CN111168243A - 一种激光抛光加工装备 - Google Patents

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梅雪松
张勇
刘斌
王恪典
李国基
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Abstract

本发明公开了一种激光抛光加工装备，该装备包括大理石底座、激光器、龙门柱、龙门横梁、肋板、光路面包板、光路设计部分、XY十字移动平台、Z轴滑台、B轴中空旋转平台、振镜、场镜、视觉检测部分、吸盘和超声振动装置等；可用于实现X轴、Y轴、Z轴三个方向上的移动和B轴方向上的转动；装备融合了四轴运动平台、光路设计、视觉检测和超声振动装置等部分，可满足一般激光加工、倾斜激光加工和超声辅助激光加工等多种工艺的需求，具有很好的应用价值。本发明采用大理石底座和龙门式结构的设计，布局合理、结构紧促、美观大方，而且稳定性好、振动小、可靠性高，能够实现较高的运动精度，满足多种激光加工工艺需求。

Description

一种激光抛光加工装备
技术领域
本发明属于激光精密加工制造技术领域，具体涉及一种激光抛光加工装备，用于实现对陶瓷基复合材料表面的精细平整加工。
背景技术
陶瓷基复合材料表面的精细平整加工，是充分实现陶瓷基复合材料功能化、实用化、工程化的不可或缺的重要环节，是实现航空发动机热端部件高质量精密装配的首要任务，是影响航空发动机的使用功能和性能的重要因素。陶瓷基复合材料的复杂结构和超高硬度，使得传统的机械加工方式已难以满足高精度抛光表面的需求。
激光抛光技术作为一种新型的表面加工技术，相比于传统加工方法，具有加工效率高、精度高、热影响区小和绿色无污染等特点；激光加工还具有很高的灵活性，可用来抛光难加工和具有复杂形貌的表面，在航空航天领域发挥着极其重要的作用。
激光加工装备能够体现一个国家的生产加工能力、装备水平和竞争能力，是实现激光加工技术广泛应用的重要手段。目前，国内的激光抛光装备还处于起步阶段，大多集中在激光除锈、清洗等功能上，自动化水平和精密程度较低；而且针对陶瓷等非金属材料的激光抛光装备，国内外还是一片空白。
发明内容
针对航空发动机陶瓷基复合材料表面的精细平整加工，面向激光加工制造领域，为弥补国内相关装备的空白，本发明提供了一种激光抛光加工装备，可利用扫描振镜的旋转进行倾斜激光加工，还能够满足一般激光加工、超声辅助激光加工等多种工艺的需求，进而实现陶瓷基复合材料表面的高效高质平整加工。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种激光抛光加工装备，包括大理石底座、激光器和机床床身；机床床身安装在大理石底座上方，包括水平模块和垂直模块两个部分，用于实现X轴、Y轴和Z轴三个方向上的移动和B轴方向上的转动；其中，
水平模块包括XY十字移动平台、第一拖链、第一连接板、第二连接板、超声振动装置和吸盘，XY十字移动平台通过第一连接板固定在大理石底座上，超声振动装置和吸盘通过第二连接板依次安装在X轴滑台上方，第一拖链固定在第一连接板上；
垂直模块用于激光抛光加工过程中Z轴方向上的移动和B轴方向上的转动，包括龙门横梁、2个龙门柱、2个肋板、光路面包板、光路传输部分、Z轴滑台、第二拖链、B轴中空旋转平台、视觉检测部分、扫描振镜、场镜和多个连接板；2个龙门柱固定在大理石底座上，龙门横梁固定在2个龙门柱上，龙门横梁上方依次安装有通过2个肋板固定的光路面包板和第三连接板；第三连接板上安装有Z轴滑台和第二拖链，B轴中空旋转平台通过第四连接板固定在Z轴滑台上；第五连接板安装在B轴中空旋转平台上，并与第六连接板连接；第六连接板上安装有扫描振镜及场镜和视觉检测部分；光路传输系统用于将从激光器发出的激光传输到扫描振镜进光处，扫描振镜及场镜用于激光抛光加工。
