CN110385529A - 一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统及其精微修正方法 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统及其精微修正方法，包括飞秒激光系统、导光组件、三维振镜系统、照明系统、精密移动系统、CCD监测系统；飞秒激光系统包括飞秒激光器、飞秒激光烧蚀头、激光器控制操作平台；导光组件与三维振镜系统共同构成光路；飞秒激光系统发出的激光及照明系统发出的照明光均沿所述光路传递；精密移动系统包括精密三维移动轴与控制平台，设置于光路出口处，上方固定有螺旋锥齿轮；CCD监测系统设置于照明光反射光路上；本发明采用极短脉冲宽度和极高峰值功率的飞秒激光，使得加工区域热影响区小、加工极其精确，因而提出的飞秒激光加工系统与精微修正方法加工效率高、加工精度高、联动性好，适用于不同螺旋锥齿轮齿面的精微修正。

Description

一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统及其精微修正方法
技术领域
本发明涉及齿轮齿面的高精微修正领域，更具体地，涉及一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统及其精微修正方法。
背景技术
螺旋锥齿轮传动作为一种新型的齿轮传动机构，是实现空间相交或交错传动的关键件，具有重合度大、承载能力强、噪声小、传动平稳好等诸多优势，在交通运输、大型装备、航空航天、工程机械等领域，具有广阔的应用前景，但由于国内加工精度不高，在高、精、尖装备上的应用较少。传统的齿面质量控制存在齿面接触精度，齿面几何精度问题被忽略，难以实现高质量锥齿轮的加工。齿轮修正主要用来判断测量实际齿面与理论齿面之间的误差值是否符合设计要求。因螺旋锥齿轮传动形式较为复杂，齿面加工较为困难，对其齿面进行修正，能有效降低齿面粗糙度和提高齿轮的精度。
螺旋锥齿轮的传统机械加工，其半精和精加工方法一般采用插齿或滚齿或铣齿和磨齿，磨齿是曲螺旋锥齿轮的精密机械加工方法之一。由于共轭曲螺旋锥齿轮是一种变齿厚齿形，一般需采用范成法加工，磨齿机复杂、调整困难，磨削效率和精度较低，加工成本高，而目前国外数控精密磨齿机和螺旋锥齿轮先进制造技术对我国进行封锁。电火花加工存在加工效率比较低、加工精度受限制、加工表面有变质层甚至微裂纹等问题。针对这些长期存在的严重技术瓶颈，需要探索研究新的加工理论、方法和工艺。
飞秒激光加工采用超短脉冲和极高峰值功率，加工材料作用机理不同于传统机械加工和长脉冲激光加工，涉及在时间/空间上动态效应多尺度作用影响的科学问题。飞秒激光加工具有加工区域精确、可精密加工任何材料等突出特点，使得其快速发展和广泛应用。采用飞秒激光精微修正加工点接触共轭曲螺旋锥齿轮是一种新的先进精密制造方法，对于提高其加工质量和降低制造成本，具有的广泛工程应用前景。
飞秒激光加工作为一种先进制造技术,具有非接触式加工、加工柔性好、加工环境开放等独特优势,在机械制造领域的应用已逐步得到认可,成为智能化机械制造技术发展不可或缺的重要部分。飞秒激光修正螺旋锥齿轮存在齿面结构复杂、激光束聚焦困难以及三维加工金属不成熟的局限与缺陷，亟待开发一种有效的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统及其精微修正方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有齿轮修正技术的不足，提供一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统及其精微修正方法，具体技术方案如下：
