(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211082261.3 (22)申请日 2022.09.06 (71)申请人 哈尔滨理工大 学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 吴石　杨宇航　刘立飞　 (51)Int.Cl. B23K 26/362(2014.01) B23K 26/60(2014.01) B23K 26/064(2014.01) B23K 26/70(2014.01) G06F 30/20(2020.01) B25J 9/12(2006.01) (54)发明名称 基于飞秒激光的齿轮齿面精修装置及模糊 自适应修 正方法 (57)摘要 本发明提供基于飞秒激光的齿轮齿面精修 装置及模糊自适应修正方法， 电脑主机控制激光 发射模块发射的光路依次经过整形光路、 反射 镜、 聚集透镜组、 激光发射头后， 聚焦在减振磁吸 六轴机械手上的齿轮的轮齿表 面上； 同时建立齿 轮的理论坐标系与实际坐标， 对齿轮的实际齿面 与理论齿面的法向偏差进行测算， 并根据三温耦 合模型确定激光工艺参数， 通过机械臂路径轨迹 模型控制齿轮位置动态调节激光的焦距按照运 动轨迹进行精 修。 本发明采用飞秒 激光替代传统 刀具， 进行飞秒激光精微修正加工， 加工速率更 高， 加工精度更好。 权利要求书3页 说明书10页 附图5页 CN 115401334 A 2022.11.29 CN 115401334 A 1.基于飞秒激光的齿轮齿面精修装置， 其特征在于， 所述加工装置包括电脑主机(1)、 设备机柜(2)、 键盘抽屉(3)、 鼠标(4)、 设备显示器(5)、 设备控制开关(6)、 光路(7)、 激光器 (8)、 齿轮(9)、 减振磁吸六轴机械手(10)、 聚集透镜组(11)、 激光发射模块(12)、 整形光路 (13)、 反射镜(14)、 聚集透镜组(15)、 激光发射头(16)、 探头传 感器(17)等， 所述齿轮(9)安 装在减振磁吸六轴机械手(10)的末端， 所述探头传感器(17)感应齿轮(9)位置转换为电信 号传送到电脑主机(1)自动生 成修正路径， 所述电脑主机(1)控制激光发射模块(12)发射的 光路依次经过整形光路(13)、 反射镜(14)、 聚集透镜组(15)、 激光发射头(16)后， 聚焦在减 振磁吸六轴机械手(10)上的齿轮(9)的轮齿表 面上； 所述激光器(8)通过数据线与安装有精 修齿轮表面激光系统软件的计算机控制器相连， 激光功 率P、 脉冲宽度 τ 以及脉冲频率f等参 数通过三温耦合模型、 齿面形貌控制综合模型、 齿轮坐标系模型、 机械臂路径轨迹模型后， 控制光路(7)和减 振磁吸六轴机 械手(10)完成齿轮工件的激光精修加工 。 2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的齿轮齿面精修装置， 其特征在于， 所述加工齿 轮(9)直径范围为30～150mm， 厚度为15～40mm； 所述整形光路(7)为放大倍率为1～6倍的扩 束光路， 传输距离为200～1000mm； 所述激光光斑的直径为2mm， 激光能量密度范围为1.04～ 10.19J/cm2， 激光光斑行进速度为100mm/s， 脉冲数为10～30； 烧蚀宽度为44.581～81.47μ m， 烧蚀深度为3.147～8.237μm， 烧蚀坑表面粗糙度为0.192～0.488 μm， 轮廓峰高的平均值 为1.866～4.359 μm； 所述装置加工1个齿轮所需要时间为0.3～1.5mi n。 3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的齿轮齿面精修装置， 其特征在于， 所述减振磁 吸六轴机械手(10)的第一电机的壳体连接在底座(24)下端上， 第一电机的输出轴与底座 (24)上端连接， 以驱动机械臂A(18)绕轴线H(101)转动； 第二电机的壳体连接在机械臂A (18)上端上， 同时第二电机的输出轴与机械臂B(19)连接， 以驱动机械臂B(19)绕轴线I (102)转动； 第三电机的壳体连接在机械臂B(19)上， 同时第三电机的输出轴 与机械臂C(20) 连接， 以驱动机械臂C(20)绕轴线J(103)转动； 第四电机的壳体连接在机械臂C(20)上， 同时 第四电机的输出轴与机械臂D(21)连接， 以驱动机械臂D(21)绕轴线K(104)转动； 第五电机 的壳体连接在机械臂D(21)上， 同时第五电机的输出轴 与机械臂E(22)连接， 以驱动机械臂E (22)绕轴线L(105)转动； 第六电机的壳体连接在机械臂E(22)上， 同时第六电机的输出轴 与 末端执行器(23)连接， 以驱动末端执行器(6)绕轴线M(106)转动， 末端执行器(6)通过内部 带有直流强力电磁铁的轴固定齿轮， 电磁铁在通电时会产生磁力， 此磁力会主动吸 附齿轮 并固定齿轮位置实现柔性装卡。 