专利名称：发动机气缸表面激光微加工装置及加工方法
技术领域：
本发明涉及摩擦副表面激光微造型技术(Surface Laser Micro-Texturing)，特指一种用于发动机气缸表面激光微加工装置及加工方法。
背景技术：
在机械工程领域中，气缸与活塞环是一个典型的摩擦副。根据摩擦学原理可知，在其摩擦副表面加工出符合减磨润滑机理的微观形貌，可以显著改善其摩擦副的润滑性能， 提高摩擦副的使用寿命。激光表面微造型技术以其加工速度快、成本低、无污染、非接触式、无工具磨损、优良的尺寸控制精度等优点而受到广泛的应用。专利申请公开号为CN1857844A的中国专利公开了一种摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备。在此专利中，采用工件夹持旋转、激光头上下运动的加工方案。倘若工件体积、质量较大，这种加工方案就难以使激光脉冲与工件表面产生耦合，带来加工局限性。发动机气缸表面激光微加工装置采用工件固定、 激光头即旋转又上下运动的加工方案，完全不受工件体积、质量所带来的影响。激光表面微造型技术大都采用脉冲激光加工的方式，由于一个激光脉冲所能去除的材料有限，为了达到表面形貌要求的深度，就需要在同一点处打多个激光脉冲。目前，普遍的激光微加工过程中，为了达到形貌深度要求，在同一点上的激光脉冲是连续打出的。由于激光微造型技术是激光的热效应加工，采用这种加工方式会带来较严重的热负面效应， 使加工表面的形貌质量变差。发动机气缸表面激光微加工装置利用激光脉冲之间发出的时间间隔，使在同一点处需要打的几个激光脉冲有间隔重复地打出，成功实现在规定的加工点、规定的时间打出单个激光脉冲。这种加工方法能很大程度地降低激光微加工过程中所产生的热负面效应，能在工件表面高效、高质量地加工出符合减磨润滑机理的微观形貌。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，采用工件固定不动、激光头既旋转又上下直线运动的加工方案，解决了由于工件体积、质量较大所带来的加工局限性。利用激光脉冲之间发出的时间间隔，使得在同一点处的激光脉冲有间断的输出，很大程度地降低了激光微加工过程中所产生的热负面效应。本发明的发动机气缸表面激光微加工装置包括由主机壳与右侧机壳组成的外机壳部分、置于主机壳上的激光器、主机壳内的高精度工作台部分、旋转通光进气装置部分、 右侧机壳内的计算机数控系统部分和右侧机壳后的辅助系统部分。置于主机壳上的激光器包括内部光路系统和外部光路系统。在激光器内部光路系统中，沿着光路方向从右到左设置了后反镜、声光调Q开光、激光器泵浦源、二向色镜、倍频晶体、输出镜、全反镜、全反镜、 望远镜。激光束从激光器内部光路系统输出，经过外部光路系统进入到旋转通光进气装置。 高精度工作台由X、Y轴平面工作台、Z轴立式工作台及用于驱动各轴工作台运动的X、Y、Z 轴伺服电机组成。在X、Y、Z轴工作台上分别安装直线光栅尺，一个专用夹具固定在X、Y轴平面工作台上。旋转通光进气装置部分旨在实现激光头多角度均勻送气，激光头旋转的同时传输辅助气体并保证良好的气密性，激光头旋转时保证较小的圆跳动，足够的吹气压力去除加工表面的金属残渣，同时使激光聚焦镜和加工表面及时散热。在Z轴立式工作台上水平安装一个悬臂梁，悬臂梁的右端开设一通孔，一个气腔套筒经过这个通孔固定在悬臂梁的下端面。一根旋转轴通过两个密封轴承与气腔套筒的内壁连接。气体传输采用独立式气腔设计，即气腔套筒不随旋转轴旋转。圆环状的上轴承压盖穿过旋转轴固定在悬臂梁上端面，此圆环状的上轴承压盖与悬臂梁上端面连接处设有密封圈，与上密封轴承之间设有毡圈，保证气腔套筒上端面的密封。圆环状的下轴承压盖穿过旋转轴固定在气腔套筒下端面，此圆环状的下轴承压盖与气腔套筒下端面连接处设有密封圈，与下密封轴承之间设有毡圈，保证气腔套筒下端面的密封。上轴承压盖、旋转轴、气腔套筒、下轴承压盖之间就形成一个密闭腔。气腔套筒外部开设一个气腔进气孔用于外部气源气体的输入。