一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，包括飞秒激光系统、导光组件、三维振镜系统(20)、照明系统(5)、精密移动系统、CCD监测系统(7)、三维测量与处理系统(18)；所述飞秒激光系统包括飞秒激光器(17)、飞秒激光烧蚀头(1)、激光器控制操作平台(16)；所述导光组件与三维振镜系统(20)共同构成光路；所述飞秒激光系统发出的激光及照明系统 (5)发出的照明光均沿所述光路传递；所述精密移动系统包括精密三维移动轴与控制平台 (14)，其设置于所述光路出口处，上方安装有螺旋锥齿轮(13)；所述CCD监测系统(7) 设置于照明光反射光路上；所述精密三维移动轴与控制平台一侧设有对准螺旋锥齿轮的侧吹气嘴(12)及与其连接的吹气系统(11)。
进一步地，所述导光组件包括激光扩束器(2),二向色镜(3)，分光镜(4)，聚焦透镜(6)；所述激光沿扩束器(2)、二向色镜(3)向三维振镜系统(20)传递；所述照明光的入射光沿分光镜(4)、二向色镜(3)向三维振镜系统(20)传递；所述照明光的反射光沿二向色镜(3)、分光棱镜(4)、聚焦透镜(6)传递至CCD监测系统(7)。
进一步地，所述三维振镜系统(20)包括X轴扫描振镜(9)、Y轴扫描振镜(10)、 Z轴移动振镜(8)、聚焦透镜(6)。
进一步地，所述激光器控制操作平台(16)与控制计算机(15)连接。
进一步地，所述吹气系统(11)与控制计算机(15)连接。
进一步地，所述精密三维移动轴与控制平台(14)和控制计算机(15)连接。
进一步地，所述激光传感器(19)与控制计算机(15)连接。
进一步地，所述侧吹气嘴(12)与螺旋锥齿轮表面光斑成45度角。
本方案提供一种螺旋锥齿轮精微修正方法，基于以上技术方案所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，具体步骤如下：
S1：对待加工螺旋锥齿轮通过三维测量与处理系统(18)进行三维测量与数据处理；
S2：规划激光扫描路径，生成相应数控命令传递至控制计算机和三维振镜系统(20)；
S3：设置飞秒激光器参数，调节吹气系统(11)的喷射频率，调整气柱压力，进行飞秒激光修正加工；
S4：激光修正加工过程中，调整照明系统(5)，通过CCD监测系统(7)进行实时监测，观测焦点对准和加工过程状况；
S5：修正加工完成后，通过三维测量与处理系统(18)测量齿面精度是否达到要求，并进行离线测量、优化与正交试验分析。
本发明通过采用飞秒激光修正代替传统修正手段，对留有一定加工余量螺旋锥齿轮，进行高精微烧蚀去除，通过三维振镜系统和CCD监测系统，解决了飞秒激光无法在螺旋锥齿轮齿面上动态精准对焦的技术难题，具有加工精度高的优点，并且适用于各种不同螺旋锥齿轮齿面的三维精微修正；同时所述飞秒激光加工系统的联动性好，加工过程环环相扣，紧密配合，加大提高了加工效率与加工的可靠性。
附图说明
图1为本发明所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，包括飞秒激光系统、导光组件、三维振镜系统20、照明系统5、精密移动系统、CCD监测系统7；其中飞秒激光系统包括飞秒激光器17、飞秒激光烧蚀头1、激光器控制操作平台16；导光组件与三维振镜系统 20共同构成光路；飞秒激光系统发出的激光及照明系统5发出的照明光均沿该光路传递；精密移动系统包括精密三维移动轴与控制平台14，其设置于光路出口处，精密三维移动轴与控制平台上固定有螺旋锥齿轮13；CCD监测系统7设置于照明光反射光路上。
具体而言，导光组件包括激光扩束器2,二向色镜3，分光镜4，聚焦透镜6；激光沿激光扩束器2、二向色镜3向三维振镜系统20传递；照明光的入射光沿分光镜4、二向色镜 3向三维振镜系统20传递；照明光的反射光沿二向色镜3、分光棱镜4、聚焦透镜6传递至 CCD监测系统7；三维振镜系统20包括聚焦透镜6，Z轴移动振镜8，X轴扫描振镜9，Y 轴扫描振镜10。激光束进入三维振镜系统20后，分别通过Z轴移动振镜8和聚焦镜头6，入射到X、Y两扫描振镜上，控制X、Y扫描振镜的反射角度，可使激光束在X、Y两个方向进行扫描合成，从而达到激光束偏转的目的，使飞秒激光器17所发出的具有一定能量密度的激光聚焦点垂直辐照在螺旋锥齿轮齿面上，按所指定的轨迹路线要求运动，并在齿面上进行精微烧蚀。
