CN113500298A - 一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置及方法，属于激光加工技术领域，包括：固定座；直线模组和安装在直线模组上的激光器；直线模组带动激光器沿Z轴方向上下移动；五轴联动机械运动平台，设置在固定座上，五轴联动机械运动平台上安装有夹具；五轴联动机械运动平台带动待加工的曲面零件五轴联动，以实现加工曲面零件的位姿调控；多轴运动控制器，设置在固定座上，并与五轴联动机械运动平台电连接；计算机，与多轴运动控制器、直线模组、激光器电连接。本发明通过五轴联动可实现对激光加工位置和曲面工件姿态的精确控制，保证加工过程中激光焦点始终位于工件表面，保证激光束始终垂直于工件，可以有效保证加工质量。

Description

一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置及方法。

背景技术

微织构主要是指能具有一定几何尺寸和排列方式的微小结构阵列，如凹坑、沟槽等，其尺寸保持在微纳米尺度，一般不超过250μm。表面微织构具有许多优异的功能，如超疏水、陷光、减阻减摩，防伪，降噪等，被广泛应用于物理、光学、生物等多个领域。特别是对于曲面微结构，有很多需求，如光机电产品导光系统中的曲面微透镜阵列可以提高光能利用率，飞机机身的微结构表面可以减小飞行阻力、减少冰霜附着、提高隐身性能，发动机叶轮叶片上布置微织构减小流体阻力以及具有自清洁效应的微结构曲面等等。在多种微结构制备方法中，激光加工由于其具有的高效率、高精度、低材料选择性等性质成为微结构加工的一项重要手段。激光烧蚀加工是使用高能激光脉冲束来实现微米级表面纹理，经聚焦后作用于工件表面，材料吸收后，表面温度会迅速上升。当温度上升到接近于材料的蒸发温度时，被激光照射的表面部分开始气化去除，达到烧蚀加工的目的。

在以往的研究中，激光主要在平面上加工表面功能化结构，对曲面甚至复杂曲面为载体的表面功能化结构进行激光加工时存在着一些问题。这是由于工件进行激光加工时，激光束经过聚焦作用于工件表面，焦距恒定，而且为了保证加工质量，加工时应尽量保证激光束垂直入射到工件表面。但在现实生产和生活中，大量构件以曲面形式存在，若激光直接加工曲面物体，会造成标刻深度，宽度不一，严重影响了烧蚀质量，没有发挥激光加工的优势。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：

一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，包括:

固定座，用于固定支撑；

直线模组和安装在所述直线模组上的激光器，所述直线模组固定连接在所述固定座上；所述直线模组带动所述激光器沿Z轴方向上下移动；

五轴联动机械运动平台，设置在所述固定座上，所述五轴联动机械运动平台上安装有夹具，所述夹具用于固定待加工的曲面零件；所述五轴联动机械运动平台带动所述待加工的曲面零件五轴联动，以实现加工曲面零件的位姿调控；

多轴运动控制器，设置在所述固定座上，并与所述五轴联动机械运动平台电连接，所述多轴运动控制器用于控制所述五轴联动机械运动平台的多轴联动运动；

计算机，与所述多轴运动控制器、所述直线模组、所述激光器电连接，用于所述多轴运动控制器、所述直线模组以及所述激光器的加工参数设置。

进一步地，所述五轴联动机械运动平台包括直线移动平台和旋转台，所述直线移动平台包括XY轴移动平台和Z轴移动平台，所述旋转台包括A轴旋转台和C轴旋转台；所述XY轴移动平台安装在所述固定座上，能够相对所述固定座沿X轴和/或Y轴方向移动；所述Z轴移动平台安装在在所述XY轴移动平台上，能够相对所述XY轴移动平台沿Z轴方向移动；所述A轴旋转台转动安装在所述Z轴移动平台上，所述C轴旋转台转动安装在所述A轴旋转台上。