悬臂梁的左端固定一个旋转轴伺服电机，旋转轴伺服电机通过同步带的传动驱动旋转轴的旋转，旋转轴的转速时刻保持与旋转轴伺服电机一致。在旋转轴的同轴方向安装一个高精度增量式旋转编码器用于输出反映旋转轴转动时角位移变化量的脉冲信号。在两个密封轴承之间的那段旋转轴外圆周表面上开设一定数量的通气孔用作旋转轴上的输气孔，这样就能在旋转轴旋转的同时把辅助气体通入到旋转轴内部。在旋转轴顶端放置一块高透光度透镜并用透镜压盖固定。旋转轴下端连接一个激光头，为了保证激光头旋转同轴度以及激光头与旋转轴连接处的密封性，旋转轴与激光头的连接方式有莫氏锥度联接和法兰连接。在激光头的内部安装一个聚焦透镜用于对激光束的聚焦，激光头的底部安装一块45 °全反镜用于将聚焦以后的激光束反射到工件加工表面。聚焦透镜插在一个聚焦透镜套筒的插槽里，聚焦透镜套筒的外径小于激光头的内径。聚焦透镜套筒插在激光头内部，在激光头外表面上均勻开设 3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入3个紧定螺钉与聚焦套筒接触，从而固定聚焦透镜在激光头内的位置。松开3个紧定螺钉，聚焦透镜套筒可在激光头的轴向位置实现移动，从而改变聚焦焦点的位置。聚焦透镜套筒与激光头内壁之间留有的空隙用作传输辅助气体。激光束经激光头里的聚焦透镜聚焦，由激光头底部的45°全反镜反射后，从激光头出光出气孔射出。 右侧机壳内的计算机数控系统包括调Q开关驱动器、激光器泵浦电源、上位工控机、X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器及旋转轴伺服驱动器。上位工控机内四轴三联动运动控制卡分别与X、Y、Z轴伺服驱动器相连，通过各轴伺服驱动器控制相对应伺服电机的运转，实现三维工作台的平移运动以及旋转轴的旋转运动。高精度增量式旋转编码器、调 Q开关驱动器分别与上位工控机内的激光控制卡相连。激光控制卡将高精度增量式旋转编码器反馈的脉冲处理后，输出激光控制信号给调Q开关驱动器，再由调Q开关驱动器控制声光调Q开关，驱动激光器输出所需频率的激光脉冲。右侧机壳后方放置的辅助系统包括辅助气体和激光器水冷机。加工过程中，辅助气体能吹走热效应所产生的熔渣，保证加工表面形貌质量。激光器水冷机能把激光器在工作过程中产生的热量以水冷的方式转换掉。
发动机气缸表面激光微加工装置的数控系统是通过Visual C++软件利用动态链接库技术，调用四轴三联动运动控制卡和激光控制卡封装的库文件来实现对底层硬件接口的访问。通过利用面向对象的C++语言编写的相应程序来实现工作台的三维平动和激光头的旋转运动，借助于激光控制卡对系统机械运动与激光器单脉冲输出的协同控制，使激光器在规定的时间、规定的加工点输出单个激光脉冲，完成所需加工要求。
本发明的发动机气缸表面激光微加工装置的加工方法是按照如下步骤
A、将工件固定于专用夹具上，打开控制系统，将工作台调整到适当的位置，使激光束聚焦以后的焦点落在工件加工表面；
B、在控制程序软件加工界面设置具体的加工参数，打开辅助气体开关，运行加工程序， 激光头开始旋转，激光器输出一定频率的激光脉冲；
C、当一个气缸孔加工完毕以后，整个系统处于静止状态，利用工作台的移动找到下一个气缸孔的加工位置，开始加工；
D、当全部气缸孔加工完毕以后，退出程序，关闭控制系统。本发明的有益效果本发明能最大程度的降低激光微加工过程中所产生的热负面效应，实现对工件表面高效、高质量的微米量级任意形貌的微加工。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1是发动机气缸表面激光微加工装置的框架示意图。图2是所述的旋转通光进气装置的结构示意图。图3是旋转轴上开设通气孔的正面剖视图。图4是旋转轴上开设通气孔的横截面剖视图。图5是旋转轴与激光头莫氏锥度连接示意图。图6是旋转轴与激光头法兰连接示意图。图7是聚焦透镜套筒在激光头内部固定的示意图。图8是发动机气缸表面激光微加工装置的激光光路示意图。