（机械制造及其自动化专业论文）基于windows开放式结构的激光数控加工系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 平面摩擦副广泛存在于各种机械装置中，它们的润滑和磨损状况直接 影响着机械系统的性能。为了减小摩擦、减少磨损可以采取对其进行平面 阵列加工的方法。另外在其它领域，平面阵列也有着重要的应用，例如， 在纺织机械、流体机械以及微电子行业中，平面阵列都有着广泛的应用。 由于机械零件形貌的复杂化，为了能够在曲面零件表面进行激光微加工以 便减小摩擦减少磨损保持机械性能的可靠性，本文开展了对m c x 3 1 4 运 动控制芯片位模式插补的研究。在散状物的输送中经常用到螺旋输送设 备，而螺旋叶片是螺旋输送设备的主要构件，目前世界上最先进的螺旋叶 片成形工艺是圆锥轧辊连续辗轧成形。为了增强轧辊表面摩擦系数和延长 轧辊使用寿命，本文开展了对圆锥轧辊激光毛化的研究。 基于“单脉冲同点间隔多次”激光微造型新工艺，本文对平面阵列加 工的控制方法进行了深入分析研究。给出一种全新的扫描策略，对已有的 加工方案进行了路径优化。新扫描策略具有加工效率高、工件装夹位置柔 性大的特点。考虑到在采用该扫描策略进行平面阵列加工时，激光头对每 行的加工初始点具有较高的定位精度要求，文中对工作台的定位问题进行 了分析研究，给出了工作台精确定位流程图。为了保证位模式插补的正常 进行，主c p u 需获取与插补曲线方程相对应的插补数据，然后才能将插 补数据传递给m c x 3 1 4 运动控制芯片。经分析研究，文中给出位模式插 补数据获取原理，并计算出基于该原理的插补误差，计算结果表明该插补 误差不大，能够满足一般加工的需求。在对圆锥轧辊进行激光毛化时，由 于圆锥轧辊的母线与其轴线成一定角度，对圆锥轧辊的加工属于变径加 工，所以对圆锥轧辊进行激光毛化其难度较大。为了保证圆锥轧辊表面每 个加工圆周处毛化点之间的点距不变，文中详细介绍了对圆锥轧辊进行激 光毛化的方法，给出了圆锥轧辊激光毛化流程图。 基于对平面阵列和圆锥轧辊激光毛化加工的要求，本文开发了相应的 t 基于w i n d o w s 开放式结构的激光数控加工系统研究 激光数控加工系统。该激光数控加工系统在硬件方面主要由四部分组成， 分别为激光器及光路部分，工作台部分，控制部分和辅助装置。其中控制 部分是该激光数控加工系统的核心，其主要由工控机i p c 、运动控制卡 m c 8 0 4 1 a 、伺服驱动器、伺服电机、激光调q 控制卡和反馈装置等组成。 文中对该激光数控加工系统的硬件接口和控制原理进行了详细介绍。在软 件方面，本文采用了w i n d o w s 操作系统，利用v c + + 6 0 进行了数控系统 程序的开发。本文对运动控制卡和激光调q 控制卡功能函数进行了封装， 论述了如何利用面向对象的编程语言和动态链接库技术，实现应用程序与 m c 8 0 4 1 a 和激光调q 控制卡的通讯。 最后为了验证所开发激光数控加工系统的性能，进行了平面阵列加工 试验。由试验结果可知：在路径优化后的扫描策略中，所采用的工作台定 位方案合理，工作台定位精度满足实际加工要求，利用该扫描策略能够成 功地实现平面阵列的加工。同时，为了获知激光加工工艺参数与所a n - i - 微 凹腔形貌之间的关系进行了相应的工艺试验，通过对试验结果数据的分 析，研究了离焦量、泵浦电流和重复次数与微凹腔形貌的关系。 关键词：平面阵列，位模式插补，圆锥轧辊激光毛化，数控系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep l a n ef r i c t i o np a k se x i s tm m a n ym a c h i n e s t h e i rl u b r i c a t i o na n d w e a rs t a t u sd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n e w es h o u l d p r o c e s s t h ep l a n ef r i c t i o np a i r sf o rp l a n e a r r a yi no r d e rt od e c r e a s et h ef r i c t i o n a n dw e a ro ft h ep l a n ef r i c t i o np a i r s t h ep l a n ea r r a yi sa l s oa p p l i e di no t h e r f i e l d s f o re x a m p l e ，i ti su s e di nt h et e x t i l em a c h i n e s ，t h ef l u i dm a c h i n e sa n d t h em i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s i no r d e rt op r o c e s st h ec u r v e dp a r t so ft h e m a c h i n e sw i t hl a s e rp u l s e ss ot h a tt h em a c h i n e sk e 印h i g hr e l i a b i l i t y , t h e r e s e a r c h so fb i tm o d ei n t e r p o l a t i o no fm c x 31 4m o t i o nc o n t r o lc