进一步地，所述直线模组包括垂直安装在所述固定座上的滑台，所述滑台包括滑台基座和滑块，所述滑台基座和滑块中的一个设置有滑道，所述滑台基座和滑块中的另一个设置滑槽，所述滑道与所述滑槽滑动配合；所述滑台基座上设置有驱动装置；所述驱动装置与所述滑块配合，驱动所述滑块相对所述滑台基座沿Z轴方向上下移动；所述激光器安装所述滑块上。

进一步地，所述驱动装置包括驱动电机和驱动丝杠，所述驱动电机固定连接在所述滑台基座上，所述驱动电机的驱动端与所述驱动丝杠通过联轴器固定连接；所述滑块内具有内螺纹，所述驱动丝杠与所述滑块的内螺纹配合。

进一步地，所述激光器的激光头轴线与安装在所述五轴联动机械运动平台上的夹具中心轴线重合。

一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工方法，使用上述任一项所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，该方法包括以下步骤：

S10：利用计算机完成多轴运动控制器以及激光器所需加工参数的设置；

S20：调焦，调整直线模组中滑台的初始位置，带动所述激光器沿Z轴上下移动；打开所述激光器射出激光，使激光光束聚焦的光斑定位至曲面工件表面；

S30：利用CAM软件生成NC代码；

S40：将步骤S30中生成的所述NC代码中有关控制五轴联动机械运动平台的运动部分截取，保存到计算机中，形成用于多轴运动控制器控制五轴联动机械运动平台运动的命令；

S50：开启所述激光器让激光射出，然后使用步骤S40中形成的所述多轴运动控制器控制所述五轴联动机械运动平台运动的命令来控制所述五轴联动机械运动平台运动，以实现曲面工件上所要求的加工轨迹的激光烧蚀；

S60：关闭激光器，控制五轴运动平台回到初始位置。

进一步地，步骤S30中利用CAM软件生成NC代码的方法为：

将待加工的二维图形等弧长投影到所述曲面工件的相应位置，在CAM软件中构建与所述五轴联动机械运动平台结构相同的机床，将所述激光光束看作铣刀，并设定所述铣刀时刻垂直于所述曲面工件进行加工，使用CAM软件中的CAM加工仿真功能仿真所述曲面工件上的加工轨迹，输出五轴联动的NC代码。

有益效果：

1、精度高，加工质量好；本发明将待加工的曲面零件通过夹具固定在精密五轴联动机械运动平台上，通过五轴联动可实现对激光加工位置和曲面工件姿态的精确控制，保证加工过程中激光焦点始终位于工件表面，保证激光束始终垂直于工件，可以有效保证加工质量。

2、灵活程度高，可控性好；本发明利用等弧长投影技术将待加工图形映射到曲面构件上，来实现加工路径的等间距控制，能够保证激光能流密度和激光照射角度等参数的高度一致性，适用于任意形状、任意曲率工件，只需选用合适夹具将工件夹持在五轴联动机械运动平台上，可以根据实际需要更改加工纹理图案，灵活度高。

3、结构简单，成本低，效率高；本发明装置结构简单，易拆卸，操作简单方便，一次性完成整个工件表面的激光烧蚀加工，效率高，避免了分片加工和断续加工导致的加工表面不连续的问题。

附图说明

图1为本发明的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置结构示意图；

图2是五轴联动机械运动平台的立体结构示意图；

其中，1、计算机；2、多轴运动控制器；3、固定座；4、五轴联动机械运动平台；401、XY轴移动平台；402、C轴旋转台；403、A轴旋转台；404、Z轴移动平台；5、夹具；6、不锈钢球；7、激光器；8、直线模组。

具体实施方式

实施例1

本实施例以在不锈钢球上进行曲面微织构激光烧蚀加工为例。

本实施例提供的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，包括：固定座3、直线模组8和安装在直线模组上的激光器7、五轴联动机械运动平台4、多轴运动控制器2和计算机1。

固定座3，用于固定支撑；

直线模组8和安装在直线模组8上的激光器7，直线模组8固定连接在固定座3上；直线模组8带动激光器7沿Z轴方向上下移动；

五轴联动机械运动平台4，设置在固定座3上，五轴联动机械运动平台4上安装有夹具5，夹具5用于固定待加工的曲面零件；五轴联动机械运动平台4带动待加工的曲面零件五轴联动，以实现加工曲面零件的位姿调控。

