4 4 表4 2 模拟标定再对应关系表( 1 w ) 4 9 表4 3 模拟标定尽砜对应关系表( 5 w ) 4 9 表4 4 模拟标定卫对应关系表( 1 0 w ) 4 9 表4 5 模拟标定x - d 对应关系表( 1 w ) 5 1 表4 6 模拟标定x - d 对应关系表( 5 w ) 5 1 表4 7 模拟标定x - d 对应关系表( 1 0 w ) 5 1 表4 8 激光漏光功率与泵浦电流强度的对应关系表5 4 表4 9x - u o 对应关系表( 1 w ) 5 5 表4 10x - u o 对应关系表( 5 w ) 5 5 表4 1 1 再矾对应关系表( 1 0 w ) 5 5 表5 1 青铜结合剂金刚石砂轮整形后圆跳动误差( i x m ) 6 3 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 谢习挫 日期：埤月旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 西年g 刚日 日期：沙唧年厂月f 日 第1 章绪论 1 1 青铜金刚石砂轮及其修整概述 1 1 1 青铜金刚石砂轮简介 由金刚石或立方氮化硼( c b n ) 磨料制作的超硬磨料砂轮，因其优良的磨削性 能，已广泛应用于磨削领域的各个方面。超硬磨料砂轮是磨削硬质合金、玻璃、 陶瓷、宝石等高硬脆材料的有效工具。近几年来，随着高速磨削和超精密磨削技 术的迅速发展，对砂轮提出了更高的要求，陶瓷和树脂结合剂的砂轮已不能满足 生产的需要，金属结合剂砂轮因其结合强度高、成型性好、使用寿命长等显著特 性而在生产中得到了广泛的应用【卜3 1 。 金刚石是目前为止最硬的材料，理论上可以加工任何材料，但在高温时易与 黑色铁基金属发生氧化反应。金刚石砂轮适于加工硬质合金以及光学玻璃、玛瑙、 陶瓷、半导体材料、石材、混凝土等非金属材料和有色金属。金刚石对硬质合金 的研磨能力比碳化硅高数千倍。刃磨硬质合金车刀时，每磨除l g 金属要消耗碳 化硅磨料4 1 5 9 ，而金刚石只消耗2 - - 4 m g 。金刚石砂轮磨削工具合金钢时，比 普通砂轮磨削比提高1 0 倍以上，成本降低l0 ，还避免了普通砂轮加工容易引 起的烧伤现象【4 】。 在我国，金刚石砂轮应用广泛。结合剂方面，从1 9 8 0 年到1 9 9 9 年，陶瓷结 合剂砂轮、电镀砂轮增长较快，树脂结合剂下降较快，金属结合剂变化不大。青 铜金刚石砂轮是以金刚石为磨料，以青铜等金属粉末为结合剂，通过配置、混合、 压制成型、烧结、机械加工等工艺过程制成的具有不同形状，适应不同要求的砂 轮。青铜金刚石砂轮的特点是：耐用度高、能承受较大的磨削压力、砂轮型面保 持性比较好、结合剂强度高、把持力强、有利于提高磨削速度。在应用中占有重 要地位，但是修整比较困难【5 】。 1 1 2 青铜金刚石砂轮传统修整方法及现状 金属结合剂金刚石砂轮虽然硬度高、磨损慢，但自锐性很差。在磨削过程中， 由于磨削力和磨削区域高温、粘附等作用，砂轮工作表面的磨粒会逐渐钝化。同 时，砂轮工作表面的磨粒会因不均匀磨损而失去正确的原始几何形状。因此，为 保持金刚石砂轮良好的磨削性能，砂轮需要定期修整。传统的超硬磨料砂轮修整， 通常分为整形和修锐两个工序。整形是对砂轮进行微量去除，使砂轮达到所要求 的几何精度；修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨 粒凸出结合剂之外，形成切削刃【们，虽然金刚石砂轮的抗磨损能力很强，不需要 声光调qn d ：y a g 脉冲激光修掺青铜令刚石砂轮精度和效罕硎歹e 经常修整，但是磨钝以后修整困难【7 】。 