一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法及装置

1.本发明属于激光加工及智能制造领域，尤其涉及一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法及装置。


背景技术：

2.金刚石微细铣刀有着广泛的用途，其中金刚石微细铣刀在军工、电子半导体及光学元器件等领域有着重要的应用。超快激光是指脉宽在皮秒及飞秒级别(＜10ps)的激光，其具有加工热影响区小、材料去除效率高、切割边缘精细等特点，使其在加工金刚石这类硬脆材料时其具有显著的优势。但激光加工的质量受到材料表面初始粗糙度的较大影响，而铣刀毛坯侧边由粗加工形成的表面粗糙度较低，若激光直接切割则会导致表面波纹起伏复刻到切割面上(粗糙的表面会引起激光光斑的扭曲变形和能量发散)，而铣刀外轮廓抛光后表面质量能够达到ra100nm，适合后续的激光切割成形。
3.pcd等金刚石材料属于硬脆材料，抗拉能力较弱，通过有限元仿真计算其最大拉应力。当采用金刚石作为刀头和刀杆材料且采用多边形横截面时，由计算可得，在金刚石铣刀的直径过小(φ《0.1mm)，且长径比较大(大于等于3)时，铣削受力(一般在1n左右)会导致铣刀刀头沿集中应力最大处即刀头根部断裂。由此证明必须改换铣刀设计方式。对于小直径大长径比金刚石铣刀，当采用硬质合金作为刀头底部的刀杆材料且横截面为正圆形或12边形时，有限元仿真结果证明其刀杆根部最大拉应力未超过硬质合金的横向断裂强度。因此采用此类设计方式制备小直径大长径比金刚石微细铣刀。同时在对金刚石微细铣刀外圆抛光时，其抛光后最小直径应大于0.15mm，避免铣刀直径过小时由于磨削力而导致刀具断裂。
4.在微细铣刀的加工过程中由于铣刀的设计尺寸微小，定位稍有偏差则铣刀的实际加工尺寸会发生较大变化导致铣刀报废。但是人工观测定位需要操作人员具有丰富的操作经验和耐心，且效率低下，每次装夹再定位的时间可达几十分钟远远超过铣刀几分钟的激光加工时间，耗时费力。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是针对金刚石微细铣刀制备过程中金刚石材料去除难度大、加工效率低与刃磨质量较差等问题提出一种高效、高加工质量的激光制备工艺方法与专用装置，以提高金刚石铣刀的制备效率与质量。
6.本发明提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法，包括以下步骤：
7.步骤1，将金刚石微细铣刀坯件装夹在电动旋转装夹装置数控夹头上，刀头露出一段长度(一般为1cm长)，使其被加工部分能够被激光器无遮挡的聚焦；
8.步骤2，调节安装在机床上的xy双轴直线电机的控制平台，将金刚石铣刀坯件移动到高倍率ccd显微检测装置下方，通过铣刀夹具底部的升降台调节高度对焦，利用铣刀刀柄侧边和刀头顶部作为校准基准，并通过基于opencv视觉库的智能图像识别系统中图像测量软件自动测量出铣刀中轴线(与刀柄侧边距离为半径长度)与相机中心的坐标距离，再控制
底部电机移动，实时调节铣刀直至刀头顶部和其中心线与摄像机图像的中心十字线重合，并人为设定为前置加工位置，所述前置加工位置为加工原点；
9.步骤3，自动开启复合机床的磨削装置，将金刚石微细铣刀坯件从加工原点移动到砂轮边沿处并对其外轮廓进行抛光，实现圆柱状金刚石刀杆成形，金刚石刀头和硬质合金刀颈均磨削为圆柱状；
10.步骤4，金刚石微细铣刀坯件抛光完毕后，自动退回ccd显微镜底部位置，进行图像检测，智能图像识别系统通过检测金刚石表面的反光强度判断外圆抛光质量是否合格：将拍摄的图像转为灰度图片，再用cvavg计算像素平均值作为亮度值l，如果l大于l0则判定外圆抛光质量合格，l0是亮度阈值，如果合格则转到步骤5，如果不合格停止加工过程，加工件报废；
