CN1857844A - 摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备 - Google Patents

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王霄
钱振华
蔡兰
符永宏
袁润
张永康
刘会霞
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本发明涉及表面微造型技术，特指一种用于摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备。将待加工工件固定于主轴上，随主轴做旋转运动；由安装在主轴同轴方向的高精度增量编码器输出反映工件转过位置的脉冲信号，经编码器计数卡四倍频、计数处理，再由工控机分频后输出调Q开关控制信号，控制激光器输出单脉冲激光；激光束通过反射镜反射经激光头聚焦照射到工件表面；由四轴运动控制卡控制二维导轨利立式导轨的移动，使激光束和工件表面产生进给运动；借助于D/A卡和编码器计数卡对主轴和激光器的协同控制以及工件与激光束产生的进给运动来完成工件的表面微造型。本发明具有经济、高效、准确，可以加工各种形状工件等一系列优点。

Description

摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备
技术领域：
本发明涉及表面微造型技术(Surface Texturing)，特指一种用于摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备。
背景技术：
近年来，随着对物体表面，特别是对重要摩擦副表面性能的要求越米越高，表面微造型技术(Surface Texturing)以其优异的改善摩擦性能的特点得以快速发展，尤其是对诸如机械密封、活塞环、气缸套以及推力轴承的表面微造型加工的研究更成为近期热点。作为表面微造型技术的根本，表面微造型加工手段的发展与应用决定了该技术的成功与否。加工方法的优劣，体现在对加工参数的控制能力以及加工成本的高低等方面。目前，普遍使用的造型方法主要有：激光表面微造型技术(laser surface texturing，LST)、反应离子蚀刻技术(Reactiveion etching，RIE)、LIGA技术、UV光刻技术(UV Photolithography)。但是，后3种方法普遍存在着适用面窄、加工成本高、效率低或者会对环境造成污染等问题。如美国专利U.S.Pat.No.6391216公开了一种反应离子蚀刻方法和装置，该方法仅适用于磁性材料的表面微造型，且效率不高，难以满足批量化生产的要求。又如美国专利U.S.Pat.No.4532427公开了一种实现深UV光刻的方法和装置，该装置采用无电极灯作为UV光源，可获得更有效的能量输出，加工效率较高，但装置造价昂贵，对环境要求高，不适合一般工业生产。以色列教授Etsion在其发表的论文Improving Tribological Performance of Mechanical Components byLaser Surface Texturing，Tribol.Lett.，17(4)，pp.733-737和State of the Art in Laser SurfaceTexturing，ASME J.Tribol.，127，pp.248-252中对激光表面微造型技术作了总结。激光表面微造型技术具有适用面广、制造加工微孔速度快，成本低、对环境无污染以及优良的微孔形状和尺寸的控制能力的优点，是表面微造型领域颇为成功的造型方法，但国内外尚无摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备的相关公开报道。
发明内容：
本发明的目的就是为了能够在各种摩擦副表面经济、高效、准确地得到符合减磨机理的微观造型而提出一种摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法和设备。
本发明的目的是这样实现的：
本发明为实现上述目的，采用如下方法：将待加工工件固定于主轴上，随主轴做旋转运动；由安装在主轴同轴方向的高精度增量编码器输出反映工件转过位置的脉冲信号，经编码器计数卡四倍频、计数处理，再由工控机分频后输出调Q开关控制信号，控制激光器输出单脉冲激光；激光束通过反射镜反射经激光头聚焦照射到工件表面；由四轴运动控制卡控制二维导轨和Z向立式导轨的移动，使激光束和工件表面产生进给运动；借助于D/A卡和编码器计数卡对主轴和激光器的协同控制以及工件与激光束产生的进给运动来完成工件的表面微造型。