目前，金属结合剂金刚石砂轮的修整方法除了采用制动式修整器修整外，由 于金属结合剂具有导电的特点，可采用电加工的方法修整。比如电解修整法、电 火花修整法等。电解修整法需要直流电源，直流电源的正极接被修整的金刚石砂 轮，负极接电解电极。调整两极之间的距离( 0 1 一l m m 或更小) ，并用一定压力 ( o 5 - - 2 m p a ) 的电解液从砂轮与电极之间流过，砂轮上金属结合剂被逐渐电解腐 蚀( 亦称电化学阳极溶解) 。电解产物被高速( 5 5 0 m m i n ) 的电解液带走，使金刚 石砂轮在连续磨削过程中得以修整。电火花修整法需要用一套专用直流脉冲电 源，用线电极和石墨轮电极供电。其原理是使修整电极与金刚石砂轮中的金属结 合剂在一定间隙下产生放电现象，将金属结合剂电蚀掉，使金刚石磨粒有效地暴 露出来。两种方法各有利弊，其中电解法效率高，精度不高。电火花法精度比电 解法高，但效率低。两种修整法都需专门的设备，操作不易掌握。而电解电火 花综合法仅适用于小型复杂成形砂轮，精度虽高，但成本太高，同时都只能修锐， 不能直接整形。 为改进传统方法的缺点，日本东北大学学者研制出了g c 杯形砂轮研磨修整 法( 图1 1 ) 【8 】，其修整机理如下：修整过程中，从杯形砂轮上脱落下来的磨粒 对金刚石磨粒和结合剂产生冲击、研磨作用，从而达到修整效果。脱落下来的磨 粒越大，修整效率越高，金刚石表面越粗糙。由于依靠从g c 杯形砂轮上脱落的 磨料与金刚石砂轮的研磨作用，因此对密实型金刚石砂轮既可整形，也可修锐， 但修整工具耗损严重，同时效率很低。 盘雕荟移缝 图1 1g c 杯形砂轮修整器示意图 清华大学的研究人员提出了软弹性修整方法( 图1 2 ) ，修整原理是被修整的 砂轮以较高速度旋转，而卷带轮以较慢的速度旋转，带动沙带缓慢移动，在工作 时，始终有新沙带进入磨削区，对砂轮进行修整。这种方法保持了修整工具始终 锋利，有良好的容屑空间，所以提高了修整效率和修整效果【9 , 1 0 】。 2 1 ) # 自，2 ，# * 自- # 4 i ) * 5 1 * i 6 ) * 目，t i ，e # * a 图i2 软弹性佬整装置图 为适应新型材料镜面磨削的需要发展了e l i d ( e l e c t r o l y t i ci n p r o c e s s d r e s s i n g ) 在线修整技术( 图13 ) 】。此外，还发展了电火花接触修整( e c d d ， e l e c t r o c o n t a c t d i s c h a r g ee n e r g yd r e s s i n g ) ”】、电化学在线修整( e c d ， e l e c t r o c h e m i c a li n p r o c e s sc o n t r o l l e dd r e s s i n g ) ”3 1 、电化学放电加工( e c d m ， e l e c t r oc h e m i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) i “1 和磁粉研蚀修整( m a pd r e s s i n g ) 【”】等， 但这些修整方法对磨削液有特别的限制，需要专门的电源装置，价格较高。不能 进行整形，主要适于微粉砂轮。 囤l3e l i d 修整装置及恬整原理 随着各种复杂型面零件的加工越来越多，成形磨削在生产中应用日益广泛， 对成形砂轮修整提出了很高的要求。