图9是发动机气缸表面激光微加工装置的加工方法流程图。图中，1-主机壳2-激光器3-调Q开关驱动器4-激光器泵浦电源5_上位工控机6-右侧机壳7-X轴伺服驱动器8-Y轴伺服驱动器9-Z轴伺服驱动器10-旋转轴伺服驱动器11-导光管12-专用夹具13-工作平台14- X轴光栅尺15- Y轴伺服电机16-立柱17- Z轴伺服电机18-Z轴直线导轨19- Z轴立式工作台20-Z轴光栅尺 21-Y轴直线导轨 22-Y轴光栅尺 23-X轴直线导轨 M-X轴伺服电机 25-底座26-透镜压盖27-高透光度透镜28-高精度增量式旋转编码器29-旋转轴 30-同步带轮A 31-上轴承压盖32-密封圈A 33-毡圈A 34-密封轴承A 35-密封轴承B 36-密封圈B 37-下轴承压盖 38-毡圈B 39-激光头 40-聚焦透镜 41-45° 全反镜 42-激光头出光出气孔 43-同步带轮B 44-旋转轴伺服电机 45-悬臂梁 46-气腔进气孔47-气腔套筒48-同步带49- 0型密封圈50-聚焦透镜套筒51-紧定螺钉A 52-紧定螺钉B 53-紧定螺钉C 54-后反镜55-声光调Q开关56-激光器泵浦源57-二向色镜58-倍频晶体59-输出镜60-全反镜A 61-全反镜B 62-望远镜63-方向可调全反镜。
具体实施例方式所述的发动机气缸表面激光微加工装置由外机壳部分、激光器2、高精度工作台部分、旋转通光进气装置部分、计算机数控部分和辅助系统部分组成，所述发动机气缸表面激光微加工装置的结构框架如图1所示。
外机壳部分由主机壳1和右侧机壳6构成。高精度工作台部分包括底座25、X轴直线导轨23、X轴伺服电机25、Y轴直线导轨21、Y轴伺服电机15、Z轴直线导轨18、Z轴伺服电机17、工作平台13、Z轴立式工作台19、X轴光栅尺14、Y轴光栅尺22、Z轴光栅尺20 和立柱16。底座25置于主机壳1内部，在底座25上面用螺栓固定X轴直线导轨23，X轴伺服电机24安装在X轴直线导轨23底座上，X轴伺服电机24通过滚珠丝杠驱动Y轴直线导轨21和工作平台13沿X轴直线导轨23做左右移动。Y轴伺服电机15安装在Y轴直线导轨21底座上，Y轴伺服电机15通过滚珠丝杠驱动工作平台13沿Y轴直线导轨21做前后移动。在工作平台上设置专用夹具12。立柱16与底座25竖直连接。Z轴直线导轨18固定在立柱16上，Z轴伺服电机17固定在Z轴直线导轨18底座上，Z轴伺服电机17通过滚珠丝杠驱动Z轴立式工作台19在竖直方向做上下直线运动。图2为旋转通光进气装置的结构示意图，所述旋转通光进气装置包括悬臂梁45、 气腔套筒47、上轴承压盖31、下轴承压盖37、旋转轴29、密封轴承A34、密封轴承B35、旋转轴伺服电机44、同步带轮A30、同步带轮B43、同步带48、高精度增量式旋转编码器28、高透光度透镜27、透镜压盖26、激光头39、聚焦透镜套筒50、45°全反镜41和激光头出光出气孔42。悬臂梁45是由六块硬质铝合金板构成的一个长方形腔体，悬臂梁45的高度为 6 7cm，宽度与长度的比为1:5 1:6。悬臂梁45通过螺栓连接水平安装在Z轴立式工作台19 上，悬臂梁45右端开一个通孔，一个气腔套筒47经过这个通孔通过螺栓连接固定在悬臂梁 45的下端面，气腔套筒47的高度为悬臂梁45高度的2 3倍。旋转轴29穿过气腔套筒47， 通过密封轴承A34和密封轴承B35与气腔套筒47内壁连接。密封轴承A34和密封轴承B35 的内圈与旋转轴29的连接方式为过盈配合，随旋转轴29转动。密封轴承A34和密封轴承 B35的外圈与气腔套筒17的连接方式为过盈配合，不随旋转轴29旋转。圆环状的上轴承压盖31与旋转轴29同轴，套在旋转轴29上，通过螺栓连接固定在悬臂梁45的上端面。圆环状的下轴承压盖37与旋转轴29同轴，套在旋转轴29上，通过螺栓连接固定在气腔套筒 47的下端面。密封轴承A34与上轴承压盖31之间设有毡圈A33，上轴承压盖31与悬臂梁上端面连接处设有密封圈A32。密封轴承B35与下轴承压盖37之间设有毡圈B38，下轴承压盖37与气腔套筒下端面连接处设有密封圈B36。