CN116038127A - 一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法 - Google Patents

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顾春兴
江小辉
郭维诚
丁子珊
戴黎
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment

Abstract

本发明公开了一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法，包括：终端、与所述终端信号连接的激光器组件及运动控制器、与运动控制器信号连接的运动工作台、固接于运动工作台上的工件固定器及通过工件固定器固定于运动工作台上的工件；所述激光器组件包括激光器、沿激光器的光线路径依次设置有多个反射镜组件、设置于反射镜之间的功率衰减器与调整孔件、扫描振镜及固接于扫描振镜上的轮廓扫描仪，且所述轮廓扫描仪位于工件的正上方，扫描振镜上设置有聚焦透镜。根据本发明，使得冲击点的法线与激光入射光束重合，激光功率密度达到最大值，冲击波压力也达到最大值，冲击效果好，提高了激光能量的利用率。

Description

一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法
技术领域
本发明涉及特种加工技术的技术领域，特别涉及一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法。
背景技术
在机械系统中，各相对运动副之间的摩擦、磨损和润滑性能对机械系统的功能、效率和使用寿命等有着直接的影响。据统计，世界上使用的能源约有30％-50％消耗于摩擦，而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因。随着工业技术的不断发展，对极端工况下的接触润滑提出的要求不断提高。为了降低接触表面的摩擦磨损，提高工件在极端工况下工作时的稳定性，可靠性、工作寿命，节约能源和资源，多种减摩手段被提出。其一，将超细固体颗粒(聚合物、有机材料、无机材料、金属单质等)加入到润滑油中，可以有效的提高磨合质量，减小磨损。其二，激光表面微织构技术因其加工效率高、加工质量高、无污染，可控性好等优点近年来以及发展最为快速的一种表面加工技术，为接触表面摩擦副提供了一种新的润滑方式。表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构，这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能。国内外研究也一致表明，表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段,可使材料表面实现自润滑效果,并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法，使得冲击点的法线与激光入射光束重合，激光功率密度达到最大值，冲击波压力也达到最大值，冲击效果好，提高了激光能量的利用率。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种复杂曲面微织构激光加工装置，包括：
终端、与所述终端信号连接的激光器组件及运动控制器、与运动控制器信号连接的运动工作台、固接于运动工作台上的工件固定器及通过工件固定器固定于运动工作台上的工件；
所述激光器组件包括激光器、沿激光器的光线路径依次设置有多个反射镜组件、设置于反射镜之间的功率衰减器与调整孔件、扫描振镜及固接于扫描振镜上的轮廓扫描仪，且所述轮廓扫描仪位于工件的正上方，扫描振镜上设置有聚焦透镜。
优选的，所述反射镜组件包括第一反射镜、位于第一反射镜正上方的第二反射镜、位于第二反射镜一侧的第三反射镜及位于第三反射镜正下方的第四反射镜，所述第四反射镜的一侧设置有扫描振镜。
优选的，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜均呈45度角倾斜，且第一反射镜与第二反射镜倾斜的方向相同，第三反射镜与第四反射镜倾斜的方向相同，第一反射镜与第四反射镜对称设置，第二反射镜与第三反射镜对称设置。
优选的，第二反射镜与第三反射镜之间设置有功率衰减器，第三反射镜与第四反射镜之间设置有调整孔件。
一种复杂曲面微织构激光加工方法，包括以下步骤：
S1、根据工件表面织构的形状、织构覆盖的范围，将编好的程序输入到终端的控制软件中；
S2、通过工件表面织构的尺寸大小，设置激光器的参数大小，开启激光器；
S3、通过轮廓扫描仪在线扫描工件的加工区域，通过非接触测量，通过最小二乘法拟合曲面轮廓，获得表面织构加工处曲面法向量；
S4、终端控制运动控制器调整运动工作台，使激光入射角与曲面法向量重合；
S5、通过终端的控制软件中运行激光加工步的程序代码，加工出所需要的织构尺寸。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：能够使得入射的激光与冲击点的法线重合，获得高质量的冲击效果以及高精度的表面织构尺寸，有效控制微米级织构的形貌、精度，同时又能针对任何复杂曲面表面织构加工。使得整体微纳织构的尺寸精度，位置精度、重复精度等相对现有技术有了极大的提升。能够在线实时计算复杂工件表面的法向，使得入射的激光与冲击点的法线重合，使加工过程中激光功率密度达到最大值，冲击波压力也达到最大值，冲击效果最好，得到的表面织构的精度最好。
附图说明
图1为根据本发明的复杂曲面微织构激光加工装置及方法的结构示意图；