在本实施例中，待加工的曲面零件为不锈钢球6。

多轴运动控制器2，设置在固定座3上，并与五轴联动机械运动平台4电连接，多轴运动控制器2用于控制五轴联动机械运动平台4的多轴联动运动。

计算机1，与多轴运动控制器2、直线模组8、激光器7电连接，用于多轴运动控制器2、直线模组8以及激光器7的加工参数设置。

在本实施例中，直线模组8安装在固定座3上，其中，直线模组8底部设置有螺栓孔，并通过紧固螺栓固定在固定座3上。

五轴联动机械运动平台4包括直线移动平台和旋转台，直线移动平台包括XY轴移动平台401和Z轴移动平台404，旋转台包括A轴旋转台403和C轴旋转台402；XY轴移动平台401安装在固定座3上，能够相对固定座3沿X轴和/或Y轴方向移动，可以保证加工过程中的稳定性；Z轴移动平台404安装在在XY轴移动平台401上，能够相对XY轴移动平台401沿Z轴方向移动；A轴旋转台403转动安装在Z轴移动平台404上，C轴旋转台402转动安装在A轴旋转台403上。

本实施例中的五轴联动机械运动平台4中的五轴可以联动，能够实现运动轨迹的精密规划。

在本实施例中，C轴旋转台402可绕C轴进行无限制旋转，X轴、Y轴、Z轴、A轴都有限位装置。

在本实施例中，直线模组8包括垂直安装在固定座3上的滑台，滑台包括滑台基座和滑块，滑台基座和滑块中的一个设置有滑道，滑台基座和滑块中的另一个设置滑槽，滑道与滑槽滑动配合；滑台基座上设置有驱动装置；驱动装置与滑块配合，驱动滑块相对滑台基座沿Z轴方向上下移动；激光器安装滑块上。

其中，驱动装置包括驱动电机和驱动丝杠，驱动电机固定连接在滑台基座上，驱动电机的驱动端与驱动丝杠通过联轴器固定连接；滑块内具有内螺纹，驱动丝杠与滑块的内螺纹配合。

在本实施例中，激光器7的激光头轴线与安装在五轴联动机械运动平台4上的夹具5中心轴线重合。

其中，多轴运动控制器2与计算机1放置在固定座3上；多轴运动控制器2和五轴联动机械运动平台4与计算机1相连；激光器7与计算机1相连，可由计算机1控制开启、关闭以及设置调整激光的功率、频率等参数。

实施例2

本实施例为实施例1提供的一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置的加工方法，具体步骤如下：

S10、利用计算机1完成多轴运动控制器2以及激光器7所需加工参数的设置，包括激光功率、激光频率、五轴联动机械运动平台各轴运动速度等参数。

S20、调焦；调整直线模组8中的滑台的初始位置，带动激光器7沿Z轴方向上下移动；打开激光器7射出激光，使激光光束聚焦的光斑定位至不锈球6的表面。

S30、利用CAM软件生成NC代码。

其中，利用CAM软件生成NC代码的方法为：将待加工的二维图形等弧长投影到不锈钢球6的相应位置，在CAM软件中构建与五轴联动机械运动平台4结构相同的机床，将激光束看作直径极小的铣刀，建立铣刀模型，设定加工过程中铣刀时刻垂直于工件，使用软件中的CAM加工仿真功能仿真不锈钢球6上投影的加工轨迹，输出生成的五轴联动的NC代码。

S40、将步骤S30中生成的NC代码中有关控制五轴联动机械运动平台4的运动部分截取，保存到计算机1中，形成用于多轴运动控制器2控制五轴联动机械运动平台4的命令。

S50、开启激光器7让激光射出，然后使用步骤S40中形成的多轴运动控制器2控制五轴联动机械运动平台4运动的命令来控制五轴联动机械运动平台4运动，以实现不锈钢球6上所要求的加工轨迹的激光烧蚀.