h i pw e r e c a r r i e do u t t h eh e l i c a lb l a d e sa r et h em a i nc o m p o n e n t so ft h eh e l i c a l c o n v e y i n ge q u i p m e n t st h a ta r e 仃e q u e n t l yu s e dt ot r a n s p o r tt h ep a r t i c l e m a t e r i a l s t h em o s ta d v a n c e dh e l i c a lb l a d em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi nt h e w o r l di st h ec o n er o l l e r sc o n t i n u o u s l yr o l lt h e s t r i ps t e e l s i n o r d e rt o s t r e n g t h e nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n de x t e n dt h ec o n er o l l e rs e r v i c el i f e ，t h e s t u d yo fl a s e rt e x t u r i n g ( l a 3o nc o n er o l l e rs u r f a c eh a sb e e nc a r r i e do u t t h e p r o c e s s i n gp l a n ea r r a yc o n t r o lm e t h o dw a si n t e n s i v e l ys t u d i e di nt h i s p a p e rb a s e do nt h en e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y “s i n g l ep u l s eo n et i m e ， r e p e a t i n ga ti n t e r v a l s an e ws c a n n i n gs t r a t e g yw a sp r o v i d e dt oo p t i m i z et h e o l d p r o c e s s i n gm e t h o dp a t h t h en e ws c a n n i n gs t r a t e g yp o s s e s s e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n de a s i l yc l a m p i n ga n dl o c a t i n g t h ew o r k p i e c e b e c a u s et h eh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c yi sd e m a n d e df o rt h e s t a r t i n gp r o c e s s i n gp o i n tw h e nt h en e ws c a n n i n gs t r a t e g yi sa p p l i e d ，t h e l o c a t i o n p r o b l e mo f t h ew o r k b e n c hw a si n t e n s i v e l yr e s e a r c h e da n dt h e a c c u r a t ep o s i t i o n i n gf l o wc h a r tw a sp r o v i d e d t h eb i tm o d ei n t e r p o l a t i o nd a t a s t h a tc o r r e s p o n dw i t ht h ec u r v ee q u a t i o nn e e dt ob eo b t a i n e db yt h ec p uo ft h e i p ci no r d e rt h a tt h eb i tm o d ei n t e r p o l a t i o ni se x e c u t e db yt h em c x 31 4 t h e g a i n i n g b i tm o d e i n t e r p o l a t i o n d a t a p r i n c i p l e w a s p r e s e n t e d a n dt h e i n t e r p o l a t i o ne r r o rw a sw o r k e do u t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e i n t e r p o l a t i o ne r r o ri ss m a l le n o u g ht os a t i s f yt h eo r d i n a r yp r o c e s s i n gd e m a n d s t h ep r o c e s s i n go fl to nc o n er o l l e rs u r f a c ei sm o r ed i f f i c u l tt h a nt h