本发明进一步的改进在于，XY十字移动平台包括X轴滑台和Y轴滑台；Y轴滑台通过第一连接板固定在大理石底座上，X轴滑台安装在Y轴滑台上方，超声振动装置和吸盘通过第二连接板安装在X轴滑台上方。
本发明进一步的改进在于，Y轴滑台包括Y轴底座、Y轴导轨、2个Y轴光电开关、Y轴感应片、Y轴丝杠、Y轴联轴器、Y轴伺服电机和Y轴滑块；X轴滑台包括X轴底座、X轴导轨、2个X轴光电开关、X轴感应片、X轴丝杠、X轴联轴器、X轴伺服电机和X轴滑块；Y轴底座安装在第一连接板上，X轴底座安装在Y轴滑块上；
其中，Y轴底座上设置有丝杠安装面和电机安装支座，2个Y轴光电开关和Y轴导轨安装在Y轴底座上，Y轴丝杠、Y轴联轴器和Y轴伺服电机依次连接在一起，通过丝杠安装面和电机安装支座安装在Y轴底座上，Y轴感应片安装在Y轴滑块上；X轴底座和Y轴底座结构完全相同，2个X轴光电开关和X轴导轨安装在X轴底座上，X轴丝杠、X轴联轴器和X轴伺服电机依次连接在一起并安装在X轴底座上，X轴感应片安装在X轴滑块上；Y轴滑台安装在第一连接板上，X轴滑台安装在Y轴滑台上方，X轴滑台上方还安装有超声振动装置。
本发明进一步的改进在于，B轴中空旋转平台采用中空的结构，便于激光从B轴中空旋转平台中间通过，包括B轴底座、B轴转盘、B轴光电开关、B轴感应片和安装在侧边的B轴减速部件及B轴伺服电机，B轴底座固定在第四连接板上；
其中，B轴伺服电机通过B轴减速部件连接在B轴底座的侧边上，B轴转盘和B轴光电开关安装在B轴底座上，B轴感应片安装在B轴转盘上；B轴底座固定在第四连接板上，B轴转盘上安装有第五连接板，通过第六连接板与扫描振镜相连，能够实现扫描振镜的360度旋转。
本发明进一步的改进在于，光路传输部分包括光路设计模块、第一反射镜、第七连接板、第二反射镜、第八连接板、第三反射镜、第九连接板和第四反射镜；
光路设计模块搭建在光路面包板上面，第七连接板固定在龙门横梁上，第一反射镜和第二反射镜安装在第七连接板上；第三反射镜和第四反射镜分别通过第八连接板和第九连接板安装在第四连接板上；
其中，从激光器发出的激光经过光路设计模块传输到第一反射镜上，反射后到达第二反射镜，再反射后到达第三反射镜，再反射后到达第四反射镜，再反射后通过B轴中空旋转平台的中间通道进入扫描振镜的入光孔处，而后利用扫描振镜和场镜进行激光加工。
本发明进一步的改进在于，视觉检测部分包括CCD相机、镜头、光圈、第十连接板和第十一连接板，第十连接板安装在第六连接板上，CCD相机和镜头安装在第十连接板上，光圈通过第十一连接板固定在第十连接板上；视觉检测部分用于激光抛光加工过程中对加工样片的定位、检测和观测。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、装备整体融合了四轴运动平台、光路设计、视觉检测和超声振动装置等部分，能够满足一般激光加工、倾斜激光加工和超声辅助激光加工等多种工艺的需求，具有很好的应用价值。
2、装备采用大理石底座和龙门式结构的设计，使整个实验平台稳定性好、振动小，而且安全可靠，能够实现较高的运动精度，保证了陶瓷基复合材料表面的精细平整加工。