精密三维移动轴与控制平台14一侧设有对准螺旋锥齿轮的侧吹气嘴12及与其连接的吹气系统11，侧吹气嘴12与螺旋锥齿轮表面光斑成45度角，形成斜向脉冲喷射流；此外，如图1所示，激光器控制操作平台16、吹气系统11、精密三维移动轴与控制平台14、照明系统5、CCD监测系统7均与控制计算机15连接。
综上所述，本发明的工作原理如下：飞秒激光器17所发射的激光束通过飞秒激光烧蚀头1、导光组件与三维振镜系统20组成的光路，在螺旋锥齿轮13的齿面上完成聚焦，对齿面进行修正操作，同时三维振镜系统20安装于数控工作台上，可控制X、Y、Z轴振镜位移，从而改变激光束在螺旋锥齿轮13齿面的聚焦位置，对不同位置进行高精度修正，精密三维移动轴与控制平台14也可进行位置调整，便于对齿轮的不同齿面进行修正；同时照明系统5所发出的照明光，同样沿该光路入射，辐照于螺旋锥齿轮齿面，照明光的反射光沿光路照射在CCD监测系统7上，可将齿面修正状况予以反馈，从而实现对激光的对焦和加工情况的实时监控；侧吹气嘴12斜向对准飞秒激光束与螺旋锥齿轮13接触的光斑位置，形成斜向脉冲光束喷射流，吹气系统11和侧吹气嘴12喷出的气体为氩气，吹散修正过程中的等离子体，减少废屑熔凝物对齿面的覆盖。另外，系统中所设置的激光控制操作平台16可控制飞秒激光器17的工艺参数(脉冲宽度、功率密度、脉冲频率、离焦量等)，吹气系统11 可控制气流的喷射速率与频率；照明系统5可改变照明光参数，适配于不同要求的修正。
本发明的具体实施方式如下：
S1：对待加工螺旋锥齿轮进行三维测量与处理。在螺旋锥齿轮铣削完成后，对螺旋锥齿轮的齿面沿齿根锥的齿长和齿高方向进行网格划分，通过三维测量与处理系统18定位后对其进行测量，测量实际齿面网格节点坐标、法向矢量；该三维测量与处理系统18可以是桥式三坐标测量机或齿轮测量中心，可将螺旋锥齿轮齿面网格节点的理论坐标、法矢代入其预设的测量坐标系，得到实际齿面网格节点坐标与法矢，故在此之前根据齿面方程建立理论螺旋锥齿轮三维模型，得到螺旋锥齿轮理论的齿面网格节点坐标、法矢；在得到实际齿面网格节点坐标与法矢以及理论齿面网格节点坐标与法矢后，通过理论齿面和实际齿面的差曲面确定修正厚度H；并将有关数据通过控制计算机15进行转化处理，生成三维激光加工路径并转化为数控程序。
S2：规划激光扫描路径。通过精密三维移动轴与控制平台14精确移动螺旋锥齿轮13 至合适位置，再通过激光传感器19捕捉到S1中确定的三维坐标系原点(齿面节点)，调节三维振镜系统20，使得激光焦点位于齿面节点处，齿面的任一点的法矢方向，烧蚀完成修正厚度H，直至完成路径扫面，及时观测与修正焦点的对焦情况。数控程序传递给装载三维振镜系统20的数控工作台；数控工作台控制Z轴移动振镜8的高度，从而调节激光束的焦距，保持激光聚焦点正好落在齿面和实际齿面节点重合；数控工作台按数控命令控制X、Y 轴扫描振镜的角度，可使激光束沿上述规划的扫描路径移动，保持激光聚焦点正好落和实际齿面节点重合，并且法向入射，进行高精度修正。
S3：设置飞秒激光器参数，调节吹气系统11的喷射频率，调整气柱压力，进行飞秒激光修正加工。设置飞秒激光的输出平均功率、重复频率、能量密度、离焦量等，激光束按S2所述的规划路径修正齿的一个侧面，完成一个侧面后，精密三维移动轴与控制平台14移动、转位分度到相邻下一个齿的同一侧面，按同样的方法进行修正，直至所有齿的同一侧齿面修正完成；再定位到齿的另一侧面，直至修正完成齿轮的所有另一侧齿面。修正中吹气系统11和侧吹气嘴12喷出的气体为氩气，设置吹气系统11为脉冲式，控制并保证飞秒激光频率与侧吹气嘴12吹气频率一致。侧吹气嘴12与螺旋锥齿轮表面光斑成45度角，形成斜向脉冲喷射流，降低等离子体的膨胀与辐射区高度，减少熔凝物对齿面的覆盖，清除废屑，改善修正质量。
S4：激光修正加工过程中，调整照明系统5，通过CCD监测系统7进行实时观测,根据样品表面显示的图像来判断激光束是否聚焦于齿轮齿面，观测加工过程状况，将数据反馈控制计算机处理，控制计算机通过控制精密三维移动轴与控制平台14和三维振镜系统20实现螺旋锥齿轮实时精微修正。
S5：修正加工完成后，通过三维测量与处理系统18测量齿面精度是否达到要求，并进行离线测量、优化与正交试验分析，建立各仿真参数较优的水平组合。
