CN110722468A - 一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置及方法，包括控制装置、激光发生装置、复合滤光装置和磨床；控制装置用于控制激光发生装置、复合滤光装置和磨床动作，激光发生装置包括激光器和聚焦模块，复合滤光装置包括复合滤光条和用于传送复合滤光条的传送模块，磨床用于夹持常规砂轮并驱动常规砂轮转动，所述的磨床的驱动轴上还设置有用于采集常规砂轮线速度的转速计；本发明在常规砂轮固结成形后，利用激光修整的方式实现磨粒或磨粒族有序化排布，对砂轮的制作工艺无任何特殊要求，避免了复杂的精细化操作，而且激光高效修整，过程中无设备材料损耗，提高了磨粒有序化排布砂轮的制作效率，降低了制造成本。

Description

一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置及方法

技术领域

本发明涉及砂轮制造及修整领域，具体涉及一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置及方法。

背景技术

目前磨削加工中使用的传统砂轮工作表面上的磨粒多是无规则排布，由于磨粒在工作表面分布不均匀以及磨粒露出的高度具有随机性，因此使得部分磨粒不能有效出刃、部分磨粒易磨损和脱落，且砂轮工作表面还易出现以脆性切削为主的低能耗状态和以滑擦、耕犁为主的高能耗状态，导致砂轮磨粒的切除效率低，工件磨削表面粗糙度难以控制。

进一步的，传统砂轮的问题还表现在：

一方面，传统固结磨料磨具，特别是精密磨削磨具，由于磨粒十分细小、磨粒分布紧密、容屑空间小，极易造成磨削过程中磨具工作表面的磨粒堵塞，导致磨具过早失效，工件磨削热损伤甚至正常加工工作都无法进行；

另一方面，传统单层超硬磨料砂轮，磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，为增加砂轮的把持力就必须增加镀层厚度，这将导致磨粒裸露的高度和容屑空间减小，磨屑容易发生堵塞，寿命短，散热效果差，工件表面容易发生烧伤；并且，砂轮回转精度和几何形状精度严重依赖于砂轮基体本身的制造精度及装配精度，这对砂轮基体的加工有很高要求，极大增加了制造单层超硬磨料砂轮的成本。

随着机械设备的精度要求越来越高，传统砂轮已经不能满足人们的需求，磨粒有序化排布砂轮应运而生。

研究表明，磨粒有序化排布砂轮的磨削性能、服役寿命、加工效率等均优于传统砂轮。

为解决传统砂轮存在的问题，通过使砂轮表面磨粒或磨粒族有序排布，提高砂轮的使用寿命、加工精度、加工效率，实现磨粒的最大利用率和砂轮的最佳磨削性能已成为亟待解决的问题。

目前，磨粒有序化排布砂轮的制造均是在固结成形前控制磨粒分布，实现磨粒或磨粒族的有序化排布，控制磨粒分布的方法有制备掩膜、电磁振动、定向投料等，这些方法要么制造成本极高，要么磨粒排布形式不可控，要么磨粒分布均匀性效果不佳，严重制约了磨粒有序化排布砂轮的应用。

关于砂轮固结成形后利用修整的方式实现磨粒或磨粒族有序化排布，当前行业内尚无任何相关研究。

激光修整作为一种新兴的先进修整技术，是利用激光辐照在砂轮表面上的强烈热效应，在极短的时间内产生瞬时高温，使砂轮表面局部出现材料熔化、飞溅、气化，并且控制砂轮表面的能量密度和热场分布，以去除结合剂而对磨粒不造成损伤，使结合剂去除、磨粒突出，达到砂轮修整的目的。

目前激光修整技术研究集中在复合修整、凹面成型修整、整形和修锐工艺、冷却工艺、修整检测等方面：

如申请号CN201420705937.4的专利，公开了一种超硬磨料砂轮超声激光复合修整装置，利用超声振动和激光加热复合作用去除砂轮材料，提高修整效率，优化修整效果；

如申请号CN201410048837.3的专利，公开了一种凹曲面超硬磨料砂轮激光修整设备及方法，利用激光烧蚀满足凹曲面砂轮的成型修整要求；

如申请号CN201711469922.7的专利，公开了一种砂轮双激光修整装置及修整方法，采用两个脉冲激光器实现砂轮切向整形和径向修锐；

如申请号CN201410059905.6的专利，公开了一种带有双切向液柱流的砂轮激光修整装置及其修整方法，利用辅助双切向液柱流装置抑制能量累积效应，避免激光修整时出现微裂纹和石墨变质层；