eu s u a l ， m b e c a u s et h ep r o c e s s i n gp r o c e s so fl to nt h ec o n er o l l e rs u r f a c ei sap r o c e s s i n g p r o c e s so fc h a n g i n gd i a m e t e r i no r d e r t og a i nt h es a m ed i s t a n c eb e t w e e nt w o a d j o i n i n gl td o t so nt h es a m ep r o c e s s e dc i r c l e ，t h ep r o c e s s i n g m e t h o do fl t o nc o n er o u e rs u r f a c ew a si n t r o d u c e da n dt h ef l o wc h a r to fl to nc o n er o l l e r s u r f a c ew a sg i v e n t h el a s e rc n c p r o c e s s i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e ri no r d e rt o m e e tt h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n to ft h ep l a n ea r r a ya n dt h el to nc o n er o l l e r s u r f a c e f o rh a r d w a r e ，t h el a s e rc n c p r o c e s s i n gs y s t e m i sc o m p o s e do fl a s e r s o u r c ea n dp a t hs y s t e m ，w o r k t a b l e ，c o n t r o ls y s t e ma n da c c e s s o r i a ld e v i c e s t h ec o n t r o ls y s t e mi st h ec o r eo ft h el a s e rc n cp r o c e s s i n gs y s t e m t h e c o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do ft h ei p c ，m o t i o nc o n t r o lc a r dm c 8 0 4 1 a ，s e r v o d r i v e r s ，s e r v om o t o r s ，l a s e ra d j u s t i n gqc o n t r o lc a r d ( m o c c ) a n d f e e d b a c kd e v i c e s t h ei n t e r n a lc o n t r o l l i n gm e c h a n i s ma n do u t e ri n t e r f a c eo f t h el a s e rc n c p r o c e s s i n gs y s t e mw e r ee l a b o r a t e di nt h i sp a p e r f o rs o f t w a r e ， t h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e ma n dv c + + 6 0w e r eu s e dt od e v e l o pt h ec n c s y s t e m t h ee n c a p s u l a t e d f u n c t i o n so fm c 8 0 4 1 aa n dl a q c cw e r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e lh o wt op e r f o r mt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dm c 8 0 4 1 aa n dl a q c c w i t ho o pl a n g u a g ea n d d l l t e c h n i q u ew a s i n t r o d u c e d t h ep l a n ea r r a ye x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti no r d e rt o t e s tt h e r e l i a b i l i t yo ft h el a s e rc n cp r o c e s s i n gs y s t e m t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a t t h ep o s i t i o n i n gs c h e m ea d o p t e db yt h en e ws c a n n i n gs t r a t e g yi sa p p r o p r i a t e ， t h e p o s i t i o n i n ga c c u r a c y o ft h ew o r k b e n c hs