11.步骤5，通过智能图像识别系统对铣刀重新定位，并将铣刀移动到激光振镜下方，开启激光器，通过调整ccd显微镜物镜焦点平面和激光场镜聚焦平面高度的安装时固定的差值，自动控制z轴电机调节振镜高度以实现激光精确对焦；
12.步骤6，通过人工设定的工艺步骤和激光工艺参数，将金刚石微细铣刀刀头部分移动到激光聚焦焦点处，通过振镜的激光二维扫描功能分步实现金刚石刃口的切割和抛光加工，进一步的自动调节电动角位移滑台抬高铣刀仰角完成底刃的切割加工，加工完毕后移动铣刀至ccd显微镜检测处的前置加工位置；
13.步骤7，进一步移动金刚石微细铣刀，使其刀颈部分处于激光加工位置，激光切割硬质合金刀颈部分，控制夹具的转动机构调节铣刀的轴向角度，重复12次或更多次扫描切割实现横截面为12边形或24边形的刀颈加工成形。
14.步骤2中，基于opencv视觉库的智能图像识别系统，先通过图像软件的标尺功能将像素大小对应的实际尺寸换算完成，再应用opencv视觉库的图像识别功能根据刀柄半径计算出铣刀中轴线的图像坐标位置，同时通过像素位置计算出刀头中点和ccd显微镜相机中心点的xy轴距离。
15.步骤2中，ccd显微镜和激光振镜的场镜不同轴安装，但焦距差值需通过装配补偿以确保铣刀位置和激光焦点定位的准确及便捷。
16.步骤3中，圆柱的直径处于0.15mm～0.5mm，该直径范围可以保证铣刀脆性大的金刚石部分不会因为磨削力断裂，同时保证后续激光加工时的切割余量，以备后续激光精密切割成形。通过铣刀的电动旋转装夹装置主轴的轴向匀速转动(通过对转动电机的数控控制实现)配合砂轮外圆磨削实现铣刀毛坯圆柱轮廓的均匀加工，并实现100nm的平均表面粗糙度ra。
17.所述加工原点即初始金刚石微细铣刀的刀头前端面和铣刀中心线的交点与摄像机图像的中心十字线中心重合时的机床xy轴坐标。
18.步骤6中，通过opencv视觉库的图像识别功能精确测量刃口坐标位置，并调节xy轴直线电机进行精确位移，以实现铣刀刃口加工定位的调节：首先通过直线电机的pmac执行软件确定激光聚焦焦点和ccd显微镜物镜焦点在xy轴电机运动平面上的固定坐标位置，再通过测量出的铣刀刃口坐标位置确定其和激光焦点的坐标差值，最后控制电机移动对应差值完成定位；
19.步骤6中，采用opencv视觉库的图像识别功能判断铣刀的加工形态并确定下一步
的加工步骤，包括：检测金刚石刀头的切割尺寸精度，如果检测合格则进行下一道刀颈加工工序，如果检测到铣刀材料有余量未切除则重复上一道铣刀定位工序，如果检测到铣刀材料有过切导致毛坯失效则报警提示更换铣刀毛坯重新加工；
20.步骤7中，采用opencv视觉库的图像识别功能判断铣刀的加工形态并确定下一步的加工步骤，包括：检测刀颈的切割尺寸精度，如果检测合格则整体加工完成，如果检测到铣刀材料有余量未切除则重复此道工序，如果检测到铣刀材料有过切导致毛坯失效则报警提示更换铣刀毛坯重新加工；
21.步骤7中，通过opencv视觉库的图像识别功能测量刀颈坐标位置，并调节xy轴直线电机进行精确位移，实现刀颈加工定位的调节。
22.本发明还提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合装置，用于实现所述一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法，所述装置包括铣刀装夹定位机床、激光加工系统和磨削装置，其中，所述铣刀装夹定位机床包括床体(1)、xy双轴直线电机(2)、升降台(3)、角位移滑台(4)、电动旋转装夹装置(5)和金刚石微细铣刀(13)；所述xy双轴直线电机(2)采用螺栓连接安装在机床上，所述升降台(3)采用螺栓连接安装在电机滑台面板上，所述角位移滑台(4)通过螺钉连接在升降台上部面板上，所述电动旋转装夹装置(5)通过螺钉连接在角位移滑台(4)上端，所述金刚石微细铣刀(13)通过弹簧夹头装夹在电动旋转装夹装置(5)上；