图2为根据本发明的复杂曲面微织构激光加工装置及方法的工作台方向运动示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种复杂曲面微织构激光加工装置，包括：终端12、与所述终端12信号连接的激光器组件及运动控制器11、与运动控制器11信号连接的运动工作台10、固接于运动工作台10上的工件固定器9及通过工件固定器9固定于运动工作台10上的工件8，所述的工作台采用一种激光微纹加工机床，运动工作台10由运动控制器11控制，包括直线轴X轴、直线轴Y轴、直线轴Z轴和回转轴(θ，ψ)的运动；X轴、Y轴、回转轴驱动与工件加工台相连，工件加工台用于承载待加工工件；激光头安装在Z轴上，控制激光头在工件加工台上方的升降和激光聚焦；终端连运动制器信号，控制控制器连接X轴、Y轴、Z轴和回转轴(θ，ψ)信号。所述的X-Y方向数控精密动平台用于精确控制织构间的距离，所述Z方向激光用于精确控制激光束与加工工件之间的距离，所述的回转轴(θ，ψ)用于精确控制织构加工表面与激光垂直，如图2；所述激光器组件包括激光器1、沿激光器1的光线路径依次设置有多个反射镜组件2、设置于反射镜2之间的功率衰减器3与调整孔件4、扫描振镜5及固接于扫描振镜5上的轮廓扫描仪6，且所述轮廓扫描仪6位于工件8的正上方，扫描振镜5上设置有聚焦透镜7，通过激光器1发出脉冲激光，经反射镜2反射后再经过功率衰减器3、调整孔4、扫描振镜5再由聚焦透镜7聚焦于待加工复杂曲面8的表面上。
进一步的，所述反射镜组件2包括第一反射镜、位于第一反射镜正上方的第二反射镜、位于第二反射镜一侧的第三反射镜及位于第三反射镜正下方的第四反射镜，所述第四反射镜的一侧设置有扫描振镜5。
进一步的，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜均呈45度角倾斜，且第一反射镜与第二反射镜倾斜的方向相同，第三反射镜与第四反射镜倾斜的方向相同，第一反射镜与第四反射镜对称设置，第二反射镜与第三反射镜对称设置。
进一步的，第二反射镜与第三反射镜之间设置有功率衰减器3，第三反射镜与第四反射镜之间设置有调整孔件4。
一种复杂曲面微织构激光加工方法，包括以下步骤：
S1、根据工件8表面织构的形状、织构覆盖的范围，将编好的程序输入到终端12的控制软件中；
S2、通过工件8表面织构的尺寸大小，设置激光器1的参数大小，开启激光器1；
S3、通过轮廓扫描仪6在线扫描工件8的加工区域，通过非接触测量，获得所需加工的曲面云点数据，通过最小二乘法拟合曲面轮廓，并进行曲面重构。将获得曲面模型导入到OpenCASCDE中，OpenCASCDE中曲面通过参数方程来描述，是曲面的精确表示，同时在曲面的数据结构中也保留有三角网格数据。为了得到更加精确的曲面法线，首先可以基于曲面参数方程，采用微分法来直接计算法向量，如果该方式计算失败，则采用平均法向的方法来计算，则可以获得所加工点的法线方向。获得表面织构加工处曲面法向量；
S4、终端12控制运动控制器11调整运动工作台10，使激光入射角与曲面法向量重合；
S5、通过终端12的控制软件中运行激光加工步的程序代码，加工出所需要的织构尺寸。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种复杂曲面微织构激光加工装置，其特征在于，包括：
终端(12)、与所述终端(12)信号连接的激光器组件及运动控制器(11)、与运动控制器(11)信号连接的运动工作台(10)、固接于运动工作台(10)上的工件固定器(9)及通过工件固定器(9)固定于运动工作台(10)上的工件(8)；
所述激光器组件包括激光器(1)、沿激光器(1)的光线路径依次设置有多个反射镜组件(2)、设置于反射镜(2)之间的功率衰减器(3)与调整孔件(4)、扫描振镜(5)及固接于扫描振镜(5)上的轮廓扫描仪(6)，且所述轮廓扫描仪(6)位于工件(8)的正上方，扫描振镜(5)上设置有聚焦透镜(7)。
2.如权利要求1所述的一种复杂曲面微织构激光加工装置，其特征在于，所述反射镜组件(2)包括第一反射镜、位于第一反射镜正上方的第二反射镜、位于第二反射镜一侧的第三反射镜及位于第三反射镜正下方的第四反射镜，所述第四反射镜的一侧设置有扫描振镜(5)。
3.如权利要求2所述的一种复杂曲面微织构激光加工装置，其特征在于，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜均呈45度角倾斜，且第一反射镜与第二反射镜倾斜的方向相同，第三反射镜与第四反射镜倾斜的方向相同，第一反射镜与第四反射镜对称设置，第二反射镜与第三反射镜对称设置。
4.如权利要求3所述的一种复杂曲面微织构激光加工装置，其特征在于，第二反射镜与第三反射镜之间设置有功率衰减器(3)，第三反射镜与第四反射镜之间设置有调整孔件(4)。
5.如权利要求1所述的一种复杂曲面微织构激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据工件(8)表面织构的形状、织构覆盖的范围，将编好的程序输入到终端(12)的控制软件中；
S2、通过工件(8)表面织构的尺寸大小，设置激光器(1)的参数大小，开启激光器(1)；
S3、通过轮廓扫描仪(6)在线扫描工件(8)的加工区域，通过非接触测量，通过最小二乘法拟合曲面轮廓，获得表面织构加工处曲面法向量；
S4、终端(12)控制运动控制器(11)调整运动工作台(10)，使激光入射角与曲面法向量重合；
S5、通过终端(12)的控制软件中运行激光加工步的程序代码，加工出所需要的织构尺寸。
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CN116358842A (zh) * 2023-06-02 2023-06-30 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置

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