a t i s f i e s t h e p r o c e s s i n g r e q u i r e m e n ta n dt h ep l a n ea r r a yc a nb es u c c e s s f u l l yp r o c e s s e db yt h e n e w s c a n n i n gs t r a t e g y t h ep r o c e s se x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti n o r d e rt oo b t a i n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el a s e rp r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa n dt h em i c r oc a v i t y m o r p h o l o g i e s t h ei n f l u e n c e so ft h ed e f o c u s i n gd i s t a n c e ，t h ep u m p i n g c u r r e n t a n dt h er e p l i c a t i o nn u m b e rf o rt h em i c r oc a v i t ym o r p h o l o g i e sw e r er e s e a r c h e d i nd e t a i lt h r o u g ha n a l y s i n gt h ee x p e r i m e n td a t a s k e y w o r d s ：p l a n ea r r a y ，b i tm o d ei n t e r p o l a t i o n , l a s e rt e x t u r i n g ( l t ) o n c o n er o l l e rs u r f a c e ，c n cs y s t e m 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 激光加工技术是光、机、电技术相结合的产物，是先进制造技术的重要组成部分， 目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极的渗透的阶段【1 1 。从1 9 6 0 年5 月人 类获得第一束激光到现在，5 0 年过去了，激光技术已逐渐渗透到科研、国防、工农 业生产以及人们生活的各个方面。它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、 方便实现数控和可以用来进行特殊加工的特点。随着计算机技术的迅速发展，激光 加工技术必然要与现代计算机技术和运动控制技术相结合，既利用普通机床所具有 的高精度、高可靠性和高自动化的特点，又利用激光束能量密度高度集中和高柔性 的特性，实现高精度的激光加工，推动激光加工技术的顺利发展【2 1 。因此，开发基于 工控机( 口c ) 和w m d o w s 操作系统的开放性、模块化激光数控加工系统已成为当今 激光加工技术发展的必然趋势。一方面，p c 机的迅猛发展和功能强大的w m d o w s 操作系统的推出为其提供了强有力的硬件平台和丰富的软件资源；另一方面，作为 新一代数控技术核心的开放式运动控制器技术的不断发展为其提供了强大的技术支 持。 1 2 激光微造型技术的提出及发展现状 当两个相互接触的物体在正压力作用下受切向外力的影响而发生相对滑动，或有 相对滑动趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦， 这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和 摩擦表面物质的丧失或迁移，即磨损。据估计，世界上在工业方面约有1 3 l 2 的能 量消耗于摩擦过程中。为了替换易损零件，我国每年都要用一大批钢材去制作配件， 而磨损件又占了其中很大的比例。磨损会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢而连续 的破坏，使机器的效率和可靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终还可能 导致零件的突然破坏【3 】。自十七世纪以来，人们为了控制摩擦、磨损，提高机械效率， 减小能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性一直都在进行着摩擦、磨损 的研究。为了减小摩擦、减少磨损使润滑介质进入摩擦副表面，人们在早期采用机 械珩磨工艺在摩擦副表面加工出一些微小的沟槽来储存润滑油，进而起到改善润滑 性能的作用。但由于机械珩磨痕迹是紊乱无序、随机不可控的，因而作用十分有限。 】 基于w i n d o w s 开放式结构的激光数控加工系统研究 由此，根据摩擦学理论可以推断，存在一个既定的与润滑性能要求匹配的理想的微 观结构形貌工件表面，以优化摩擦副表面的润滑状况m 】。 德国格林公司在9 0 年代中期，受平顶珩磨的启发发明了激光珩磨技术，用以显 著改善缸套一活塞环之间的润滑状态。由于激光具有高能量密度，光斑直径小以及 出光可控等特点，人们开始将激光照射到工件表面，利用光热效应在工件表面去除 材料加工出具有一定形貌特征的凹腔或凹槽。由于利用激光对工件表面进行微造型 具有可控性，人们开始采用激光微造型工艺取代原有的机械珩磨工艺。