如申请号CN201810632377.7的专利，公开了一种基于视觉检测激光修整成型砂轮装置及其修整方法，将CCD相机视觉检测与激光修整相结合，实现自动化成型砂轮修整。

现有的激光修整技术只能应用于平行砂轮或成型砂轮的修整，针对磨粒有序化排布砂轮这种表面图案复杂多变、磨粒排布形式各不相同的情况，现有技术完全无法适用；基于激光修整实现磨粒或磨粒族有序化排布，当前行业内尚无任何相关研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，摒弃目前普遍采用的固结成形前控制磨粒分布的模式，利用砂轮固结后修整的方式实现磨粒或磨粒族的有序化排布，达到磨粒排布形式可控性好、砂轮修整工艺简单、砂轮制造成本低、适用对象范围广的效果，解决目前磨粒有序化排布砂轮“成本高、难控制”的难题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，包括控制装置、激光发生装置、复合滤光装置和磨床；

所述控制装置用于控制激光发生装置、复合滤光装置和磨床动作；

所述激光发生装置包括激光器和聚焦模块，激光器产生的激光光束经聚焦模块聚焦后射向设置在磨床上的常规砂轮外圆周面且通过常规砂轮轴心，对常规砂轮外圆周面进行激光烧蚀；

所述复合滤光装置包括复合滤光条和用于传送复合滤光条的传送模块，复合滤光装置设置在激光发生装置和磨床砂轮之间，用于使射向常规砂轮的激光光束按照复合滤光条的图案对常规砂轮周面进行激光烧蚀；

所述的磨床用于夹持常规砂轮并驱动常规砂轮转动，所述的磨床的驱动轴上还设置有用于采集常规砂轮线速度的转速计，转速计的输出端与控制装置的输入端连接。

所述的聚焦模块在激光器出光孔外依次排列的扩束镜、扫描振镜和聚焦透镜；

扩束镜用于扩大激光器产生的激光光束直径；

扫描振镜用于改变激光光束的传播方向，使激光光束在二维平面上进行扫描；扫描振镜的控制输入端通过激光器主控模块与控制装置的控制输出端连接；

聚焦透镜用于将激光光束聚焦成光斑。

所述的激光器采用脉冲光纤激光器，所述的脉冲光纤激光器和聚焦模块设置在三维坐标调节平台上，所述的三维坐标调节平台用于精密调节激光光束在砂轮上的聚焦位置，所述脉冲光纤激光器的控制输入端通过激光器主控模块与控制装置的控制输出端连接。

所述的传送模块由传送电机和导轮组件构成，所述的导轮组件包括三角形排列的一个主动轮和两个从动轮，传送电机用于驱动主动轮转动，且传送电机的控制输入端与控制装置的输出端连接；复合滤光条张紧在导轮组件上，且在传送电机的作用下随导轮组件的转动而转动。

所述的复合滤光条由环状的遮光条和透光条组成，遮光条附在透光条表面，遮光条上的图案与设计的砂轮表面磨粒有序排布图案相同；遮光条与透光条的长度和宽度相等；其中，遮光条的长度等于砂轮周长的整数倍，遮光条的宽度B：

其中，W_s为砂轮宽度，F为扫描振镜到砂轮的距离，D为导轮组的离焦量。

还包括冷却装置；所述的冷却装置包括第一冷却模块和第二冷却模块；第一冷却模块包括第一导流管、第一流量控制器和第一液流发射头，第一导流管用于提供冷却液，第一流量控制器设置在第一导流管上用于控制第一导流管提供的冷却液的流量，第一液流发射头用于喷出冷却液，第一液流发射头的出液口朝向复合滤光条；第二冷却模块包括第二导流管、第二流量控制器和第二液流发射头，第二导流管用于提供冷却液，第二流量控制器设置在第二导流管上用于控制第二导流管提供的冷却液的流量，第二液流发射头用于喷出冷却液，第二液流发射头的出液口朝向砂轮外圆的切线方向。所述第一流量控制器和第二流量控制器的控制输入端与控制装置的输出端连接，接收控制装置指令而动作；所述的第一液流发射头和第二液流发射头的出液口均为扁平状。