23.所述激光加工系统包括z轴伺服电机(7)、振镜安装桁架(6)和激光振镜(8)，所述z轴伺服电机(7)采用螺栓连接安装于桁架上，所述振镜安装桁架(6)通过螺钉连接安装在z轴伺服电机(7)上，所述激光振镜(8)与振镜安装桁架(6)末端螺栓连接配合安装；
24.所述磨削装置包括手动z轴滑台(9)、ccd显微检测装置(10)、磨削砂轮(11)、磨削主轴电机(12)和大理石安装基座(14)；所述手动z轴滑台(9)采用螺栓连接安装在大理石安装基座(14)上，所述ccd显微检测装置(10)通过紧固螺钉和连接梁安装在手动z轴滑台(9)上，所述磨削主轴电机(12)采用螺栓连接安装在大理石安装基座(14)上；
25.为实现超快激光光源输出和波长转换，在激光加工机床侧边放置有激光倍频与偏振装置(15)，所述激光倍频与偏振装置(15)采用螺栓连接安装在超快激光器(16)的输出端，并用一组45
°
全反射镜片(17)将激光导入振镜，两个45
°
全反射镜片(17)分别通过螺钉安装在床体(1)和振镜安装桁架(6)上。
26.所述电动旋转装夹装置(5)可调旋转角度为360
°
，且分辨率为0.001
°
，转台由伺服马达控制，能够精确调整铣刀的转动位置。
27.所述ccd显微检测装置(10)安装在手动z轴滑台(9)的滑台上，ccd显微检测装置(10)具有铣刀观测及定位功能，在安装完毕后能够通过升降台精确对焦。
28.所述激光倍频与偏振装置(15)可采用专用倍频晶体实现超快激光器(16)输出光源(一般为1064nm或800nm波长)的2倍频、3倍频，以实现红外超快激光向绿光、近紫外光的转化；所述激光倍频与偏振装置(15)还需配有四分之一波片及其轴向转动机构以实现激光光源由线偏振转为圆偏振；所述激光倍频与偏振装置(15)的输出光源需要通过扩束镜调节激光束的直径并修正发散角。
29.本发明的有益效果是，本发明方法区别于传统的金刚石微细铣刀磨削制备方式，采用磨削与超快激光加工相结合的方法制备金刚石刀具，同时应用智能图像识别系统实现
刀具的高精度自动定位及加工与检测；采用磨削抛光实现圆柱金刚石毛坯的制备，可以方便后续的刀头激光成形加工，光洁的金刚石毛坯表面可以保证激光加工表面的平整和刃口的完整度；采用振镜控制激光焦点光斑按特定线条或图案移动可实现各种形状的刀具刀刃的成形切割，并能保证较高的形位精度和刃口质量；且可以通过刀具夹具转动系统实现具有统一后角的金刚石微细铣刀的加工制备；由于激光加工的通用性，本装置可以加工各类金刚石或其他超硬材料刀具，包括单晶金刚石(scd)、聚晶金刚石(pcd)、cvd金刚石、无结合剂纳米聚晶金刚石(blpcd)、pcbn和cbn刀具等等。所涉及的装置成本相对低廉、结构简单可靠、使用便捷，可以通过数控和ccd显微镜系统实时调整铣刀位置以实现不同设计结构的铣刀制备，能实现直径0.01mm至1mm的各类金刚石微细铣刀的高效、高精度和高质量制备。
附图说明
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
31.图1为本发明所涉及的一种用于金刚石微细铣刀超快激光制备的装置示意图。
32.图2为超快激光器和倍频装置安放示意图。
33.图3为该装置的左视图。
34.图4为超快激光成形前的pcd微细铣刀毛坯光学显微镜图。
35.图5为ccd相机中心十字线与智能识别的铣刀定位原点。
36.图6a、图6b为激光成形后的铣刀结构示意图。
具体实施方式
37.本发明提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法，包括以下步骤：