激光珩磨技 术是激光技术与机械珩磨技术的结合。激光珩磨后的工件表面的微观结构形貌如图 1 1 所示嗍。 图1 1 激光珩磨后工件表面的微观形貌 f i g 1 1t h em i c r o - m o r p h o l o g yo nt h ew o r k p i e c ep r o c e s s e db yt h el a s e rp l l l s 鹪 经反复试验证明：激光因其优良的聚焦性能、易于自动控制、无污染、低能耗以 及独特的与材料作用的机理，被认为是一种特别适用的有效手段嘲。所谓激光珩磨技 术，就是利用具有一定能量密度的激光束，在工件工作表面上形成与润滑性能要求 优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度( 间距) 、宽度、深度、角度及形状的贮 存和输送润滑油的沟槽、纹路或凹腔【5 】。激光珩磨是珩磨技术与激光技术的结合，它 与机械珩磨既有区别，又相互关联川。机械珩磨是以提高表面光洁度和形成工件最终 加工尺寸为目的，而激光珩磨用以形成与性能相匹配的表面形貌为主要目的。他们 都在工件表面留下珩磨痕迹，激光珩磨是在机械珩磨基础上进行，工件表面有较高 的光洁度从而保证工件表面微观结构主要由激光珩磨决定。考虑表面微观形貌对形 成有一定厚度润滑油膜的影响时，应包含激光珩磨所刻划的油槽。由于激光珩磨油 槽的深度远远大于机械珩磨所形成的表面微观谷深( 相差n 个数量级) ，而且不出 现微观凸峰( 如图1 1 所示) ，避免了对油膜的破坏作用。因此，激光珩磨能显著地 促进具有一定厚度的稳定的润滑油膜的形成，改善润滑状态，减少磨损。激光衍磨 能在摩擦副工作表面上形成与润滑性能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定 密度、宽度、深度、角度及形状的贮存和输送润滑油的沟槽、凹腔，这些油路通过 交叉点相互连通，且都均匀地分布于工件表面，为工件表面提供迅速有效的润滑， 减少了贫油区的出现，降低了粘着磨损【5 】。由于激光与材料独特的作用机理，使得要 去除的金属被汽化掉，形成的油路光滑清洁，从而保证油路畅通无阻。同时，在油 2 江苏大学硕士学位论文 路周围和表面，因淬火效应而硬度提高。在油路上设置的一系列凹腔，具有蓄油池 和聚集微小颗粒的双重作用，它一方面为周围附近区域提供润滑油，另一方面又能 大大降低磨粒磨损。激光珩磨属非接触式加工，不像机械珩磨会发生挤压、耕犁现 象，从而在金属表面不产生所谓的( 金属疤皮) 。虽然激光珩磨在工件表面留下了纵 横交错的网格状油路，但就宏观效果而言，并不影响摩擦副的支承面积。 激光微造型技术是9 0 年代中期由德国著名珩磨机制造商格林公司的k 1i n ku ， g r i m mh a n s 等人为研制高性能发动机气缸而提出的【明，因此，最早是应用于气缸表 面的处理，并分别在柴油机、汽油机上试验了其有效性。格林公司在6 台2 9l 柴 油机上进行了耐磨性和机油耗试验，结果表明，气缸工作表面的磨损降低了5 0 ， 与之配合的活塞环磨损率也降低了5 0 ，机油耗从4 0g h 降至1 5g h 。同时，以 a v l f m 5 2 8 型发动机试验了激光珩磨对颗粒排放、机油耗、h c 排放的影响，试验 结果为：机油的颗粒排放量降至原来的2 5 一3 0 ，机油耗降至3 0 ，h c 排放量降 低了1 0 。由此可见，在摩擦副表面加工出具有一定宽度和深度的凹腔或( 和) 凹 槽对于减小摩擦、减少磨损作用巨大。 近年来，著名汽车制造商德国奥迪( a u d i ) 公司也开展了激光处理气缸套的研究 5 1 1 8 1 。l u d o l fh e r b s t 等人利用u v 激光在一台4 缸t d i ( t u r b od i r e c ti n j e c t i o n ) 柴油 发动机缸套上进行了激光处理，在发动机连续工作6 0 2 小时后，发现与机械珩磨缸 套相比，激光处理缸套摩擦磨损减少由2 3 上升到8 9 ，与之配合的活塞环的磨损 减少由3 0 上升到8 8 。他们还在v 6 发动机缸套上进行了激光处理，在发动机连 续工作8 0 0 小时后发现机油耗降低了7 5 9 1 。 以色列学者e t s i o n 发展了激光表面微造型技术【5 】。这一技术最初被成功地应用于 泵机械密封环端面的微观造型【船1 2 1 。由于机械密封环材料大多都是由耐磨的s i c 等 材料制成的，用传统的c 0 2 和y a g 激光器就可以很容易实现微加工。1 9 9 6 年他们 在以色列的海法市成立了表面技术公司( s u r f a c et e c h n o l o g i e sl t d ) ，目前他们的产 品已成功用于原油运输、石油化工、海运和水处理等行业。e t s i o n 、r o n e n 等人还利 用在机械密封环端面用激光加工微压室的思想【1 3 1 ，对活塞环与缸套以及平行的推力 轴承表面进行微孔造型，从理论上进行了模拟分析，并用实验的方法进行了验证， 收到了良好的效果【1 争1 7 1 。 在国内，自2 0 0 3 年起华东理工大学的蔡仁良、何松等采用激光微造型技术在密 封环上加工出微孔并进行性能试验，结果表明多孔端面机械密封的摩擦因素比普通 机械密封要低得纠1 8 1 。2 0 0 7 年，南京理工大学的熊党生、万轶等人在t 8 钢盘表面 进行微孔化处理，测试了钢盘在不同载荷和速度下的摩擦学性能。自2 0 世纪9 0 年 3 基于w i n d o w s 开放式结构的激光数控加工系统研究 代末期以来，江苏大学的蔡兰、符永宏、华希俊、王霄、钱振华等人一直致力于激 光表面微造型技术的理论和试验研究，将激光表面微造型技术应用于机械密封、凸 轮轴等摩擦副的表面处理。