还包括差异检测装置，所述的差异检测装置包括用于扫描常规砂轮磨粒层图像的线型位移传感器和设置在磨床驱动轴上的角度编码器，线型位移传感器和角度编码器的输出端均与控制装置的输入端连接。

一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造方法，包括以下步骤：

步骤1：按照常规电镀工艺制造常规砂轮；

步骤2：将步骤1按照常规电镀工艺制造的常规砂轮安装在磨床上，启动磨床主轴带动常规砂轮旋转，转速计和角度编码器实时获得常规砂轮的实际转速和回转角度，并传输至控制装置，同时，将设计的磨粒或磨粒族排布图案在常规砂轮表面上的位置与常规砂轮回转角度对应；

步骤3：手动旋转三维坐标调节平台上的调节杆，调节平台三维坐标，使脉冲光纤激光器发射的激光光束依次经扩束镜、扫描振镜、聚焦透镜后沿常规砂轮径向射向常规砂轮并通过常规砂轮轴心，同时使聚焦透镜与常规砂轮上照射光斑点的距离等于聚焦透镜的焦距，即常规砂轮上照射光斑点为激光光束的焦点位置；

步骤4：通过控制装置在激光器主控模块中设置脉冲光纤激光器的功率、Q频、脉宽，设置扫描振镜的扫描距离、扫描速度，使通过聚焦透镜的激光光束沿常规砂轮轴向往复扫描，扫描范围完全覆盖常规砂轮宽度；

步骤5：调节导轮组件的相对位置，使激光光束透过复合滤光条的部位有至少1/3的离焦量；

步骤6：根据设计的磨粒或磨粒族排布图案加工复合滤光条的遮光条；

步骤7：复合滤光条的透光条长度与遮光条长度相同，透光条和遮光条叠加组成复合滤光条，然后将复合滤光条张紧在导轮组件上，设复合滤光条的总长度为L，主动轮直径为d，则主动轮驱动电机每旋转

度，复合滤光条滚动1度；

步骤8：通过控制装置设置主动轮驱动电机的转速，控制主动轮驱动电机带动主动轮，进而带动导轮组件旋转，使复合滤光条匀速滚动，滚动线速度与转速计实测的常规砂轮的线速度保持一致，滚动转换角度与角度编码器实测的角度值保持一致；

步骤9：调节第一液流发射头和第二液流发射头的位置，使第一液流发射头扁平口朝向复合滤光条滚动切向方向，使第二液流发射头扁平口朝向砂轮切向方向，开启冷却液，在复合滤光条和常规砂轮表面形成流动的液膜；

步骤10：通过控制装置向激光器主控模块发送指令，常规砂轮低速旋转，激光束沿砂轮轴向在常规砂轮宽度范围内高速往复扫描，透过复合滤光条的光束聚焦在砂轮表面烧蚀去除砂轮材料，实现磨粒或磨粒族有序化排布的加工；

步骤11：对经过激光烧蚀的常规砂轮进行修整，直至线型激光位移传感器检测的常规砂轮磨粒层表面三维廓形图与设计的磨粒或磨粒族排布图案一致时停止。

本发明的有益效果：

(1)本发明在常规砂轮固结成形后，利用激光修整的方式实现磨粒或磨粒族有序化排布，对砂轮的制作工艺无任何特殊要求，避免了复杂的精细化操作，而且激光高效修整，过程中无设备材料损耗，提高了磨粒有序化排布砂轮的制作效率，降低了制造成本；

(2)本发明可以通过复合滤光条实现复杂多样的磨粒排布形式，从而获得多种多样不同磨削特点和性能的砂轮，同时，复合滤光条制作成本低，并可循环重复使用；

(3)本发明可用于电镀结合剂的单层磨料砂轮，也可用于金属、陶瓷、树脂结合剂的多层磨料砂轮，适用范围广，应用灵活性好；

(4)本发明设置液膜实现复合滤光条和砂轮表面的冷却保护，针对复合滤光条，液膜一方面带走了遮光条上吸收的热量，另一方面并不阻碍激光束透过液膜和透光条聚焦在砂轮表面；针对砂轮，液膜可以有效减弱局部温升过快引起的爆轰效应，防止磨粒出现微裂纹或碳化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明遮光条宽度计算原理图；