气腔套筒47、上轴承压盖31、下轴承压盖37和旋转轴29之间形成一个密闭腔。气腔套筒47上开设一气腔进气孔46，此气腔进气孔46与外部气源连接，为整个系统供气。在旋转轴29与密封轴承A34、密封轴承B35配合的中间段面上开设12 14个通气孔，辅助加工气体经过这些通气孔进入旋转轴29内部。图 3为在旋转轴上开设通气孔的正面剖视图，图4为在旋转轴上开设通气孔的横截面剖视图， 所开通气孔的横截面直径选为5mm，方向一律延旋转轴切线方向并且与水平线呈30° 45° 夹角，每层开设4个通气孔，开孔数目为开孔层数与每层开孔数目的乘积，相邻两层之间的距离为15mm。同步带轮A30安装在上轴承压盖31上方的旋转轴29上。悬臂梁45左端固定一个旋转轴伺服电机44，旋转轴伺服电机44的旋转主轴上安装一个同步带轮B43，同步带轮B43与同步带轮A30的传动比为1:1，且同步带轮B43与同步带轮A30在同一水平高度上。旋转轴伺服电机44转动时，通过同步带48的传动驱动旋转轴29转动，旋转轴29的转速时刻保持与旋转轴伺服电机44转速一致。同步带轮A30上方的旋转轴29上安装一个高精度增量式旋转编码器28。当旋转轴转动时，高精度增量式旋转编码器28输出反映旋转轴29角位移变化量 的脉冲信号。旋转轴29的顶端设置一块高透光度透镜27，并通过透镜压盖26与旋转轴29的螺纹连接将其固定，透镜压盖26与旋转轴29之间设有O型密封圈。在旋转轴29的下端安装一个激光头39，为了保证激光头39旋转时的同轴度以及激光头与旋转轴连接处的密封性，激光头39与旋转轴29的连接方式有2种。图5为旋转轴29和激光头39莫氏锥度连接示意图，激光头内部的聚焦透镜未画出。在旋转轴下端和激光头内表面加工出相互配合的锥度端面，装配时将激光头39与旋转轴29配合，利用配合处相互之间的摩擦力可以将激光头39固定。图6为旋转轴29和激光头39法兰连接示意图，激光头内部的聚焦透镜未画出，旋转轴29与激光头39分别做成法兰盘形状，在法兰盘上开设对称角度的法兰孔，在旋转轴29和激光头39的法兰结合部位嵌入一个0形密封圈 49，保证连接部位的气密性。对于加工不同缸径的工件，需要改变激光聚焦以后焦点所在的位置，这就要求激光头里的聚焦透镜40在轴向方向可以调节位置。为了实现这一目的，所采用的技术方案是如图7所示，一个外径小于激光头39内径的聚焦透镜套筒50，聚焦透镜套筒50上设有插槽，聚焦透镜40插在插槽里，聚焦透镜40的轴心在聚焦透镜套筒50的轴心上。聚焦透镜套筒50的外圆周上设有三个均勻分布的凸台，凸台与激光头内表面是间隙配合。聚焦透镜套筒50插入激光头39中，聚焦透镜套筒50与激光头39内径之间留有的空隙用作传输辅助气体。在激光头39外表面上每隔120°开设3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入的三个紧定螺钉A51、B52、C53与聚焦透镜套筒50接触，固定聚焦透镜套筒50在激光头39中的位置。 调焦时，预先算好聚焦透镜40在竖直方向的位移，然后将调节尺塞伸入激光头39，轻抵聚焦透镜套筒50，松开紧定螺钉A51、B52、C53，此时聚焦透镜套筒50由调节尺塞支撑，改变调节尺塞在竖直方向的位置最后重新拧紧紧定螺钉A51、B52、C53将聚焦透镜40固定在新的位置。45°全反镜41置于激光头39的底部，激光头出光出气孔42开设于激光头39的底部，激光头出光出气孔42正对指向45°全反镜41。激光束经激光头里的聚焦透镜40聚焦以后，再由激光头底部的45°全反镜41反射后从激光头出光、出气孔42射出。在所述发动机气缸表面激光微加工装置的主机壳1上方放置激光器2。激光器2 由内部光路系统和外部光路系统组成。激光器为二极管泵浦固体(DPSS) YAG激光器，其基本参数为重复频率为IKHz 50KHz，波长为532nm，输出功率为大于3w。在激光器内部光路系统中，沿着光路方向从右到左设置了后反镜54、声光调Q开光55、激光器泵浦源56、二向色镜57、倍频晶体58、输出镜59、全反镜A60、全反镜B61、望远镜62。