38.步骤1，将金刚石微细铣刀坯件装夹在电动旋转装夹装置数控夹头上，刀头露出1cm长，使其被加工部分能够被激光器无遮挡的聚焦；
39.步骤2，调节安装在机床上的xy双轴直线电机控制平台，将金刚石铣刀坯件移动到高倍率ccd显微检测装置下方，通过铣刀夹具底部的升降台调节高度对焦，利用铣刀刀柄侧边和刀头顶部作为校准基准，并通过基于opencv视觉库的智能图像识别系统中图像测量软件自动测量出铣刀中轴线(与刀柄侧边距离为半径长度)与相机中心的坐标距离，再控制底部电机移动，实时调节铣刀直至刀头顶部和其中心线与摄像机图像的中心十字线重合，并人为设定为前置加工位置；
40.步骤3，自动开启复合机床的磨削装置，将金刚石微细铣刀坯件从加工原点(如图5所示，即步骤2中指定的前置加工位置)移动到砂轮边沿处并对其外轮廓进行抛光，实现圆柱状金刚石刀杆成形，金刚石刀头和硬质合金刀颈均磨削为圆柱状，圆柱的直径处于0.15mm～0.5mm，保证后续激光加工时的切割余量，以备后续激光精密切割成形；
41.步骤4，金刚石微细铣刀坯件抛光完毕后，自动退回ccd显微镜底部位置，进行图像检测，智能图像识别系统通过检测金刚石表面的反光强度判断外圆抛光质量是否合格，检测合格则转到步骤5，如不合格停止加工过程，加工件报废；
42.步骤5，通过智能图像识别系统对铣刀重新定位，并将铣刀移动到激光振镜下方，开启激光器，通过调整ccd显微镜物镜焦点平面和激光场镜聚焦平面高度的安装时固定的
差值，自动控制z轴电机调节振镜高度以实现激光精确对焦；
43.步骤6，通过人工设定的工艺步骤和激光工艺参数，将金刚石微细铣刀刀头部分移动到激光聚焦焦点处，通过振镜的激光二维扫描功能分步实现金刚石刃口的切割和抛光加工，进一步的自动调节电动角位移滑台抬高铣刀仰角完成底刃的切割加工，加工完毕后移动铣刀至ccd显微镜检测处的前置加工位置；
44.步骤7，进一步移动金刚石微细铣刀，使其刀颈部分处于激光加工位置，激光切割硬质合金刀颈部分，控制电动旋转装夹装置的转动机构调节铣刀的轴向角度，重复12次或更多次扫描切割实现横截面为12边形或24边形等的刀颈加工成形。
45.步骤2中，基于opencv视觉库的智能图像识别系统先通过图像软件的标尺功能将像素大小对应的实际尺寸换算完成，再应用opencv视觉库的图像识别功能根据刀柄半径计算出铣刀中轴线的图像坐标位置，同时通过像素位置计算出刀头中点和ccd显微镜相机中心点的xy轴距离。
46.步骤3中，通过铣刀装夹主轴的轴向匀速转动(通过对转动电机的数控控制实现)配合砂轮外圆磨削实现铣刀毛坯圆柱轮廓的均匀加工并实现ra100nm的表面粗糙度。
47.进一步的，步骤6中，采用opencv视觉库的图像识别功能判断铣刀的加工形态并确定下一步的加工步骤，包括：检测金刚石刀头的切割尺寸精度，如果检测合格则进行下一道刀颈加工工序，如果检测到铣刀材料有余量未切除则重复上一道铣刀定位工序，如果检测到铣刀材料有过切导致毛坯失效则报警提示更换铣刀毛坯重新加工。
48.进一步的，步骤7中，采用opencv视觉库的图像识别功能判断铣刀的加工形态并确定下一步的加工步骤，包括：检测刀颈的切割尺寸精度，如果检测合格则整体加工完成，如果检测到铣刀材料有余量未切除则重复此道工序，如果检测到铣刀材料有过切导致毛坯失效则报警提示更换铣刀毛坯重新加工；
49.步骤3中的加工原点为步骤2中设定好的前置加工位置，即初始金刚石微细铣刀的刀头前端面和铣刀中心线的交点与摄像机图像的中心十字线中心重合时的机床xy轴坐标。