工作时， 齿轮在工作是在离心力的作用下会发生窜动， 而磁 力会克制其离心力将齿轮固定在工作位置上； 工作结束后， 断开电源其磁力会消失更加方 便于齿轮的拆卸， 简化操作。 其磁力是受电流控制的， 会随着电流的强弱进行变化， 电流增 大时磁力增大， 反之可行， 同时柔性装卡可以根据被加工齿面质量的大小可以控制电流的 大小使齿轮固定且具有 稳定性、 减少操作步骤； 所述减振磁吸六轴机械手(10)， 轴数为6， 有 效载荷为15KG， 重复定位精度为 ±0.02mm， 工作半径为15 56mm。 4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的齿轮齿面精修装置， 其特征在于， 所述变 刚度 减振装置(25)， 其包底座、 腔壁(29)、 悬浮在磁流变液(30)中的带有流动通孔的浮板(31)、 线圈(33)等； 所述变刚度减振装置(25)的荷载范围为180～240KG， 树立刚度为59N/mm； 所述 上底板通过定位螺栓(26)与上底座(27)、 支撑镶块(28)和连接镶块(32)螺纹固定连接； 将 机械臂固定在上底板的上端面上， 工作时， 会产生正常的机械振动， 或因为振动发生微小位权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115401334 A 2移， 在压力作用下， 可以保证摩 擦力， 使得不会发生位移； 机械振动时， 线圈(33)通电产生磁 场施加到磁流变液(30)上， 磁流变液(30)从牛顿流体状态变成了类固体状态， 整个过程耗 时大概在毫秒量级。 磁场强度不同， 链化程度不同， 磁流变液所呈现出的状态和性能也不一 样， 上述变化过程是可逆的。 通过调节电流大小控制浮板(31)位置对减振装置的刚度进行 调节， 从而对其减 振性能进行调节， 从而实现最优 减振的目的。 5.基于飞秒激光精修齿轮齿面加工模糊自适应修 正方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 激光工艺参数输入三温耦合模型确定烧蚀凹坑尺寸， 并输入齿面形貌控制 综合模 型得到齿面 误差Dev、 粗 糙度Ra； 所述 三温耦合模型为 式中， Te与Ti分别为所加工金属材料的电子温度和晶格温度； Ce与Ci分别为电子热容和 晶格热容； S为热源项； QG为齿轮材料成分间互温感应模 型； QHJ为材料变厚度变焦效应模 型； QC为脉冲间能量串行耦合效应模型； S2： 对齿轮齿面沿齿长、 齿高方向进行网格节点划分和测量， 根据齿轮理论坐标系模型 计算出齿面网格节点的理论坐标值以及 对应的齿面法向矢量； 使理论坐标系与实际测量坐 标系重合， 对齿轮的实际齿面与理论齿面的法向偏差进行测算， 确定修 正厚度△H； S3： 根据机 械臂路径轨 迹模型， 并计算出扫描速度v和扫描间距 △L； S4： 根据动态聚焦预定位模型， 保持激光聚焦点位于实际齿面节点处， 并且法向入射， 按预先设定的激光工艺 参数， 控制齿轮位置使激光聚焦点在齿面上的运动轨 迹进行修 正； S5： 齿面修正完成后， 采用模糊自适应协调控制进行分析， 通过建立协调控制系统离线 模型、 模糊规则对模 型参数进 行在线修正、 预测控制算法对协调控制系统进行优化， 得到激 光工艺参数与修 正工艺参数的优化组合； S6： 根据S7中优化计算得到的结果发送至电脑主机(1)上， 进行加工参数调整， 同时调 整三温耦合模型和齿面形貌控制综合模型， 重新制定 激光修正路径轨 迹并进行齿轮修 正； S7： 重复S5 至S6， 直至待 齿轮修正结束。 6.根据权利要求5所述基于飞秒激光精修齿轮齿面加工模糊自适应修正方法， 其特征 在于， 所述S1中三温耦合模型的齿轮材 料成分间互温 感应模型为 式中， U0为材料成分吸收 的单位质量能量密度， m为第i种成分质量， X为第i种成分比例， βi为第i种成分的吸 收率。 7.根据权利要求5所述基于飞秒激光精修齿轮齿面加工模糊自适应修正方法， 其特征 在于， 所述S2中齿轮理论 坐标系模型 具体方法为， (1)对齿轮齿面沿着齿根锥的齿长和齿高方向进行网格划分， 取轴截面齿长方向的m个 点、 齿高方向的n个点， 在轴截面内建立二 维坐标系， 原 点为齿顶节 点； 网格中任意一点的位 置表达式为权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115401334 A 3