S60、关闭激光器7，控制五轴联动机械运动平台4回到初始位置。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，其特征在于，包括:

固定座，用于固定支撑；

直线模组和安装在所述直线模组上的激光器，所述直线模组固定连接在所述固定座上；所述直线模组带动所述激光器沿Z轴方向上下移动；

五轴联动机械运动平台，设置在所述固定座上，所述五轴联动机械运动平台上安装有夹具，所述夹具用于固定待加工的曲面零件；所述五轴联动机械运动平台带动所述待加工的曲面零件五轴联动，以实现加工曲面零件的位姿调控；

多轴运动控制器，设置在所述固定座上，并与所述五轴联动机械运动平台电连接，所述多轴运动控制器用于控制所述五轴联动机械运动平台的多轴联动运动；

计算机，与所述多轴运动控制器、所述直线模组、所述激光器电连接，用于所述多轴运动控制器、所述直线模组以及所述激光器的加工参数设置。

2.根据权利要求1所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，其特征在于，所述五轴联动机械运动平台包括直线移动平台和旋转台，所述直线移动平台包括XY轴移动平台和Z轴移动平台，所述旋转台包括A轴旋转台和C轴旋转台；所述XY轴移动平台安装在所述固定座上，能够相对所述固定座沿X轴和/或Y轴方向移动；所述Z轴移动平台安装在在所述XY轴移动平台上，能够相对所述XY轴移动平台沿Z轴方向移动；所述A轴旋转台转动安装在所述Z轴移动平台上，所述C轴旋转台转动安装在所述A轴旋转台上。

3.根据权利要求1所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，其特征在于，所述直线模组包括垂直安装在所述固定座上的滑台，所述滑台包括滑台基座和滑块，所述滑台基座和滑块中的一个设置有滑道，所述滑台基座和滑块中的另一个设置滑槽，所述滑道与所述滑槽滑动配合；所述滑台基座上设置有驱动装置；所述驱动装置与所述滑块配合，驱动所述滑块相对所述滑台基座沿Z轴方向上下移动；所述激光器安装所述滑块上。

4.根据权利要求3所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，其特征在于，所述驱动装置包括驱动电机和驱动丝杠，所述驱动电机固定连接在所述滑台基座上，所述驱动电机的驱动端与所述驱动丝杠通过联轴器固定连接；所述滑块内具有内螺纹，所述驱动丝杠与所述滑块的内螺纹配合。

5.根据权利要求1所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，其特征在于，所述激光器的激光头轴线与安装在所述五轴联动机械运动平台上的夹具中心轴线重合。

6.一种曲面工件表面微织构激光烧蚀加工方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一项所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置，该方法包括以下步骤：

S10：利用计算机完成多轴运动控制器以及激光器所需加工参数的设置；

S20：调焦，调整直线模组中滑台的初始位置，带动所述激光器沿Z轴上下移动；打开所述激光器射出激光，使激光光束聚焦的光斑定位至曲面工件表面；

S30：利用CAM软件生成NC代码；

S40：将步骤S30中生成的所述NC代码中有关控制五轴联动机械运动平台的运动部分截取，保存到计算机中，形成用于多轴运动控制器控制五轴联动机械运动平台运动的命令；

S50：开启所述激光器让激光射出，然后使用步骤S40中形成的所述多轴运动控制器控制所述五轴联动机械运动平台运动的命令来控制所述五轴联动机械运动平台运动，以实现曲面工件上所要求的加工轨迹的激光烧蚀；

S60：关闭激光器，控制五轴运动平台回到初始位置。

7.根据权利要求6所述的曲面工件表面微织构激光烧蚀加工装置的使用方法，其特征在于，步骤S30中利用CAM软件生成NC代码的方法为：

将待加工的二维图形等弧长投影到所述曲面工件的相应位置，在CAM软件中构建与所述五轴联动机械运动平台结构相同的机床，将所述激光光束看作铣刀，并设定所述铣刀时刻垂直于所述曲面工件进行加工，使用CAM软件中的CAM加工仿真功能仿真所述曲面工件上的加工轨迹，输出五轴联动的NC代码。

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