50.如图1、图2(其中各标号名称：1-床体，2-xy双轴直线电机，3-升降台，4-角位移滑台，5-电动旋转装夹装置，6-振镜装夹桁架，7-z轴伺服直线电机，8-激光振镜，9-手动z轴滑台，10-ccd显微镜，11-磨削砂轮，12-磨削系统主轴，13-金刚石微细铣刀，14-大理石安装基座，15-激光倍频与偏振装置，16-超快激光器，17-全反射镜片)、图3所示，本发明还提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合装置，包括铣刀装夹定位机床、激光加工系统和磨削装置，其中：
51.所述装置包括铣刀装夹定位机床、激光加工系统和磨削装置，其中，所述铣刀装夹定位机床包括床体1、采用螺栓连接安装在机床上的xy双轴直线电机2、采用螺栓连接安装在电机滑台面板上的升降台3、通过螺钉连接在升降台上部面板的角位移滑台4、通过螺钉连接在角位移滑台上端的电动旋转装夹装置5和通过弹簧夹头装夹在电动旋转装夹装置上的金刚石微细铣刀6；
52.所述激光加工系统包括z轴伺服电机7、振镜安装桁架6和激光振镜8，所述z轴伺服电机7采用螺栓连接安装于桁架上，所述振镜安装桁架6通过螺钉连接安装在z轴伺服电机7上，所述激光振镜8与振镜安装桁架6末端螺栓连接配合安装；
53.所述磨削装置包括采用螺栓连接安装在基座上的手动z轴滑台9、通过紧固螺钉和
连接梁安装在手动z轴滑台上的ccd显微检测装置10、磨削砂轮11、采用螺栓连接安装在大理石安装基座上的磨削主轴电机12和大理石安装基座14；
54.为实现超快激光光源输出和波长转换，在激光加工机床侧边放置的激光倍频与偏振装置15采用螺栓连接安装在超快激光器16的输出端并用一组45
°
全反射镜片17将激光导入振镜，两个45
°
全反射镜片17分别通过螺钉安装在床体1和振镜安装桁架6上。
55.其中，超快激光器可以为飞秒或皮秒激光器，输出脉冲宽度10fs-15ps。
56.各电机与ccd显微智能检测镜软件安装在pc机上并用其控制和检测铣刀的加工过程。
57.实施例
58.本实施例提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法，主要包括铣刀毛坯的智能对刀、抛光方法、刀头和刀颈的加工方法和加工质量检测方法。
59.本实施例描述直径150μm、有效刃长0.1mm、切削长度0.6mm的大长径比金刚石微细铣刀制备，具体包括如下步骤：
60.步骤1，将激光或电火花粗切割的四边形截面金刚石块(边长0.2mm)焊接在硬质合金刀柄上，得到金刚石微细铣刀毛坯件；将坯件装夹在电动旋转装夹装置5的数控夹头上，刀头露出1cm长，使其被加工部分能够被激光器无遮挡的聚焦；
61.步骤2，调节安装在机床上的xy双轴直线电机2的控制平台，将金刚石铣刀坯件移动到600放大倍率的ccd显微镜10下方，通过铣刀夹具底部的升降台调节高度对焦，利用铣刀刀柄侧边和刀头顶部作为校准基准，并通过基于opencv视觉库的智能图像识别系统中图像测量软件自动测量出铣刀中轴线与相机中心的坐标距离。具体方式为使用canny算子进行铣刀直外径(如图4所示，其中18是铣刀刀头部分，19是硬质合金刀柄)上下边缘轮廓提取，找出立铣刀图像下边缘和上边缘的像素点构成的直线，其y坐标为y1和y2，则铣刀坯件直径d＝y
2-y1，铣刀图像的轴线的坐标y3＝y1+d/2，使用同样的方法标出刀头顶部的边缘轮廓直线坐标x1，而相机中心的坐标设定为(0，0)。再控制底部电机移动补偿距离y＝-y3，x＝-x1实时调节铣刀直至刀头顶部和其中心线与摄像机图像的中心十字线重合，并人为设定为前置加工位置；
62.步骤3，自动开启复合机床的磨削装置，将金刚石微细铣刀坯件从加工原点(步骤2中指定的前置加工位置)移动到砂轮11边沿处并对其外轮廓进行抛光，采用10μm粒度的陶瓷砂轮，转速5000r/min，金刚石刀头和硬质合金刀颈均磨削为圆柱状，圆柱的直径为0.18mm；