图3为叶序排布砂轮的复合滤光条的局部示意图；

图4为错序排布砂轮的复合滤光条的局部示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，包括控制装置、激光发生装置、复合滤光装置和磨床；

所述控制装置用于控制激光发生装置、复合滤光装置和磨床动作；

所述激光发生装置包括激光器和聚焦模块，激光器产生的激光光束经聚焦模块聚焦后射向设置在磨床上的常规砂轮17周面且通过常规砂轮17轴心，对常规砂轮17周面进行激光烧蚀；

所述复合滤光装置包括复合滤光条7和用于传送复合滤光条7的传送模块，复合滤光装置设置在激光发生装置和磨床之间，用于使射向常规砂轮17的激光光束按照复合滤光条7的形状对常规砂轮17周面进行激光烧蚀；

所述的磨床用于夹持常规砂轮17并驱动常规砂轮17转动，所述的磨床的驱动轴18上还设置有用于采集常规砂轮17线速度的转速计14，转速计14的输出端与控制装置的输入端连接。

优选方案为：所述的聚焦模块在激光器出光孔外依次排列的扩束镜2、扫描振镜3和聚焦透镜4；

扩束镜2用于扩大激光器产生的激光光束直径，避免激光光束能量聚集损坏其它部件；

扫描振镜3用于改变激光光束的传播方向，使激光光束在二维平面上进行扫描，以达到激光光束对常规砂轮17的磨粒层进行烧蚀的效果；扫描振镜3的控制输入端与控制装置的控制输出端连接；

聚焦透镜4用于将激光光束聚焦，以使得激光光束聚焦形成一个微细的、高能量密度的光斑，进而对常规砂轮17的磨粒层进行烧蚀。

优选方案为：所述的激光器采用脉冲光纤激光器1，所述的脉冲光纤激光器1和聚焦模块设置在三维坐标调节平台6上，所述脉冲光纤激光器1的主控模块5的控制输入端与控制装置的控制输出端连接；进一步的，所述的三维坐标调节平台6可采用手动模式，也可采用由控制装置控制的电控模式，便于对所述的脉冲光纤激光器1进行细微的位置调整，避免直接移动而导致的脉冲光纤激光器1损坏的情况发生，进一步的，也可提高调节精度，使脉冲光纤激光器1出射的激光光束和聚焦模块同轴。

优选方案为：所述的传送模块由传送电机和导轮组件构成，所述的导轮组件包括三角形排列的一个主动轮9和两个从动轮8，传送电机用于驱动主动轮9转动，且传送电机的控制输入端与控制装置的输出端连接；复合滤光条7张紧在导轮组件上，且在传送电机的作用下随导轮组件的转动而转动；三角形设置的传送模块能够突破空间的限制，使结构分布更加科学，空间利用率最大化；进一步的，主动轮9和一个从动轮8、或者两个从动轮8连线构成的三角形的一条边应在聚焦模块后，且正对激光光束的出射方向，以保证出射的激光光束通过复合滤光条7以对常规砂轮17的磨粒层进行烧蚀。

优选方案为：还包括冷却装置；所述的冷却装置包括第一冷却模块和第二冷却模块；

第一冷却模块包括第一导流管101、第一流量控制器111和第一液流发射头121，第一导流管101用于提供冷却液，第一流量控制器111设置在第一导流管101上用于控制第一导流管101提供的冷却液的流量，第一液流发射头121用于喷出冷却液，第一液流发射头121的出液口朝向复合滤光条7；进一步的，冷却液选择无色透明的水基冷却液；所述的第一液流发射头121的出液口均为扁平状，用于将冷却液柱转变成扁平液流，以利于在复合滤光条7表面形成液膜；第一流量控制器111用于控制冷却液流量，以调节液膜厚度，第一流量控制器111的控制输入端与控制装置的输出端连接；