3、装备上的光路传输系统设计巧妙、分布合理，通过四个反射镜将激光传输到扫描振镜，能够确保Z轴滑台或B轴中空旋转平台在运动时光路传输不会发生变化，保证了光路的稳定性、可靠性。
4、装备布局合理、结构紧促、外观美观大方。
附图说明
图1为本发明激光抛光加工装置整体结构示意图。
图2为图1中的水平模块结构示意图。
图3为图1中的垂直模块结构示意图。
图4为图2中的XY十字移动平台结构示意图。
图5为图3中的B轴中空旋转平台结构示意图。
图6为图3中的光路传输部分结构示意图。
图7为图3中的视觉检测部分结构示意图。
图8为本发明的激光抛光加工过程示意图。
附图标记说明：
1-大理石底座，2-龙门柱，3-龙门横梁，4-激光器，5-肋板，6-光路面包板，7-光路设计部分，8-垂直模块，9-Z轴滑台，10-B轴中空旋转平台，11-扫描振镜，12-场镜，13-视觉检测部分，14-吸盘，15-超声振动装置，16-水平模块，17-机床床身，18-第一连接板，19-第二连接板，20-X轴滑台，21-Y轴滑台，22-第一拖链，23-第三连接板，24-第二拖链，25-第四连接板，26-第五连接板，27-第六连接板，28-Y轴底座，29-Y轴导轨，30-Y轴光电开关，31-Y轴感应片，32-Y轴丝杠，33-Y轴联轴器，34-Y轴伺服电机，35-Y轴滑块，36-X轴底座，37-X轴导轨，38-X轴光电开关，39-X轴感应片，40-X轴丝杠，41-X轴联轴器，42-Y轴伺服电机，43-X轴滑块，44-B轴底座，45-B轴转盘，46-B轴光电开关，47-B轴感应片，48-B轴减速部件，49-B轴伺服电机，50-光路设计模块，51-第一反射镜，52-第七连接板，53-第二反射镜，54-第八连接板，55-第三反射镜，56-第九连接板，57-第四反射镜，58-光路，59-第十连接板，60-CCD相机，61-镜头，62-第十一连接板，63-光圈，64-XY十字移动平台，65-激光，66-加工样片，67-振镜的扫描路径，68-X轴方向移动速度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步说明。
如图1所示，本发明提供的一种激光抛光加工装备，包括大理石底座1、激光器4和机床床身17；机床床身17安装在大理石底座1上方，可分为水平模块16和垂直模块8两个部分，由龙门柱2、龙门横梁3、肋板5、光路面包板6、光路设计部分7、Z轴滑台9、B轴中空旋转平台10、振镜11、场镜12、视觉检测部分13、XY十字移动平台64、吸盘14和超声振动装置15等组成。
如图2所示，水平模块16包含Y轴滑台21、X轴滑台20、第一拖链22、第一连接板18、第二连接板19、超声振动装置15和吸盘14，Y轴滑台21通过第一连接板18固定在大理石底座1上，X轴滑台20安装在Y轴滑台21上面，超声振动装置15和吸盘14通过第二连接板安装在X轴滑台上方，第一拖链22固定在第一连接板18上方；水平模块16用于实现X轴和Y轴上的移动。
如图3所示，垂直模块8包含龙门横梁3、2个龙门柱2、2个肋板5、光路面包板6、光路传输部分7、Z轴滑台9、第三连接板23、第二拖链24、B轴中空旋转平台10、视觉检测部分13、扫描振镜11、场镜12、第四连接板25、第五连接板26和第六连接板27；垂直模块8通过2个龙门柱2固定在大理石底座1上，龙门横梁3固定在2个龙门柱2上，龙门横梁3上方安装有通过2个肋板5固定的光路面包板6和第三连接板23；第三连接板23上安装有Z轴滑台9和第二拖链24，B轴中空旋转平台10通过第四连接板25固定在Z轴滑台9上；第五连接板26安装在B轴中空旋转平台10上，并与第六连接板26螺栓连接；第六连接板27上还安装有扫描振镜11及场镜12和视觉检测部分13；扫描振镜11及场镜12用于激光抛光；垂直模块8用于激光抛光加工、Z轴方向上的移动和B轴方向上的转动。