63.步骤4，金刚石微细铣刀坯件抛光完毕后，自动退回ccd显微镜底部位置，进行图像检测，智能图像识别系统通过检测金刚石表面的反光亮度判断外圆抛光质量是否合格，检测合格则转到步骤5，如不合格停止加工过程，加工件报废。具体方法是采用opencv视觉库的图片亮度计算功能，首先将拍摄的图像转为灰度图片，再用cvavg计算像素平均值作为亮度值l，前期通过实验已经得出符合质量要求即平均粗糙度为ra100nm的亮度值l0，由于低粗糙度的表面反光率更高，只要l大于l0即判定抛光合格。
64.步骤5，通过智能图像识别系统对铣刀重新定位，并将铣刀移动到激光振镜8下方，开启激光器，通过调整ccd显微镜物镜焦点平面和激光场镜聚焦平面高度的安装时固定的差值80mm，自动控制z轴电机提高振镜高度80mm以实现激光精确对焦；
65.步骤6，激光切割工艺参数采用355nm波长、300fs脉宽的飞秒激光光源，单脉冲能量为50μj，扫描速度100mm/s，脉冲频率为500khz。激光振镜的场镜焦距为100mm。将金刚石微细铣刀刀头部分移动到激光聚焦焦点处，激光扫描幅面的中点即焦点坐标(0，0)在铣刀中心线上，在激光打标软件ezcad上画出0.1mm长度的直线，起点坐标(0，0.075)，终点坐标(0.1，0.075)，并设置前述切割工艺参数，以实现0.075mm铣刀半径切割。开始打标后，激光振镜扫描金刚石，切割遍数为20遍以保证切割完整，切割后的刀刃结构如图6a、图6b所示，其中20是金刚石刀头，21是刀颈。进一步的调节角位移滑台4抬高铣刀仰角20
°
再通过打标软件画出底刃斜边线，使用相同工艺完成底刃的切割加工，加工完毕后移动铣刀至ccd显微镜检测处的前置加工位置。检测方法同样采用opencv视觉库的canny算子提取刀刃轮廓线，再测量其坐标y4并计算和铣刀中轴线坐标(在前置加工位置时y坐标为0)的差值。由于本案例的铣刀直径要求为150μm，故y4的绝对值等于铣刀半径75μm时判定合格。
66.步骤7，进一步x轴向移动金刚石微细铣刀0.1mm，使其刀颈部分处于激光加工位置，在打标软件中画出0.5mm长直线，y向偏移0.07mm，采用单脉冲能量30μj、扫描速度10mm/s及脉冲频率为500khz作为加工工艺。开启打标功能使激光切割硬质合金刀颈部分，控制夹具的转动机构调节铣刀的轴向角度，重复12次扫描切割，每次切割后轴向转动30
°
实现横截面为12边形的刀颈加工成形。
67.最终完成切削直径为150μm、切削长度0.6mm的金刚石微细铣刀制造，通常制备一把此类铣刀总共耗时约1-2小时，其中激光加工部分工序只需耗时20分钟。
68.本发明提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法及装置，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

技术特征：
1.一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将金刚石微细铣刀坯件装夹在电动旋转装夹装置数控夹头上，刀头露出一段长度，使其被加工部分能够被激光器无遮挡的聚焦；步骤2，调节安装在机床上的xy双轴直线电机的控制平台，将金刚石铣刀坯件移动到高倍率ccd显微检测装置下方，通过铣刀夹具底部的升降台调节高度对焦，利用铣刀刀柄侧边和刀头顶部作为校准基准，并通过智能图像识别系统测量出铣刀中轴线与相机中心的坐标距离，再控制底部电机移动，实时调节铣刀直至刀头顶部和其中心线与摄像机图像的中心十字线重合，并设定为前置加工位置，所述前置加工位置为加工原点；步骤3，自动开启复合机床的磨削装置，将金刚石微细铣刀坯件从加工原点移动到砂轮边沿处并对其外轮廓进行抛光，实现圆柱状金刚石刀杆成形，金刚石刀头和硬质合金刀颈均磨削为圆柱状；步骤4，金刚石微细铣刀坯件抛光完毕后，自动