目前常用的成形砂轮修整法，按修整廓形原 理，可分为近似圆弧法、样板靠模法、金刚石滚轮法，此外石墨电极电火花修整 法也有所应用”“。为满足修整精度、柔性、可校正性和自动化程度等方面的要求， 开发c n c 修整技术是很有前途的。国外高精度机床基本配备了c n c 砂轮修整器， 但价格昂贵。为此，开发低成本、高性能、适应性广、工业化应用的超硬磨料砂 轮修整技术是当务之急，特别是解决成形砂轮和精密磨削中超硬磨料砂轮的修整 问题i 。开发在线自动修整系统，提高修整效率也是发展的方向。迄今为止，能 整形和修锐同时进行的修整方法极少，探求整形和修锐能同时进行的修整方法也 是很有意义的。而且针对大粒度砂轮的修整至今仍是个难题。 ll3 激光修整概述 金剐石等超硬磨料砂轮的深切磨削、超高速磨削和快速点磨，不仅实现了高 声光调0n d ：y a g 脉冲激光修按青铜会刚石砂轮精度和效率研究 效率和高表面完整性加工，而且还能得到高精确度的尺寸【1 8 】。由于超硬磨料的 硬度和金属结合剂的韧性，用传统的机械修整方法对金刚石砂轮进行修整，不仅 修整工具磨损快，而且修整时间长，很难满足修整的质量和效率要求。激光砂轮 修整是一种新的非接触修整方法，无机械力作用，利用激光束在砂轮表面快速扫 描，在不损伤磨料的情况下，使结合剂直接气化或者熔化后被吹除，简化了复杂 的修锐工艺，提高了生产效率。 ， 激光具有单色性好、方向性强、能量密度集中、相干性好等优点。激光修整 超硬磨料砂轮是应用激光加工具有高能量密度、高注入速度、高加工效率、无工 具损耗、非接触、易控制和无公害等特点，利用光学系统把激光束聚焦成极小的 光斑作用于砂轮表面，可以在极短的时间内使砂轮局部表面的材料熔化或汽化。 从理论上讲，通过对整个砂轮表面的激光作用，可以修整各种磨料和结合剂的砂 轮。用激光修整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足够高，可同时去除砂轮表 面的磨粒和结合剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获得精确的几何形状，达 到修整的目的。另一方面超硬磨料与结合剂材料的物理性能相差较大，理论计算 表明，在相同的激光作用时间内，超硬磨料达到熔点所需的激光功率密度比结合 剂材料高一个数量级。通过控制激光加工参数，可选择性地去除结合剂材料，而 不损伤超硬磨粒，使磨粒凸出，在砂轮表面形成容屑空间，达到修锐的目的。 激光修整超硬磨料砂轮实质上是基于激光烧蚀的机理，而激光烧蚀材料过程 十分复杂，它包括加热、熔化、汽化、电离以及热应力、应力波、烧蚀冲击波等 多种效应，这些效应使材料去除而形成凹坑。由于烧蚀条件不同，激光去除材料 的机理也不同。影响激光去除材料机理的烧蚀条件主要有激光波长、激光功率密 度、激光的脉冲宽度、离焦量和材料的热物理性能和材料的结构及组成等。因此， 研究激光烧蚀去除材料的机理，对控制和优化激光修整超硬磨料砂轮表面的过程 十分重要1 1 9 】。 采用激光修整砂轮具有以下特点： ( 1 ) 适应性广：激光修整砂轮基于热作用，可适应各种结合剂和磨粒的砂轮 修整： ( 2 ) 效率高：激光修整砂轮去除量大，速度快； ( 3 ) 易获得良好的地形地貌：激光热作用区域小，能得到较大的容屑空间和 合适的磨粒凸出高度； ( 4 ) 非接触加工、没有修整工具的磨损，不用修整液体，对环境友好； ( 5 ) 有利于延长砂轮的使用寿命：激光修整可选择性去除磨粒或结合剂，有 利于节省材料； ( 6 ) 易获得较理想的精度：通过对激光的控制，可得到较高的修整精度。 