第二冷却模块包括第二导流管102、第二流量控制器112和第二液流发射头122，第二导流管102用于提供冷却液，第二流量控制器112设置在第二导流管102上用于控制第二导流管102提供的冷却液的流量，第二液流发射头122用于喷出冷却液，第二液流发射头122的出液口朝向常规砂轮17外圆的切线方向；进一步的，冷却液选择无色透明的水基冷却液；所述的第二液流发射头122的出液口均为扁平状，用于将冷却液柱转变成扁平液流，以利于在常规砂轮17磨粒层表面形成液膜；第二流量控制器112用于控制冷却液流量，以调节液膜厚度，第二流量控制器112的控制输入端与控制装置的输出端连接。

优选方案为：所述的复合滤光条7由遮光条和透光条组成，遮光条附在透光条表面，遮光条上的图案与砂轮表面磨粒层的设计图案相同；遮光条与透光条的长度和宽度相等；其中，遮光条的长度等于常规砂轮17周长的整数倍，如图2所示：遮光条的宽度B：

其中，W_s为常规砂轮17宽度，F为扫描振镜3到常规砂轮17的距离，D为导轮组的离焦量；

使用时，将复合滤光条7张紧在导轮组上，安装复合滤光条7时，传送电机旋转角度应与常规砂轮17的线速度同步，以保证激光光束透过复合滤光条7在常规砂轮17磨粒层上烧蚀出的图案与设计图案相同；以叶序排布砂轮和错位排布砂轮为例，设计的复合滤光条7分别如图3和图4所示。

优选方案为：所述的控制装置采用工业计算机16；现有的工业自动化控制中，多采用工业计算机16作为控制装置，因为工业计算机16的计算速度快，响应速度快，因此已得到了广泛应用，这里不再赘述。

优选方案为：本发明所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置还包括差异检测装置，所述的差异检测装置包括用于扫描常规砂轮17磨粒层图像的线型位移传感器13和设置在磨床驱动轴18上的角度编码器15，线型位移传感器13和角度编码器15的输出端均与控制装置的输入端连接；线型位移传感器13可将扫描到的经过激光烧蚀后的常规砂轮17的磨粒层表面图像传输至控制装置，由控制装置对比得出经过激光烧蚀后的常规砂轮17的磨粒层表面图像与设计的磨粒或磨粒族排布图案的差异，并由角度编码器15确定差异位置的具***置。

本发明所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造的方法，包括以下步骤：

步骤1：按照常规电镀工艺制造常规砂轮17；

其中，常规砂轮17规格1A1-450×15×203mm，制造过程中无需对磨粒有序化处理，只需按照常规砂轮17工艺控制磨料分布均匀性即可；

步骤2：将步骤1按照常规电镀工艺制造的常规砂轮17安装在磨床上，启动磨床主轴带动常规砂轮17旋转，转速计14和角度编码器15实时获得常规砂轮17的实际转速和回转角度，并传输至控制装置，同时，将设计的磨粒或磨粒族排布图案在常规砂轮17表面上的位置与常规砂轮17回转角度对应；

优选的，常规砂轮17的转速设置为50r/min；

步骤3：手动旋转三维坐标调节平台6上的调节杆，调节平台三维坐标，使脉冲光纤激光器1发射的激光光束依次经过扩束镜2、扫描振镜3、聚焦透镜4后沿常规砂轮17径向射向常规砂轮17并通过常规砂轮17轴心，同时使聚焦透镜4与常规砂轮17上照射光斑点的距离等于聚焦透镜4的焦距，即常规砂轮17上照射光斑点为激光光束的焦点位置；

其中，为了判断激光光束是否在常规砂轮17表面聚焦，可以通过三维坐标调节平台6往复调节聚焦透镜4与常规砂轮17间的距离，直至激光光束在常规砂轮17表面的烧蚀光强度最大时停止，即激光光束在常规砂轮17表面聚焦；

步骤4：通过控制装置在激光器主控模块5中设置脉冲光纤激光器1的功率、Q频、脉宽，设置扫描振镜3的扫描距离、扫描速度，使通过聚焦透镜4的激光光束沿常规砂轮17轴向往复扫描，扫描范围完全覆盖常规砂轮17宽度；