退回ccd显微镜底部位置，进行图像检测，智能图像识别系统通过检测金刚石表面的反光强度判断外圆抛光质量是否合格：将拍摄的图像转为灰度图片，再用cvavg计算像素平均值作为亮度值l，如果l大于l0则判定外圆抛光质量合格，l0是亮度阈值，如果合格则转到步骤5，如果不合格停止加工过程，加工件报废；步骤5，通过智能图像识别系统对铣刀重新定位，并将铣刀移动到激光振镜下方，开启激光器，通过调整ccd显微镜物镜焦点平面和激光场镜聚焦平面高度的安装时固定的差值，自动控制z轴电机调节振镜高度以实现激光精确对焦；步骤6，通过设定的工艺步骤和激光工艺参数，将金刚石微细铣刀刀头部分移动到激光聚焦焦点处，通过振镜的激光二维扫描功能分步实现金刚石刃口的切割和抛光加工，进一步的自动调节电动角位移滑台抬高铣刀仰角完成底刃的切割加工，加工完毕后移动铣刀至ccd显微镜检测处的前置加工位置；步骤7，进一步移动金刚石微细铣刀，使其刀颈部分处于激光加工位置，激光切割硬质合金刀颈部分，控制夹具的转动机构调节铣刀的轴向角度，重复扫描切割实现横截面为12边形或24边形的刀颈加工成形。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，基于opencv视觉库的智能图像识别系统，先通过标尺功能将像素大小对应的实际尺寸换算完成，再应用opencv视觉库的图像识别功能根据刀柄半径计算出铣刀中轴线的图像坐标位置，同时通过像素位置计算出刀头中点和ccd显微镜相机中心点的xy轴距离。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中，ccd显微镜和激光振镜的场镜不同轴安装，但焦距差值需通过装配补偿。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，圆柱的直径处于0.15mm～0.5mm；通过铣刀的电动旋转装夹装置主轴的轴向匀速转动配合砂轮外圆磨削实现铣刀毛坯圆柱轮廓的均匀加工，并实现100nm的平均表面粗糙度ra。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6中，通过opencv视觉库的图像识别功能测量刃口坐标位置，并调节xy轴直线电机进行位移，以实现铣刀刃口加工定位的调节：首先通过直线电机的pmac执行软件确定激光聚焦焦点和ccd显微镜物镜焦点在xy轴电机运动平面上的固定坐标位置，再通过测量出的铣刀刃口坐标位置确定其和激光焦点的坐标差
值，最后控制电机移动对应差值完成定位。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6中，采用opencv视觉库的图像识别功能判断铣刀的加工形态并确定下一步的加工步骤，包括：检测金刚石刀头的切割尺寸精度，如果检测合格则进行下一道刀颈加工工序，如果检测到铣刀材料有余量未切除则重复上一道铣刀定位工序，如果检测到铣刀材料有过切导致毛坯失效则报警提示更换铣刀毛坯重新加工；步骤7中，采用opencv视觉库的图像识别功能判断铣刀的加工形态并确定下一步的加工步骤，包括：检测刀颈的切割尺寸精度，如果检测合格则整体加工完成，如果检测到铣刀材料有余量未切除则重复此道工序，如果检测到铣刀材料有过切导致毛坯失效则报警提示更换铣刀毛坯重新加工；步骤7中，通过opencv视觉库的图像识别功能测量刀颈坐标位置，并调节xy轴直线电机进行精确位移，实现刀颈加工定位的调节。7.