综上所述，本发明能够解决传统铣削加工后螺旋锥齿轮齿面加工余量的精确去除，用飞秒激光替代传统刀具进行精微动态聚焦修正，对复杂的螺旋锥齿面进行高精微修正加工。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供的飞秒激光修正系统与精微修正方法应用于螺旋锥齿轮齿面的精微修正，飞秒激光修正系统的结构预计精微修正方法的步骤与实施例1 大致相同。
显然，上述实例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，包括飞秒激光系统、导光组件、三维振镜系统（20）、照明系统（5）、精密移动系统、CCD监测系统（7）、三维测量与处理系统（18）；所述飞秒激光系统包括飞秒激光器（17）、飞秒激光烧蚀头（1）、激光器控制操作平台（16）；所述导光组件与三维振镜系统（20）共同构成光路；所述飞秒激光系统发出的激光及照明系统（5）发出的照明光均沿所述光路传递；所述精密移动系统包括精密三维移动轴与控制平台（14），其设置于所述光路出口处，上方安装有螺旋锥齿轮（13）；所述CCD监测系统（7）设置于照明光反射光路上；所述精密三维移动轴与控制平台一侧设有对准螺旋锥齿轮的侧吹气嘴（12）及与其连接的吹气系统（11）。
2.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述导光组件包括激光扩束器（2），二向色镜（3），分光镜（4），聚焦透镜（6）；所述激光沿扩束器（2）、二向色镜（3）向三维振镜系统（20）传递；所述照明光的入射光沿分光镜（4）、二向色镜（3）向三维振镜系统（20）传递；所述照明光的反射光沿二向色镜（3）、分光棱镜（4）、聚焦透镜（6）传递至CCD监测系统（7）。
3.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述三维振镜系统（20）包括X轴扫描振镜（9）、Y轴扫描振镜（10）、Z轴移动振镜（8）、聚焦透镜（6）。
4.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述激光器控制操作平台（16）与控制计算机（15）连接。
5.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述CCD监测系统（7）与控制计算机（15）连接。
6.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述吹气系统（11）与控制计算机（15）连接。
7.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述精密三维移动轴与控制平台（14）与控制计算机（15）连接。
8.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述激光传感器(19)与控制计算机（15）连接。
9.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统，其特征在于，所述侧吹气嘴（12）与螺旋锥齿轮表面光斑成45度角；所述三维振镜安装于数控工作台上。
10.一种螺旋锥齿轮精微修正方法，基于权利要求1-9所述的飞秒激光加工系统，其具体步骤如下：
S1：对待加工的螺旋锥齿轮的齿面通过三维测量与处理系统（18）进行三维测量与处理；
S2：规划激光扫描路径，生成相应数控命令传递至控制计算机，由控制计算机将路径命令传递至三维振镜系统（20）；
S3：设置飞秒激光器参数，调节吹气系统（11）的喷射频率，调整气柱压力，进行飞秒激光修正加工；
S4：激光修正加工过程中，调整照明系统（5），通过CCD监测系统（7）进行实时监测，观测焦点对准和加工过程状况，实时调整修正过程；
S5：修正加工完成后，通过三维测量与处理系统（18）测量齿面精度是否达到要求，并进行离线测量、优化与正交试验分析。
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