倍频晶体58把从激光器泵浦源56发射出来的1064nm的激光倍频成波长为532nm的激光。望远镜62把入射的激光束变成平行光，使激光束入射聚焦透镜40的光斑直径变小。激光器外光路部分包括方向可调全反镜63和导光管11，方向可调全反镜63安装于激光器内部光路系统的激光输出口左端，在方向可调全反镜63的下方固定导光管11，导光管11指向旋转轴29。整个系统的光路图如图8所示。计算机数控系统置于右侧机壳6内，从上到下依次放置调Q开关驱动器3、激光器泵浦电源4、上位工控机5、X轴伺服驱动器7、Y轴伺服驱动器8、Z轴伺服驱动器9和旋转轴伺服驱动器10。上位工控机5的ISA总线上插有激光控制卡和四轴三联动运动控制卡。 四轴三联动运动控制卡与X轴伺服驱动器7、Y轴伺服驱动器8、Z轴伺服驱动器9和旋转轴伺服驱动器10进行信号联系，由X轴伺服驱动器7、Y轴伺服驱动器8、Ζ轴伺服驱动器9和旋转轴伺服驱动器10向X轴伺服电机24、Y轴伺服电机15、Ζ轴伺服电机17和旋转轴伺服电机44发送方向信号和脉冲指令，驱动X轴伺服电机24、Y轴伺服电机15、Z轴伺服电机17和旋转轴伺服电机44的运转。当激光头39旋转时，高精度增量式旋转编码器28输出反映激光头角位移变化量的脉冲信号给激光控制卡，经激光控制卡倍频、运算处理、分频输出所需频率的激光控制信号给调Q开关驱动器3，再由调Q开光驱动器3控制声光调Q开关55，驱动激光器2输出相对应频率的激光脉冲。辅助系统部分由辅助气体和激光器水冷机组成。激光器水冷机置于右侧机壳6的后下方内部。辅助气体为压缩氮气，置于右侧机壳6右侧方。所述激光微造型设备的数控系统是通过Visual C++软件，利用动态链接库技术， 调用四轴三联动运动控制卡和激光控制卡封装的库文件来实现对底层硬件接口的访问。通过利用面向对象的C++语言编写的相应程序来实现工作台的三维平动以及激光头的旋转运动，借助于激光控制卡对系统机械运动与激光器单脉冲输出的协同控制，使激光器在规定的时间、规定的加工点输出单个激光脉冲，实现加工要求。发动机气缸表面激光微加工装置的加工方法流程如图9所示，所述装置在加工时的工作过程是这样的
将发动机汽缸体固定于专用夹具12上，调整工作台位置，使激光头39处于正确的加工位置，打开气阀，运行加工程序。此时激光头39作旋转运动，高精度增量式旋转编码器28 输出反映激光头39角位移变化量的脉冲信号给激光控制卡，经激光控制卡运算处理后，输出所需频率的激光控制信号给调Q开关驱动器3，从而驱动激光器2输出相对应频率的激光脉冲。这样就实现了在气缸表面圆周上的凹腔造型。激光控制卡可以对加工的重复次数进行计数，根据不同的形貌要求，可以设定不同的加工重复次数。在一圆周上的重复加工次数完毕以后，激光头39需要做一个向下的进给量，在激光头39作进给运动过程中，激光头39 —直在旋转，但此时激光控制卡不工作，没有激光脉冲输出。当激光头39到达下一个加工圆周后，激光器2才会分频输出激光脉冲。 若是加工网纹斜线，激光头39需要做的向下进给量较小，到达下一加工圆周后不是马上就有激光脉冲输出，而是根据不同的网纹角度要求，偏移一定数量的脉冲数后，才会输出激光脉冲。以此重复，直至加工完指定的加工长度。当加工完一个气缸孔后，需要通过调整工作台来寻找下一个气缸孔 的加工位置。 在X、Y、Z轴工作台上安装的X轴直线光栅尺14、γ轴直线光栅尺22、Ζ轴直线光栅尺20输出反映工作台位置的脉冲信号给四轴三联动运动控制卡，实现系统的闭环控制，提高系统的运动控制精度。在此基础下，通过平移工作台的方法能很好地找到下一个气缸孔的加工位置。本发明的发动机气缸表面的激光微造型装置加工方法是通过基于VC++软件编写的程序实现的。VC++软件开发的操作平台具有很好的人机交换界面，利用动态链接库技术 (DLL)很好地把运动控制系统和激光器控制系统协调联动起来。
权利要求