一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合装置，用于实现如权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括铣刀装夹定位机床、激光加工系统和磨削装置，其中，所述铣刀装夹定位机床包括床体(1)、xy双轴直线电机(2)、升降台(3)、角位移滑台(4)、电动旋转装夹装置(5)和金刚石微细铣刀(13)；所述xy双轴直线电机(2)采用螺栓连接安装在机床上，所述升降台(3)采用螺栓连接安装在电机滑台面板上，所述角位移滑台(4)通过螺钉连接在升降台上部面板上，所述电动旋转装夹装置(5)通过螺钉连接在角位移滑台(4)上端，所述金刚石微细铣刀(13)通过弹簧夹头装夹在电动旋转装夹装置(5)上；所述激光加工系统包括z轴伺服电机(7)、振镜安装桁架(6)和激光振镜(8)，所述z轴伺服电机(7)采用螺栓连接安装于桁架上，所述振镜安装桁架(6)通过螺钉连接安装在z轴伺服电机(7)上，所述激光振镜(8)与振镜安装桁架(6)末端螺栓连接配合安装；所述磨削装置包括手动z轴滑台(9)、ccd显微检测装置(10)、磨削砂轮(11)、磨削主轴电机(12)和大理石安装基座(14)；所述手动z轴滑台(9)采用螺栓连接安装在大理石安装基座(14)上，所述ccd显微检测装置(10)通过紧固螺钉和连接梁安装在手动z轴滑台(9)上，所述磨削主轴电机(12)采用螺栓连接安装在大理石安装基座(14)上；为实现超快激光光源输出和波长转换，在激光加工机床侧边放置有激光倍频与偏振装置(15)，激光倍频与偏振装置(15)采用螺栓连接安装在超快激光器(16)的输出端，并用一组45
°
全反射镜片(17)将激光导入振镜，两个45
°
全反射镜片(17)分别通过螺钉安装在床体(1)和振镜安装桁架(6)上。8.根据权利要求7所述的一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合装置，其特征在于，所述电动旋转装夹装置(5)可调旋转角度为360
°
，且分辨率为0.001
°
，转台由伺服马达控制，能够精确调整铣刀的转动位置。9.根据权利要求8所述的一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合装置，其特征在于，所述ccd显微检测装置(10)安装在手动z轴滑台(9)的滑台上，所述ccd显微检测装置(10)具有铣刀观测及定位功能，在安装完毕后能够通过升降台精确对焦。10.根据权利要求9所述的一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合装置，其特征在于，所述激光倍频与偏振装置(15)采用专用倍频晶体实现超快激光器(16)输出光源的2倍频、3倍频，以实现红外超快激光向绿光、近紫外光的转化；所述激光倍频与偏振装置(15)还
配有四分之一波片及其轴向转动机构以实现激光光源由线偏振转为圆偏振；所述激光倍频与偏振装置(15)的输出光源需要通过扩束镜调节激光束的直径并修正发散角。

技术总结
本发明提供了一种用于金刚石微细铣刀制备的智能复合方法及装置，所述方法采用特别设计的数控机床系统和智能图像识别系统，实现金刚石微细铣刀的精确安装定位及铣刀的智能自动化制备。实现该方法的装置包括：床体、XY双轴直线电机、升降台、角位移滑台、电动旋转装夹装置、振镜装夹桁架、Z轴伺服直线电机、激光振镜、手动Z轴滑台、CCD显微镜、磨削砂轮、磨削系统主轴、金刚石微细铣刀、大理石安装基座、激光倍频与偏振装置、超快激光器和全反射镜片。本发明适用于各种直径和长径比的金刚石微细铣刀的超快激光制备，通过由智能识别系统控制的精密定位装置自动调节铣刀的加工位置并检测各步骤的加工质量，实现金刚石微细铣刀高效、高质量制备。量制备。量制备。


技术研发人员：夏浥 郭语 李晓晖 周金宇
受保护的技术使用者：金陵科技学院
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/10/7