如图4所示，XY十字移动平台64由X轴滑台20和Y轴滑台21组成，二者的结构完全相同；Y轴滑台21包括Y轴底座28、Y轴导轨29、2个Y轴光电开关30、Y轴感应片31、Y轴丝杠32、Y轴联轴器33、Y轴伺服电机34和Y轴滑块35；X轴滑台20包括X轴底座36、X轴导轨37、2个X轴光电开关38、X轴感应片39、X轴丝杠40、X轴联轴器41、X轴伺服电机42和X轴滑块43；Y轴底座28安装在第一连接板18上，X轴底座36安装在Y轴滑块35上；Y轴底座28上设置有丝杠安装面和电机安装支座，2个Y轴光电开关30和Y轴导轨29安装在Y轴底座28上，Y轴丝杠32、Y轴联轴器33和Y轴伺服电机34依次连接在一起，通过丝杠安装面和电机安装支座安装在Y轴底座28上，Y轴感应片31安装在Y轴滑块35上；X轴底座36和Y轴底座28结构完全相同，2个X轴光电开关38和X轴导轨37安装在X轴底座36上，X轴丝杠40、X轴联轴器41和X轴伺服电机42依次连接在一起并安装在X轴底座36上，X轴感应片39安装在X轴滑块43上；Y轴滑台21安装在第一连接板18上，X轴滑台20安装在Y轴滑台21上方，X轴滑台20上方还安装有超声振动装置15；Z轴滑台9和X轴滑台20的组成结构相似。
如图5所示，B轴中空旋转平台10采用中空的结构，便于激光从旋转平台中间通过，包括B轴底座44、B轴转盘45、B轴光电开关46、B轴感应片47、B轴减速部件48和B轴伺服电机49；B轴伺服电机49通过B轴减速部件48连接在B轴底座44的侧边上，B轴转盘45和B轴光电开关46安装在B轴底座44上，B轴感应片47安装在B轴转盘上；B轴底座44固定在第四连接板25上，B轴转盘上安装有第五连接板26，通过第六连接板27与扫描振镜11相连，可以实现扫描振镜11的360度旋转。
如图6所示，光路传输部分7包含光路设计模块50、第一反射镜51、第七连接板52、第二反射镜53、第八连接板54、第三反射镜55、第九连接板56和第四反射镜57，通过光路传输部分7可以将从激光器4发出的激光传输到扫描振镜11的进光口处；光路设计模块50搭建在光路面包板6上方，第七连接板522固定在龙门横梁3上，第一反射镜51和第二反射镜53安装在第七连接板52上；第三反射镜55和第四反射镜57分别通过第八连接板54和第九连接板56安装在第四连接板25上。从激光器4发出的激光经过光路设计模块50传输到第一反射镜51上，反射后到达第二反射镜53，再反射后到达第三反射镜55，再反射后到达第四反射镜57，再反射后通过B轴中空旋转平台10的中间通道进入扫描振镜11的入光孔处，而后利用扫描振镜11和场镜12进行激光加工。
如图7所示，视觉检测部分13由CCD相机60、镜头61、光圈63、第十连接板59和第十一连接板62组成，第十连接板59安装在第六连接板27上，CCD相机60和镜头61安装在第十连接板59上，光圈63通过第十一连接板62固定在第十连接板59上。
如图8所示，本发明的工作过程说明如下：
(1)样品固定：将加工样片66放置在吸盘14上，打开激光器4。
(2)确定激光抛光加工焦点：利用X轴滑台20和Y轴滑台21的水平移动，将加工样片66移动到扫描振镜11的加工范围内，调整好后通过Z轴滑台9的上下移动，寻找合理的激光加工焦点，测量扫描振镜11的旋转中心距离工件66表面的垂直距离，记为S；