1.发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，由外机壳部分、激光器(2)、高精度工作台部分、旋转通光进气装置部分、计算机数控部分和辅助系统部分组成；所述外机壳部分包括主机壳(1)和右侧机壳(6)；所述激光器(2)位于主机壳(1)上方，包括激光器内光路系统和激光器外光路系统；所述高精度工作台部分包括底座(25)、X轴直线导轨(23)、X 轴伺服电机(24)、Y轴直线导轨(21)、Y轴伺服电机(15)、Z轴直线导轨(18)、Z轴伺服电机 (17)、工作平台(13)、Z轴立式工作台(19)、X轴光栅尺(14)、Y轴光栅尺(22)、Z轴光栅尺 (20)、立柱(16)和专用夹具(12)；底座(25)置于主机壳(1)内部，在底座(25)上用螺栓固定X轴直线导轨(23)，X轴伺服电机(24)安装在X轴直线导轨(23)底座上，所述X轴伺服电机(24)通过滚珠丝杠驱动Y轴直线导轨(21)和工作平台(13)沿X轴直线导轨(23)做左右移动；Y轴伺服电机(15)安装在Y轴直线导轨(21)底座上，所述Y轴伺服电机(15)通过滚珠丝杠驱动工作平台(13)沿Y轴直线导轨(21)做前后移动；在工作平台上设置专用夹具(12)；立柱(16)与底座(25)竖直连接；Z轴直线导轨(18)固定在立柱(16)上，Z轴伺服电机(17)固定在Z轴直线导轨(18)底座上，所述Z轴伺服电机(17)通过滚珠丝杠驱动Z轴立式工作台(19)在竖直方向做上下运动；所述的旋转通光进气装置部分包括悬臂梁 (45)、气腔套筒(47)、上轴承压盖(31)、下轴承压盖(37)、旋转轴(29)、密封轴承A (；34)、密封轴承B (35)、旋转轴伺服电机(44)、同步带轮A (30)、同步带轮B (43)、同步带(48)、高精度增量式旋转编码器(28)、高透光度透镜(27)、透镜压盖(26)、激光头(39)、聚焦透镜套筒(50)、45°全反镜(41)和激光头出光出气孔(42);所述悬臂梁(45)通过螺栓连接水平安装在Z轴立式工作台(19)上，悬臂梁(45)的右端开一个通孔，所述气腔套筒(47)经过该通孔通过螺栓联接固定在悬臂梁(45 )的下端面；所述旋转轴(29 )穿过气腔套筒(47 )，通过密封轴承A (34)和密封轴承B (35)与气腔套筒(47)内壁连接；所述上轴承压盖(31)为圆环状且与旋转轴(29 )同轴，套在旋转轴(29 )上通过螺栓连接固定在悬臂梁(45 )的上端面；所述下轴承压盖(37)为圆环状且与旋转轴(29)同轴，套在旋转轴(29)上通过螺栓连接固定在气腔套筒(47)的下端面；所述密封轴承A (34)和密封轴承B (35)的内圈与旋转轴的连接为(29)过盈配合，随旋转轴(29)转动；所述密封轴承A (34)和密封轴承B (35) 的外圈与气腔套筒(47)的内壁的连接为过盈配合，不随旋转轴(29)转动；所述密封轴承A (34)与上轴承压盖(31)之间设有毡圈A (33)，所述上轴承压盖(31)与悬臂梁上端面连接处设有密封圈A (32);所述密封轴承B (35)与下轴承压盖(37)之间设有毡圈B (38)，所述下轴承压盖(37)与气腔套筒下端面连接处设有密封圈B (36);所述气腔套筒(47)、上轴承压盖(31)、下轴承压盖(37)和旋转轴(29)之间形成一个密闭腔；所述气腔套筒(47)上开设一气腔进气孔(46)，所述气腔进气孔(46)与外部气源连接，为整个系统供气；在所述旋转轴(29)与密封轴承A (34)、密封轴承B (35)配合的中间段面上开设12 14个通气孔， 辅助加工气体经过这些通气孔进入旋转轴(29)内部；所述同步带轮A (30)安装在上轴承压盖(31)上方的旋转轴(29)上；在悬臂梁(47)的左端固定一个旋转轴伺服电机(44)，所述旋转轴伺服电机(44)的旋转主轴上安装同步带轮B (43)，所述同步带轮B (43)与同步带轮A (30)的传动比为1:1，且在同一水平高度；所述旋转轴伺服电机(44)转动时，通过同步带(48)的传动驱动旋转轴(29)的转动，旋转轴(29)的转速时刻保持与旋转轴伺服电机(44)转速一致；同步带轮A (30)上方的旋转轴(29)上安装一个高精度增量式旋转编码器(28)，当旋转轴(29)转动时，所述高精度增量式旋转编码器(28)输出反映旋转轴角位移变化量的脉冲信号；所述旋转轴(29)的顶端设置一块高透光度透镜(27)，并通过透镜压盖 (26)与旋转轴(29)的螺纹连接将其固定，所述透镜压盖(26)与旋转轴(29)之间设有0型密封圈；在所述旋转轴(29)的下端安装激光头(39);所述聚焦透镜套筒(50)的外径小于激光头(39)内径，并设有插槽，将聚焦透镜(40)插在聚焦透镜套筒(50)的插槽中，聚焦透镜 (40)的轴心在聚焦透镜套筒(50)的轴心线上，聚焦透镜套筒(50)插入激光头(39)中；所述聚焦透镜套筒(50)的外圆周有三个均勻分布的凸台，凸台与激光头(39)内表面是间隙配合；所述聚焦透镜套筒(50)与激光头(39)之间留有的空隙传输辅助气体；在激光头(39) 外表面上每隔120°开设3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入的三个紧定螺钉A (51), B (52), C (53)与聚焦透镜套筒(50)接触；所述45°全反镜(41)置于激光头的底部，激光头出光出气孔(42)开设于激光头的底部，所述激光头出光出气孔(42)正对指向45°全反镜(41);激光束经激光头里的聚焦透镜(40)聚焦以后，再由激光头底部的45°全反镜(41)反射后从激光头出光出气孔(42)射出。
2.根据权利要求1所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，在所述激光器内部光路系统中，沿着光路方向从右到左设置了后反镜(54 )、声光调Q开光(55 )、激光器泵浦源(56)、二向色镜(57)、倍频晶体(58)、输出镜(59)、全反镜A (60)、全反镜B (61 )、望远镜(62);所述倍频晶体(58)把从激光器泵浦源(56)发射出来的1064nm的激光倍频成波长为532nm的激光；所述望远镜(62)把入射的激光束变成平行光，使激光束入射聚焦透镜 (40)的光斑直径变小；所述激光器外光路系统包括方向可调全反镜(63)和导光管(11)，所述方向可调全反镜(66)安装于激光器内部光路系统激光输出口的左端，在方向可调全反镜 (63)的下方固定导光管(11)，所述导光管(11)指向旋转轴(29)。
3.根据权利要求1所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，所述计算机数控系统置于右侧机壳(6)内，从上到下依次设置调Q开关驱动器(3)、激光器泵浦电源 (4)、上位工控机(5)、X轴伺服驱动器(7)、Y轴伺服驱动器(8)、Z轴伺服驱动器(9)和旋转轴伺服驱动器(10)；上位工控机(5)的ISA总线上插有激光控制卡和四轴三联动运动控制卡；所述四轴三联动运动控制卡与X轴伺服驱动器(7)、Y轴伺服驱动器(8)、Z轴伺服驱动器(9)和旋转轴伺服驱动器(10)进行信号联系，驱动X轴伺服电机(24)、Y轴伺服电机 (15)、Z轴伺服电机(17)和旋转轴伺服电机(44)的运转；所述激光调Q控制卡能接收高精度增量式旋转编码器(28)输出的、反映激光头(39)角位移变化量的脉冲信号，并将其分频处理后输出所需频率的激光控制信号给调Q开关驱动器(3)，所述调Q开光驱动器(3)控制声光调Q开关(55)，驱动激光器(2)输出相对应频率的激光脉冲。