4 硕l 二学位论文 1 2 激光三角测量方法概述 1 2 1 三角测量法 三角测量是一种很古老的测量方法，它的基本思路可以追溯到遥远年代的灯 塔导航和土地丈量等，当时只是用于粗测估计，准确度较低。三角测量法是在地 面上选定一系列的点，并构成相互连接的三角形，由已知的点观察各方向的水平 角，再测定起始边长，以此边长为基线，即可推算各点的经纬度座标。 “三角形”测量法按照空间概念的不同，可以分为水平面三角形和竖直面三角 形测量法。按照计算模型和原理的不同，它又可分为运用正弦定理和余弦定理求 解一般三角形和运用正切函数求解直角三角形。 三角测量法主要应用在各种地形、工程测量中。特别是测量中遇有高大障碍 物测量、遇到重要跨越时测量、无法得到平距时等情况的时候测量更要用到三角 测量来测定未知点的坐标和高程。 到了近代，工业生产的飞速发展对非接触实时快速测量提出了越来越多、越 来越高的要求，传统的非接触式测量已经无法满足工业界的要求，而激光技术、 计算机控制技术、电子技术、计算机信息处理技术、光学元器件工业等的发展使 高准确度的激光三角测量成为可能。借助于现代科学技术，古老的三角测量法又 恢复了活力 2 0 l 。 目前微位移测量中常用的测量方法有大致以下几种： ( 1 ) 机械法：如国学机械法、杠杆测量法等； ( 2 ) 电学法：如电阻法、电容法、电感法等； ( 3 ) 光电法：如干涉法、偏光法、扫描电镜法等。 在以上方法中机械法属于接触式测量，无法满足非接触测量的需要；电学法 也属于接触测量，电容法虽为非接触测量，但量程小、精度低、对被测工件有一 定要求；光电法是一种较为成熟的测量方法，测量分辨率较高( 有的方法分辨率 可达1 p m 以下) ，但采用光电法原理的测量仪通常仅适合于计量室环境，不适合 生产现场的在线检测【2 1 1 。 1 2 2 激光三角测量法 激光三角法是光电检测的一种，它是目前非接触测量的主要方法之一。激光 三角测量以其非接触、不易损伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、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。它应用于三维轮廓、厚 度、宽度及振动测量中【2 2 1 。激光三角法微位移检测技术具体讲来有以下优点【2 3 】： ( 1 ) 采用半导体激光器，测量仪器体积小。 ( 2 ) 半导体激光方向性好，光功率高，使测量仪器分辨率高、稳定性好、测 5 声光调qn d ：y a g 脉冲激光修整青铜会刚石砂轮精度和效琦爰研究 量精度高。 ( 3 ) 可与计算机结合，组成测量自动化程度较高的智能型量仪。 ( 4 ) 可在生产现场实现在线检测。 ( 5 ) 由于测量原理属于非接触测量，因此对被测工件材料无特殊要求，既可 测量金属材料，也可测量非金属及柔性材料。 由于具有上述特点，激光三角微位移检测技术在工业领域有广阔的应用前 景。目前，激光三角测量在工业中的应用主要有以下几个方面1 2 f j j ： ( 1 ) 位移检测：包括距离测量、厚度测量、液位检测等方面。测量距离是激 光三角测量的一个经典应用领域，根据两个不同位置上的光点在位置传感敏感元 件上所成的像的距离，运用物像关系即可算出其距离；用两个三角探测头的差动 原理，可以测量物体的厚度，或进而控制袋装物体的重量；检测钢水或强腐蚀液 体的表面，也可以控制其流量。 ( 2 ) 表面检测：使用多台激光传感器可以测量板材或平面上多点的相对位 置，从而计算出表面的起伏或整体的倾斜角度。 ( 3 ) 形貌检测：利用单个或多个激光传感器，可以用扫描等办法检测物体的 三维轮廓，如检测汽车的车身。绘制立体地图等，还可以组成激光视觉系统，用 于机械手自动导引等等。 1 3 激光修整砂轮的研究现状 由于激光修整具有以上特点，近年来，国内外学者对激光修整砂轮进行了大 量的试验研究，取得了一些进展。8 0 年代末期，印度学者n r a m e s hb a b u 等u 4 驯j 开始尝试用激光修整砂轮，采用y a g 激光器普通脉冲修整a 1 2 0 3 和s i c 砂轮， 研究了在干磨条件下，激光能量密度和进给速度对修整后砂轮磨削性能的影响， 同时把激光修整砂轮和金刚石笔修锐的砂轮的磨削性能进行了比较，还研究了在 湿磨条件下，激光修整进给率对砂轮磨削性能的影响，并且建立了激光修整a 1 2 0 3 砂轮表面凹坑的模型。m j j a c k s o n 和gm r o b i n s o n 等人【2 8 j 用连续n d ：y a g 激 光器对陶瓷结合剂氧化铝砂轮进行了修锐实验，实验结果证明：激光修锐在不降 低结合剂把持作用的情况下，可以通过微破坏使磨粒产生多刃，使砂轮的磨削性 能得到提高。日本学者t o s h i k a t s un a k a j i m a 等【2 9 ，3 0 】用调qy a g 激光器修整树脂 结合剂的a 1 2 0 3 砂轮，研究了连续激光修整对砂轮表面变质层的影响，研究了调 q 激光下不同的重复频率、离焦量等对a 1 2 0 3 砂轮修整效果的影响，进行了磨削 对比实验。日本n a k a o g a 大学【3 l 】利用倍频n d ：y a g 激光器修锐铸铁基金刚石砂 轮，其输出为5 3 2 n m 的波长，实验时用8 n s 的脉冲速率，功率密度0 0 3 o 4 8 j m m 2 ，砂轮转速1 1 m m s 。德国学者e w e s t k i m p e r 等 3 2 , 3 3 l 用y a g 激光器 普通脉冲修整树脂结合剂c b n 砂轮，提出激光从切向对砂轮整形、径向修锐的 6 硕j j 学位论文 观点。西北工业大学的康仁科等研究人员 3 4 。3 7 用y a g 激光器普通脉冲修锐树脂 结合剂金刚石砂轮和树脂结合剂c b n 砂轮，用扫描电镜观察了激光修锐前后砂 轮表面的微观形貌，对激光作用下砂轮表面不同结合剂材料的去除机理进行分 析，通过磨削陶瓷试验，研究激光修锐的金刚石砂轮的磨削性能，并与普通砂轮 磨削法修锐的金刚石砂轮进行对比，并用激光从切向对砂轮整形进行实验性研 究。上海交通大学的陈明等研究人员【3 8 】用y a g 激光器普通脉冲对树脂结合剂 s i c 砂轮作了修锐实验，修锐前首先用单点金刚石修整笔对砂轮进行整形，然后 在工作台上进行修锐，采用激光三维扫描方法评价砂轮激光修锐效果，分别采用 经激光修锐和金刚石笔修锐的砂轮进行磨削应用研究，考察了磨削力及砂轮耐用 度。南京航空航天大学的左敦稳等研究人员【3 9 l 用c 0 2 激光器普通脉冲修锐树脂 金刚石砂轮片，研究了占空比、频率对修锐效果的影响，应用对铝片的刻划试验 对修锐做出定量的评价。 从上面的论述可以看出，目前国内外大量的研究工作主要集中在激光修锐试 验研究方面，而且研究对象基本上是针对树脂结合剂超硬磨料砂轮，已经取得了 较理想的效果。而针对金属结合剂金刚石砂轮的研究甚少。这是由于金属结合剂 熔化时，在通常的同轴吹气作用下，熔化的结合剂对已修锐表面存在严重的熔化 覆盖现象，影响了激光修锐的效果，该问题的解决有利于提高金属结合剂金刚石 砂轮的工程应用 4 0 , 4 1 】。 