(3)位姿调整和辅助装置设置：设置激光倾斜角度为θ(0°～80°)，利用B轴中空旋转平台10的旋转可将激光65倾斜θ角，而后计算可得到加工样片66各个方向的运动距离，通过X轴、Y轴和Z轴三个方向的移动可将加工样片66移动到预加工位置处；而后按照加工需求确定是否需要超声振动进行辅助加工，若需要超声振动辅助激光加工，则打开超声振动装置15；
位姿调整中各轴的行程计算如下：
Figure BDA0002354214800000081
(4)加工参数设置：通过计算机绘制扫描振镜的扫描路径67，扫描路径67为一条平行于Y轴的直线，根据工件加工面积确定其重复次数，扫描速度应与重复频率对应，扫描速度的设定范围为100mm/s—500mm/s，跳转速度与扫描速度保持一致；为了保证激光抛光时X轴方向和Y轴方向上具有相同的重叠率，需根据重叠率的大小设定X轴方向上的移动速度68；
(5)激光抛光加工：在扫描振镜11和X轴滑台的联动下，按步骤4中的加工参数进行激光抛光加工。

Claims (6)

1.一种激光抛光加工装备，其特征在于，包括大理石底座(1)、激光器(4)和机床床身(17)；机床床身(17)安装在大理石底座(1)上方，包括水平模块(16)和垂直模块(8)两个部分，用于实现X轴、Y轴和Z轴三个方向上的移动和B轴方向上的转动；其中，
水平模块(16)包括XY十字移动平台(64)、第一拖链(22)、第一连接板(18)、第二连接板(19)、超声振动装置(15)和吸盘(14)，XY十字移动平台(64)通过第一连接板(18)固定在大理石底座(1)上，超声振动装置(15)和吸盘(14)通过第二连接板(19)依次安装在X轴滑台(20)上方，第一拖链(22)固定在第一连接板(18)上；
垂直模块(8)用于激光抛光加工过程中Z轴方向上的移动和B轴方向上的转动，包括龙门横梁(3)、2个龙门柱(2)、2个肋板(5)、光路面包板(6)、光路传输部分、Z轴滑台(9)、第二拖链(24)、B轴中空旋转平台(10)、视觉检测部分(13)、扫描振镜(11)、场镜(12)和多个连接板；2个龙门柱(2)固定在大理石底座(1)上，龙门横梁(3)固定在2个龙门柱(2)上，龙门横梁(3)上方依次安装有通过2个肋板(5)固定的光路面包板(6)和第三连接板(23)；第三连接板(23)上安装有Z轴滑台(9)和第二拖链(24)，B轴中空旋转平台(10)通过第四连接板(25)固定在Z轴滑台(9)上；第五连接板(26)安装在B轴中空旋转平台(10)上，并与第六连接板(27)连接；第六连接板(27)上安装有扫描振镜(11)及场镜(12)和视觉检测部分(13)；光路传输系统用于将从激光器(4)发出的激光传输到扫描振镜(11)进光处，扫描振镜(11)及场镜(12)用于激光抛光加工。
2.根据权利要求1所述的一种激光抛光加工装备，其特征在于，XY十字移动平台(64)包括X轴滑台(20)和Y轴滑台(21)；Y轴滑台(21)通过第一连接板(18)固定在大理石底座(1)上，X轴滑台(20)安装在Y轴滑台(21)上方，超声振动装置(15)和吸盘(14)通过第二连接板(19)安装在X轴滑台(20)上方。