其中，脉冲光纤激光器1的功率为80w，Q频为50kHz，脉宽为100ns，设置扫描振镜3的扫描距离16mm，扫描速度5000mm/s；

步骤5：调节导轮组件的相对位置，使激光光束透过复合滤光条7的部位有至少1/3的离焦量；

其中，激光光束照射在复合滤光条7上时，透光条部位的激光光束可直接透射通过，在遮光条部位的激光光束大部分被吸收，少部分散射至周围环境中去，由于离焦量较大，激光光束射在遮光条上时并不能聚焦产生高能量密度，所以不会损伤遮光条；

步骤6：根据设计的磨粒或磨粒族排布图案加工复合滤光条7的遮光条；

其中，如果针对直径大、周长长的常规砂轮17，遮光条的长度应等于常规砂轮17的周长，即遮光条长度方向按照常规砂轮17表面设计图案长度方向1:1比例加工；如果针对直径小的常规砂轮17，遮光条长度可以选择等于常规砂轮17周长的整数倍，遮光条长度方向仍按照设计图案长度方向1:1比例加工，但遮光条上有整数周期个常规砂轮17表面设计图案；

进一步的，遮光条宽度B由常规砂轮17宽度Ws、扫描振镜3到常规砂轮17的距离F、导轮组件的离焦量D计算得出，计算式为：

即遮光条宽度方向按照常规砂轮17表面设计图案的宽度方向的比例加工；遮光条宽度设计原理如图2所示；

步骤7：复合滤光条7的透光条长度与遮光条长度相同，透光条和遮光条叠加组成复合滤光条7，然后将复合滤光条7张紧在导轮组件上，设复合滤光条7的总长度为L，主动轮9直径为d，则传送电机每旋转

度，复合滤光条7滚动1度；

本实施例中以叶序排布砂轮18和错位排布砂轮18为例，设计的复合滤光条77分别如图3和图4所示；

步骤8：通过控制装置设置传送电机的转速，控制传送电机带动主动轮9，进而带动导轮组件旋转，使复合滤光条7匀速滚动，滚动线速度与转速计14实测的常规砂轮17的线速度保持一致，滚动转换角度与角度编码器15实测的角度值保持一致；

步骤9：调节第一液流发射头121和第二液流发射头122的位置，使第一液流发射头121扁平口朝向复合滤光条7滚动切向方向，使第二液流发射头122扁平口朝向常规砂轮17切向方向，开启冷却液，在复合滤光条7和常规砂轮17表面形成流动的液膜；

其中，虽然复合滤光条7离焦量较大，激光光束在复合滤光条7上不会聚焦高能量密度，但长时间照射仍会聚集一定的热量，流动液膜可以带走复合滤光条7上的热量，防止影响复合滤光条7特性；常规砂轮17表面的液膜可以有效防止局部温升过快引起的爆轰效应，防止磨粒出现微裂纹或碳化，提升常规砂轮17的磨削性能；

进一步的，由于冷却液无色透明，激光光束可以直接穿透液膜，但为防止液膜对激光光束特性造成影响，液膜厚度应尽量薄；液膜厚度可通过第一流量控制器和第二流量控制器调节；

步骤10：通过控制装置向激光器主控模块5发送指令，常规砂轮17低速旋转，激光束沿砂轮轴向在常规砂轮17宽度范围内高速往复扫描，透过复合滤光条7的光束聚焦在砂轮表面烧蚀去除砂轮材料，实现磨粒或磨粒族有序化排布的加工；

具体的，控制装置控制脉冲光纤激光器1出光，常规砂轮17以50r/min的转速旋转，激光光束沿常规砂轮17轴向在常规砂轮17宽度范围内以5000mm/s的速度往复扫描，透过复合滤光条7的激光光束聚焦在常规砂轮17表面烧蚀去除常规砂轮17材料，实现磨粒或磨粒族有序化排布的加工；进一步的，为获得较好的激光修整效果，常规砂轮17应尽量低速旋转，一般常规砂轮17表面线速度设置为0.5-5m/s；

步骤11：对经过激光烧蚀的常规砂轮17进行修整，具体的，采用以下方法：

烧蚀完成后，利用线型激光位移传感器检测常规砂轮17表面微观起伏位移数据并将数据传输至控制装置，经控制装置数字滤波处理后获得经激光烧蚀后常规砂轮17磨粒层表面三维廓形图，将检测的常规砂轮17磨粒层表面三维廓形图与设计的磨粒或磨粒族排布图案对照，寻找出存在差异的位置，然后通过角度编码器15获知常规砂轮17上的该位置，启动磨床直至该位置旋转至激光光束照射点时开启脉冲光纤激光器1，实现差异位置的单独修整；多次重复上述过程，直至检测的常规砂轮17磨粒层表面三维廓形图与设计的磨粒或磨粒族排布图案一致时停止，即完成了磨粒有序化排布砂轮的制作。