本发明所提供的摩擦副零件表面形貌的激光微造型设备包括：激光器与外光路部分、工作台部分、用于控制工作台和激光器的控制部分；所述激光器固定于尾架的上方，沿光路方向依次内置了HeNe激光装置、两块方向可调全反镜、全反镜、声光调Q开关、光阑、光闸、激光发生器和输出镜，激光器电源和调Q开关驱动器置于尾架上；外光路部分位于激光器的右方，从上到下依次为CCD摄像头、反射镜和激光头，激光头依次由聚焦透镜、全反镜、保护镜组成，其侧向带有辅助气体喷射装置，固定于伸缩架上，伸缩架固定于Z向立式移动导轨上，导轨由伺服电机通过滚珠丝杠驱动；激光器和外光路部分通过导光管连接；工作台部分位于激光头下方，包含旋转主轴和平面二维导轨，由伺服电机驱动；主轴同轴方向安装一高精度增量编码器；所述控制部分包含工控机、伺服电机驱动器和伺服电机；工控机内ISA总线上装有一块四轴运动控制卡、一块电隔离D/A卡、一块编码器计数卡；四轴运动控制卡控制X、Y、Z伺服电机驱动器，D/A卡控制主轴伺服电机驱动器，编码器计数卡控制调Q开关驱动器、光闸和气阀。
本发明的效果是：
1、能够在桶类工件(如气缸套)内外壁表面进行微坑或凹槽(包括交叉网纹)的造型，微坑或凹槽的间距及深度可控。在工件工作状态下，在其表面形成流体动压润滑，从而降低磨损，延长使用寿命。
2、能够在平面类工件(如机械密封)表面进行微坑造型，微坑间距及深度可控。这种方法非常适合用于机械密封、推力轴承上，密布在密封环表面的大量微坑成为储油的凹腔，可使机械密封工作在零泄漏、非接触状态下，大大延长其使用寿命。
3、能够在空间曲面类工件(如凸轮轴凸轮、球关节)表面进行微坑造型，同样能取得减磨、延寿的效果。
附图说明
图1本发明的摩擦副零件表面形貌的激光微造型设备结构示意图
图2激光器内部结构图
图3外部光路结构图
图4控制部分框图
图5加工工件图
图面说明：1-激光器电源    2-激光器    3-尾架    4-调Q开关驱动器5-导光管    6-激光头    7-CCD摄像头    8-伺服电机    9-前盖    10-Z向立式导轨11-伸缩架    12-金属套筒    13-伺服电机    14-主轴    15-伺服电机16-Y向移动导轨    17-伺服电机    18-X向移动导轨    19-底座20-HeNe激光装置    21、22-方向可调全反镜    23-全反镜    24-声光调Q开关25-光阑    26-光闸    7-激光发生器    28-输出镜    29-反射镜    30-聚焦透镜    31-全反镜    32-保护镜
具体实施方式
本实施例是按图1、图2、图3、图4制作的一台摩擦副零件表面形貌的激光微造型设备。
采用一平面底座19，在其上固定X方向导轨18，伺服电机17(型号为MSMA102A1G)通过滚珠丝杠驱动Y方向导轨平台沿导轨18左右移动；伺服电机15(型号为MSMA102A1G)通过滚珠丝杠驱动转台沿导轨16做前后移动；伺服电机13(型号为MSMA102A1C)通过皮带传动驱动主轴14做旋转运动，在主轴14同轴方向安装一增量编码器(型号为LFA-500A-25000)；伺服电机8(型号为MSMA022A1A)通过滚珠丝杠驱动伸缩架11沿Z向立式导轨10做上下移动，在伸缩架11上固定激光头6，激光头6与金属套简12通过螺纹连接。
在所述摩擦副零件表面形貌的激光微造型设备的尾架3上方放置激光器2，下方放置激光器电源1和调Q开关驱动器4；在激光器内部光路中，设置HeNe激光装置20；沿主光路方向，依次设置全反镜23、声光调Q开关24、光阑25、光闸26、激光发生器27和输出镜28。
所述CCD摄像头7安置在前盖9上方，在其下方固定一可调角度的反射镜29。激光头分为水平聚焦型(图3(a))和垂直聚焦型(图3(b))。水平聚焦型激光头内部结构中，沿光路方向依次为聚焦透镜30、全反镜31、保护镜32；垂直聚焦型激光头内部结构中，沿光路方向依次为聚焦透镜30、保护镜32。
工控机内ISA总线上插有编码器计数卡、4轴运动控制卡(型号：MC8041A)和D/A卡(型号：PCL728)。增量编码器信号输入编码器计数卡，通过四倍频、计数处理，由工控机分频后输出信号至调Q开关驱动器4，控制调Q开关24的开合。4轴运动控制卡输出脉冲/方向信号至伺服电机8、15、17所对应的驱动器(型号分别为MSDA023A1A，MSDA103A1A，MSDA103A1A)，伺服电机8、15、17工作在位置控制模式。D/A卡输出电压信号至伺服电机13的驱动器(型号：MSDA103A1A)，伺服电机13工作在速度控制模式。其他辅助装置如光闸、气阀由编码器计数卡上的继电器控制。控制部分的关系如图4所示。
如图5所示，将待加工工件机械密封环固定于主轴14上，随主轴做旋转运动；由安装在主轴同轴方向的高精度增量编码器输出反映工件转过位置的脉冲信号，经编码器计数卡四倍频、计数处理，再由工控机分频后输出调Q开关24控制信号，控制激光器2输出单脉冲激光；激光束通过反射镜29反射经激光头6聚焦照射到工件表面；由四轴运动控制卡控制二维导轨16、18和Z向立式导轨10的移动，使激光束和工件表面产生进给运动。