3.根据权利要求2所述的一种激光抛光加工装备，其特征在于，Y轴滑台(21)包括Y轴底座(28)、Y轴导轨(29)、2个Y轴光电开关(30)、Y轴感应片(31)、Y轴丝杠(32)、Y轴联轴器(33)、Y轴伺服电机(34)和Y轴滑块(35)；X轴滑台(20)包括X轴底座(36)、X轴导轨(37)、2个X轴光电开关(38)、X轴感应片(39)、X轴丝杠(40)、X轴联轴器(41)、X轴伺服电机(42)和X轴滑块(43)；Y轴底座(28)安装在第一连接板(18)上，X轴底座(36)安装在Y轴滑块(35)上；
其中，Y轴底座(28)上设置有丝杠安装面和电机安装支座，2个Y轴光电开关(30)和Y轴导轨(29)安装在Y轴底座(28)上，Y轴丝杠(32)、Y轴联轴器(33)和Y轴伺服电机(34)依次连接在一起，通过丝杠安装面和电机安装支座安装在Y轴底座(28)上，Y轴感应片(31)安装在Y轴滑块(35)上；X轴底座(36)和Y轴底座(28)结构完全相同，2个X轴光电开关(38)和X轴导轨(37)安装在X轴底座(36)上，X轴丝杠(40)、X轴联轴器(41)和X轴伺服电机(42)依次连接在一起并安装在X轴底座(36)上，X轴感应片(39)安装在X轴滑块(43)上；Y轴滑台(21)安装在第一连接板(18)上，X轴滑台(20)安装在Y轴滑台(21)上方，X轴滑台(20)上方还安装有超声振动装置(15)。
4.根据权利要求1所述的一种激光抛光加工装备，其特征在于，B轴中空旋转平台(10)采用中空的结构，便于激光从B轴中空旋转平台(10)中间通过，包括B轴底座(44)、B轴转盘(45)、B轴光电开关(46)、B轴感应片(47)和安装在侧边的B轴减速部件(48)及B轴伺服电机(49)，B轴底座(44)固定在第四连接板(25)上；
其中，B轴伺服电机(49)通过B轴减速部件(48)连接在B轴底座(44)的侧边上，B轴转盘(45)和B轴光电开关(46)安装在B轴底座(44)上，B轴感应片(47)安装在B轴转盘上；B轴底座(44)固定在第四连接板(25)上，B轴转盘上安装有第五连接板(26)，通过第六连接板(27)与扫描振镜(11)相连，能够实现扫描振镜(11)的360度旋转。
5.根据权利要求1所述的一种激光抛光加工装备，其特征在于，光路传输部分(7)包括光路设计模块(50)、第一反射镜(51)、第七连接板(52)、第二反射镜(53)、第八连接板(54)、第三反射镜(55)、第九连接板(56)和第四反射镜(57)；
光路设计模块(50)搭建在光路面包板(6)上面，第七连接板(52)固定在龙门横梁(3)上，第一反射镜(51)和第二反射镜(53)安装在第七连接板(52)上；第三反射镜(55)和第四反射镜(57)分别通过第八连接板(54)和第九连接板(56)安装在第四连接板(25)上；
其中，从激光器(4)发出的激光经过光路设计模块(50)传输到第一反射镜(51)上，反射后到达第二反射镜(53)，再反射后到达第三反射镜(55)，再反射后到达第四反射镜(57)，再反射后通过B轴中空旋转平台(10)的中间通道进入扫描振镜(11)的入光孔处，而后利用扫描振镜(11)和场镜(12)进行激光加工。
6.根据权利要求5所述的一种激光抛光加工装备，其特征在于，视觉检测部分(13)包括CCD相机(60)、镜头(61)、光圈(63)、第十连接板(59)和第十一连接板(62)，第十连接板(59)安装在第六连接板(27)上，CCD相机(60)和镜头(61)安装在第十连接板(59)上，光圈(61)通过第十一连接板(62)固定在第十连接板(59)上；视觉检测部分(13)用于激光抛光加工过程中对加工样片(66)的定位、检测和观测。
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