进一步的，上述动作过程中，控制装置即工业计算机16的控制程序可以基于Labview、VC、VB、C#等各种编程语言，使控制装置根据实时接收的转速计1414、角度编码器1515、线型激光位移传感器的信号数据分析判断，发送指令控制激光发生装置、复合滤光装置、磨床和流量控制器的相关功能参数，以自动化实现磨粒有序化排布砂轮的修整制造，且上述控制程序在自动化领域已得到了广泛应用，这里不再赘述。

本发明的有益效果：

(1)本发明在常规砂轮17固结成形后，利用激光修整的方式实现磨粒或磨粒族有序化排布，对砂轮的制作工艺无任何特殊要求，避免了复杂的精细化操作，而且激光高效修整，过程中无设备材料损耗，提高了磨粒有序化排布砂轮的制作效率，降低了制造成本；

(2)本发明可以通过复合滤光条7实现复杂多样的磨粒排布形式，从而获得多种多样不同磨削特点和性能的砂轮，同时，复合滤光条7制作成本低，并可循环重复使用；

(3)本发明可用于电镀结合剂的单层磨料砂轮，也可用于金属、陶瓷、树脂结合剂的多层磨料砂轮，适用范围广，应用灵活性好；

(4)本发明设置液膜实现复合滤光条7和砂轮表面的冷却保护，针对复合滤光条7，液膜一方面带走了遮光条上吸收的热量，另一方面并不阻碍激光束透过液膜和透光条聚焦在砂轮表面；针对砂轮，液膜可以有效减弱局部温升过快引起的爆轰效应，防止磨粒出现微裂纹或碳化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：包括控制装置、激光发生装置、复合滤光装置和磨床；

所述控制装置用于控制激光发生装置、复合滤光装置和磨床动作；

所述激光发生装置包括激光器和聚焦模块，激光器产生的激光光束经聚焦模块聚焦后射向设置在磨床上的常规砂轮外圆周面且通过常规砂轮轴心，对常规砂轮外圆周面进行激光烧蚀；

所述复合滤光装置包括复合滤光条和用于传送复合滤光条的传送模块，复合滤光装置设置在激光发生装置和磨床砂轮之间，用于使射向常规砂轮的激光光束按照复合滤光条的图案对常规砂轮周面进行激光烧蚀；

所述的磨床用于夹持常规砂轮并驱动常规砂轮转动，所述的磨床的驱动轴上还设置有用于采集常规砂轮线速度的转速计，转速计的输出端与控制装置的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：所述的聚焦模块在激光器出光孔外依次排列的扩束镜、扫描振镜和聚焦透镜；

扩束镜用于扩大激光器产生的激光光束直径；

扫描振镜用于改变激光光束的传播方向，使激光光束在二维平面上进行扫描；扫描振镜的控制输入端通过激光器主控模块与控制装置的控制输出端连接；

聚焦透镜用于将激光光束聚焦成光斑。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：所述的激光器采用脉冲光纤激光器，所述的脉冲光纤激光器和聚焦模块设置在三维坐标调节平台上，所述的三维坐标调节平台用于精密调节激光光束在砂轮上的聚焦位置，所述脉冲光纤激光器的控制输入端通过激光器主控模块与控制装置的控制输出端连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：所述的传送模块由传送电机和导轮组件构成，所述的导轮组件包括三角形排列的一个主动轮和两个从动轮，传送电机用于驱动主动轮转动，且传送电机的控制输入端与控制装置的输出端连接；复合滤光条张紧在导轮组件上，且在传送电机的作用下随导轮组件的转动而转动。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：所述的复合滤光条由环状的遮光条和透光条组成，遮光条附在透光条表面，遮光条上的图案与设计的砂轮表面磨粒有序排布图案相同；遮光条与透光条的长度和宽度相等；其中，遮光条的长度等于砂轮周长的整数倍，遮光条的宽度B：