Claims (2)

1、摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法，其特征在于：将待加工工件固定于主轴(14)上，随主轴(14)做旋转运动；由安装在主轴(14)同轴方向的高精度增量编码器输出反映工件转过位置的脉冲信号，经编码器计数卡四倍频、计数处理，再由工控机分频后输出调Q开关(24)控制信号，控制激光器(2)输出单脉冲激光；激光束通过反射镜(29)反射经激光头(6)聚焦照射到工件表面；由四轴运动控制卡控制二维导轨(16)(18)和Z向立式导轨(10)的移动，使激光束和工件表面产生进给运动；借助于D/A卡和编码器计数卡对主轴和激光器的协同控制以及工件与激光束产生的进给运动来完成工件的表面微造型。
2、摩擦副零件表面形貌的激光微造型装置，其特征在于：由激光器与外光路部分、工作台部分、用于控制工作台和激光器的控制部分组成；所述激光器(2)固定于尾架(3)的上方，沿光路方向依次内置了HeNe激光装置(20)、两块方向可调全反镜(21)(22)、全反镜(23)、声光调Q开关(24)、光阑(25)、光闸(26)、激光发生器(27)和输出镜(28)，激光器电源(1)和调Q开关驱动器(4)置于尾架(3)上；外光路部分位于激光器(2)的右方，从上到下依次为CCD摄像头(7)、反射镜(29)和激光头(6)，激光头(6)依次由聚焦透镜(30)、全反镜(31)、保护镜(32)组成，侧向带有辅助气体喷射装置，固定于伸缩架(11)上，伸缩架(11)固定于Z向立式移动导轨(10)上，导轨由伺服电机(8)通过滚珠丝杠驱动；激光器(2)和外光路部分通过导光管(5)连接；工作台部分位于激光头(6)下方，包含旋转主轴(14)和平面二维导轨(16)(18)，分别由伺服电机(13)(15)(17)驱动；主轴(14)同轴方向安装一高精度增量编码器；控制部分包含工控机、伺服电机驱动器和伺服电机；工控机内ISA总线上装有一块四轴运动控制卡、一块电隔离D/A卡、一块编码器计数卡；四轴运动控制卡控制X、Y、Z伺服电机驱动器，D/A卡控制主轴伺服电机驱动器，编码器计数卡控制调Q开关驱动器(4)、光闸(26)和气阀。
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