4.根据权利要求1所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，所述辅助系统部分包括辅助气体和激光器水冷机；所述激光器水冷机置于右侧机壳(6)的后下方内部；所述辅 助气体为压缩氮气，置于右侧机壳(6)右侧方。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于， 所述旋转轴(29)和激光头(39)的连接方式为莫氏锥度连接；在旋转轴(29)下端和激光头 (39)内表面设置相互配合的锥度端面，装配时，将激光头(39)与旋转轴(29)配合，利用配合处相互之间的摩擦力将激光头(39)固定。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，所述旋转轴(29 )和激光头(39 )的连接方式为法兰连接；旋转轴(29 )与激光头(39 )分别做成法兰盘形状，在法兰盘上开设对称角度的法兰孔，在旋转轴(29)和激光头(39)的法兰结合部位嵌入一个0形密封圈(49)，保证连接部位的气密性。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，所述旋转轴上开设的通气孔的横截面直径选为5mm，方向一律延旋转轴切线方向并且与水平线呈30° 45°夹角，每层开设4个通气孔；开孔数目为开孔层数与每层开孔数目的乘积，相邻两层之间的距离为15mm。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于， 所述悬臂梁(45)是由六块硬质铝合金板构成的一个长方形腔体，悬臂梁(45)的高度为 6 7cm，宽度与长度的比为1:5 1:6。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的发动机气缸表面激光微加工装置，其特征在于，所述气腔套筒(47)的高度为悬臂梁(45)高度的2 3倍。
10.利用权利要求1所述的发动机气缸表面激光微加工装置的加工方法，其特征在于， 将工件固定于专用夹具(12)上，打开控制系统程序，将工作台调整到适当的位置，使激光束聚焦以后的焦点落在工件加工表面；在控制程序软件加工界面设置具体的加工参数，打开辅助气体开关，运行加工程序；激光头(39)开始旋转，激光器(2)输出一定频率的激光脉冲；当一个气缸孔加工完毕以后，整个系统处于静止状态，利用工作台的移动找到下一个气缸孔的加工位置，开始加工；当全部气缸孔加工完毕以后，退出程序，关闭控制系统。
11.根据权利要求10所述的发动机汽缸表面激光微造型加工方法，其特征在于，对加工的重复次数可进行计数，根据不同的形貌要求，可设定不同的加工重复次数；在一圆周上的重复加工次数完毕以后，激光头(39)需要做一个向下的进给量；在激光头(39)作进给运动过程中，激光头(39) —直在旋转，但此时激光控制卡不工作，没有激光脉冲输出；当激光头(39)到达下一个加工圆周后，激光器(2)才会分频输出激光脉冲。
12.根据权利要求10所述的发动机汽缸表面激光微造型加工方法，其特征在于，当加工完一个气缸孔后，需要通过调整工作台来找到下一个气缸孔的加工位置；在X、Y、Z轴工作台上分别安装有X轴直线光栅尺(14)、Y轴直线光栅尺(22)和Z轴直线光栅尺(20)；当工作台运动时，所述X轴直线光栅尺(14)、Y轴直线光栅尺(22)和Z轴直线光栅尺(20)输出反映工作台位置的信号脉冲给四轴三联动运动控制卡，实现系统的闭环控制，提高系统的运动控制精度；在此基础下，通过平移工作台的方法能很好地找到下一个气缸孔的加工位置。
全文摘要
本发明涉及激光表面微造型技术领域，特指一种用于发动机汽缸内表面的激光微加工装置及其加工方法。本装置加工的对象是发动机汽缸体，由于加工对象形状不规则，体积、质量较大，故采用工件固定、激光头既旋转又上下直线运动的加工方案。激光束从激光器内部光路输出，经过外光路系统后由激光头里的聚焦透镜聚焦后再由全反镜折返到工件加工表面。借助于数控系统对工作台各轴运动控制以及激光器单脉冲输出控制的协调联动，使激光器在规定的时间、规定的加工点输出单个激光脉冲，实现工件表面激光微加工。
文档编号B23K26/42GK102179630SQ20111008132
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者华希俊, 康正阳, 潘国平, 符昊, 符永宏 申请人:江苏大学