；

其中，

为砂轮宽度，F为扫描振镜到砂轮的距离，D为导轮组的离焦量。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：还包括冷却装置；所述的冷却装置包括第一冷却模块和第二冷却模块；第一冷却模块包括第一导流管、第一流量控制器和第一液流发射头，第一导流管用于提供冷却液，第一流量控制器设置在第一导流管上用于控制第一导流管提供的冷却液的流量，第一液流发射头用于喷出冷却液，第一液流发射头的出液口朝向复合滤光条；第二冷却模块包括第二导流管、第二流量控制器和第二液流发射头，第二导流管用于提供冷却液，第二流量控制器设置在第二导流管上用于控制第二导流管提供的冷却液的流量，第二液流发射头用于喷出冷却液，第二液流发射头的出液口朝向砂轮外圆的切线方向。

7.所述第一流量控制器和第二流量控制器的控制输入端与控制装置的输出端连接，接收控制装置指令而动作；所述的第一液流发射头和第二液流发射头的出液口均为扁平状。

8.根据权利要求1所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置，其特征在于：还包括差异检测装置，所述的差异检测装置包括用于扫描常规砂轮磨粒层图像的线型位移传感器和设置在磨床驱动轴上的角度编码器，线型位移传感器和角度编码器的输出端均与控制装置的输入端连接。

9.根据权利要求6所述的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造装置所进行的一种基于激光修整的磨粒有序化排布砂轮制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照常规电镀工艺制造常规砂轮；

步骤2：将步骤1按照常规电镀工艺制造的常规砂轮安装在磨床上，启动磨床主轴带动常规砂轮旋转，转速计和角度编码器实时获得常规砂轮的实际转速和回转角度，并传输至控制装置，同时，将设计的磨粒或磨粒族排布图案在常规砂轮表面上的位置与常规砂轮回转角度对应；

步骤3：手动旋转三维坐标调节平台上的调节杆，调节平台三维坐标，使脉冲光纤激光器发射的激光光束依次经扩束镜、扫描振镜、聚焦透镜后沿常规砂轮径向射向常规砂轮并通过常规砂轮轴心，同时使聚焦透镜与常规砂轮上照射光斑点的距离等于聚焦透镜的焦距，即常规砂轮上照射光斑点为激光光束的焦点位置；

步骤4：通过控制装置在激光器主控模块中设置脉冲光纤激光器的功率、Q频、脉宽，设置扫描振镜的扫描距离、扫描速度，使通过聚焦透镜的激光光束沿常规砂轮轴向往复扫描，扫描范围完全覆盖常规砂轮宽度；

步骤5：调节导轮组件的相对位置，使激光光束透过复合滤光条的部位有至少⅓的离焦量；

步骤6：根据设计的磨粒或磨粒族排布图案加工复合滤光条的遮光条；

步骤7：复合滤光条的透光条长度与遮光条长度相同，透光条和遮光条叠加组成复合滤光条， 然后将复合滤光条张紧在导轮组件上，设复合滤光条的总长度为L，主动轮直径为d，则主动轮驱动电机每旋转

度，复合滤光条滚动1度；

步骤8：通过控制装置设置主动轮驱动电机的转速，控制主动轮驱动电机带动主动轮，进而带动导轮组件旋转，使复合滤光条匀速滚动，滚动线速度与转速计实测的常规砂轮的线速度保持一致，滚动转换角度与角度编码器实测的角度值保持一致；

步骤9：调节第一液流发射头和第二液流发射头的位置，使第一液流发射头扁平口朝向复合滤光条滚动切向方向，使第二液流发射头扁平口朝向砂轮切向方向，开启冷却液，在复合滤光条和常规砂轮表面形成流动的液膜；

步骤10：通过控制装置向激光器主控模块发送指令，常规砂轮低速旋转，激光束沿砂轮轴向在常规砂轮宽度范围内高速往复扫描，透过复合滤光条的光束聚焦在砂轮表面烧蚀去除砂轮材料，实现磨粒或磨粒族有序化排布的加工；

步骤11：对经过激光烧蚀的常规砂轮进行修整，直至线型激光位移传感器检测的常规砂轮磨粒层表面三维廓形图与设计的磨粒或磨粒族排布图案一致时停止。

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