大连理工大学的王续跃等【4 2 】在这一方面开展了研究工作，采用辅助侧向吹 气法能够解决金属结合剂砂轮激光修锐中常见的熔化覆盖问题。首先进行了辅助 侧向吹气法针对金属结合剂金刚石砂轮的激光修锐试验，比较了修锐前后砂轮磨 削力、磨削力比和磨削性能的差异，从不同角度说明了辅助侧向吹气法对激光修 锐金属结合剂金刚石砂轮的有效性。分析了修锐前后砂轮表面与对应磨削试件表 面的微观形貌、机理，分析了影响磨削力变化的因素。试验结果表明：采用这种 方法修锐后，砂轮的磨削力比同轴吹气法修锐下降5 - - - 7 ，激光修锐砂轮的磨 削性能得到明显改善。 鉴于以前学者对激光能量吸收研究甚少，王续跃等【4 3 】采用一种基于激光能 量集中吸收机理的能量平衡模型，开展了激光修整陶瓷c b n 砂轮的能量吸收研 究。模型采用不同的参数，例如砂轮位置变化，离焦量、功率的改变等来实现激 光修整过程中有针对性的修整。之后对砂轮表面不同激光的聚焦情况也有进一步 的分析和试验研究。最后还采用不同砂轮进行实验以对比研究修整后的效果。 为了研究激光修整精度和效率，美国学者c z h a n g 等【4 4 】研究了激光辅助修 整方法。即在机械法修整的同时，采用激光进行辅助烧蚀以便于更好的去除材料。 试验结果表明，它可以很好的达到砂轮修锐的目的。试验分别对激光辅助修整法 和传统的单金刚石笔修整法在修整效率、修整精度、修锐量和修锐效果等方面展 7 声光调qn d ：y a g 脉冲激光修整青铜会刚石砂轮精度和效牢研究 开了对比研究。砂轮修整后进行了磨削对比分析，之后对磨削试件进行了详细的 性能测试，研究了砂轮表面微观组织特征。研究结果证明激光辅助修整法比单纯 的机械修整法效率更高、刀具磨损更小、修整效果更好。 从上述修整现状可以看出，激光修整砂轮技术尚处于实验研究阶段。激光修 整砂轮过程中，大部分研究人员是用连续或者脉宽为m s 级的普通激光，日本学 者用调q 脉冲激光进行修锐试验，但试验砂轮为a 1 2 0 3 普通砂轮。而各国学者们 对青铜金刚石砂轮的激光修整研究开展甚少，特别是采用激光三角测量方法以调 q 脉冲激光径向对青铜结合剂金刚石砂轮进行修整的研究至今未见报道。这是因 为修整青铜金刚石砂轮需要找到能微米级无损伤去除金刚石磨粒和青铜结合剂 的激光光源。而湖南大学激光研究所自行试制的声光调qn d ：y a g 脉冲激光器发 出的脉冲光功率密度高、峰值功率高、脉宽窄、占空比小，能满足以上需要。特 别是q 开关电源能外接控制，有利于进行闭环控制，实现精密修整。 1 4 本文研究内容及难点 1 4 1 研究的内容 本课题在湖南省自然科学基金项目( 0 5 j j 3 0 0 9 ) 和湖南省科技攻关项目 ( 0 4 g k 2 0 0 4 ) 基金的资助下，对基于三角测量的激光修整技术及其精度、效率 和质量控制进行研究。研究内容包括设计一套合理的运用三角测量原理的方案； 根据该方案设计一套理想的光路传输系统；进而设计加工出一套较精密三角测量 装置用于试验当中；研究设计一套利用位置检测器件( p s d ) 进行激光烧蚀系统 标定的实时检测系统；进行单脉冲激光烧蚀试验以找到理想的激光和工艺修整参 数；利用整套烧蚀系统及精确标定的结果在理想参数下修整青铜金刚石砂轮；通 过修整后的精度检测和质量分析来判断其修整效果。具体讲来，本论文所研究的 内容包括以下方面： ( 1 ) 研究设计合理的烧蚀系统方案。利用光学成像原理和试验对比分析选取 合理的透镜，改进成像效果，