成功研制了专门用于摩擦副零件表面形貌加工的激光微 造型设备，并掌握了对表面加工质量的控制。 1 3 激光毛化技术的提出及发展现状 激光毛化是指采用高能量、高频率的激光脉冲照射到材料表面对其实施预热和强 化【堋，在聚焦后的聚焦点入射到材料表面形成微小熔池，同时由侧吹装置对微小熔 池施于设定压力和流量的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积成规则 分布的球冠状微形貌( 如图1 2 所示) 。这种新型表面结构是在不降低原材质表面韧 性的情况下，由无数微小均布的强化点对表面实行针轧，从而实现刚柔并济的表面 结构。这种激光毛化表面不但强度高、韧性好，而且表面粗糙度均匀可控。经实验 证明，毛化试样比未造型试样的摩擦系数明显增大。出现这种情况的原因是：由于 激光毛化使得试样表面发生了改形改性，分布很多硬化点，这些硬化点增加材料的 剪切强度，另外激光毛化加工出的微凸体的犁沟效应明显，这两者造成了毛化试样 的摩擦系数增大。另外毛化微凸体具有较强的耐磨性。这是因为：激光毛化是一个 金属表面在激光高能量作用下的快速熔凝过程。由于熔化金属的快速凝固，使得枝 晶臂间距减小，金属内的杂质和显微孔洞也越细小，分布也更均匀，从而使重新凝 固的金属纤维结构转变为细小的马氏体组织，这使得激光毛化形貌具有良好的耐磨 性。基于上述激光毛化的特点，激光毛化可以用于需要增磨的摩擦副表面。 图1 2 球冠状微形貌 f i g 1 2t h es p h e r i c a lm i c r om o r p h o l o g y 自比利时冶金研究中心( c r m ) 开发研制出激光毛化技术以来，国内外学者对 激光毛化设备、毛化形貌成形机理、工艺参数与毛化形貌的关系等进行了大量系统 的研究，取得了一系列的研究成果【1 9 1 。1 9 8 4 年，世界上第一台c 0 2 激光毛化示范设 备开始用于生产性工艺方法的试验研究【2 0 1 ，该中心率先采用大功率低阶膜c 0 2 激光， 经过机械调制器( c h o p p e r ) 产生高频脉冲激光，以此对轧辊表面进行激光毛化，并 成功的轧制出具有毛化效果的薄钢板【2 1 l 。1 9 8 5 年，激光毛化钢板成功应用于汽车生 4 江苏大学硕士学位论文 产领域。随后，日本、德国相继比利时引进并开发c 0 2 激光毛化技术，主要用于提 高钢板的深冲性能和钢板涂漆后的光亮度 2 3 - 2 4 。2 0 世纪9 0 年代，日、韩一些企业开 始研制w 婚激光毛化设备并于9 0 年代初研制出一种调q 开关n d ：y a g 激光毛化设备 【2 5 1 。i b m 2 6 - 2 8 ，s e a g a t e 2 9 - 3 0 ，w e s t e md i 西t a lc o r p o r a t i o n l 3 卜3 2 】等公司着手研究激光毛 化技术在磁盘方面的应用。 2 0 世纪9 0 年代，我国的激光毛化技术开始发展以y a g 和c 0 2 两种激光毛化为主， 用于生产冷轧钢板1 1 9 1 。1 9 9 0 年3 月，中科院力学所开展对y a g 激光毛化冷轧辊技术及 其装备攻关研究，并研究成功轧辊激光毛化技术 3 3 1 。1 9 9 2 年6 月，中科院力学所成功 研制出第一台可用于带钢规模生产的y a g 激光毛化冷轧辊实验装置。“八五”期间 华中理工大学、武钢和武汉重型机床厂合作，在1 9 9 5 年夏成功研制出我国自己的c 0 2 激光毛化冷轧辊装备，并成功试轧了3 0 0 吨c 0 2 激光毛化钢板1 3 4 1 。2 0 0 0 2 0 0 2 年，y a g 激光毛化技术与装备应用到印刷包装陶瓷网纹辊精密刻蚀和有色冶金铝板箔辊毛 化。这些成果标志着我国在激光毛化技术研究和应用方面已进入世界先进行列【3 5 】。 1 4 本课题采用w i n d o w s 操作系统的的原因 基于w i n d o w s 的数控系统与基于d o s 的数控系统相比具有突出的优点，这主要 体现在【2 】【3 6 1 ： ( 1 ) 软件资源丰富。 ( 2 ) 基于w i n d o w s 的数控系统能够构建较为友好的人机交互图形界面。 ( 3 ) 操作配置方便。基于w i n d o w s 的数控系统能够根据需要方便地向系统中加入 新的软件和硬件，这完全符合开放式数控系统的要求。 ( 4 ) 支持多线程技术。 ( 5 ) 运行机制更安全，一个应用程序的崩溃不会影响到其它程序的运行。 1 5 本课题论文主要研究内容及目的意义 ( 1 ) “平面阵列 的激光微加工 所谓“平面阵列 就是在平面上加工出按照一定规律排列的微观形貌。由于平面 摩擦副广泛存在于各种机械装置中，它们的润滑和磨损状况直接影响着机械系统的 性能。为了减小摩擦、减少磨损，可以采取对其进行平面阵列加工的方法。另外在 其它领域，平面阵列也有着重要的应用，例如，在纺织机械中可以利用平面阵列加 工出的小孔进行出丝；在流体机械中可以利用平面阵列加工出的微孔进行水质过滤； 5 基于w i n d o w s 开放式结构的激光数控加工系统研究 在微电子行业中为了得到按照一定规律排列的平面节点有时也需要对其进行平面阵 列加工。要在平面上实现“单脉冲同点间隔多次 激光微加工新工艺，要解决的问 题主要有两个：一是如何使激光器发出单个激光脉冲的时间间隔与所打两点之间工 作台运动所需时间进行耦合；二是如何实现平面加工初始位置的精确定位。在已有 的加工形式中，可以参考的只有圆柱形轴类零件( 缸套内表面) 的加工，在平面上 进行激光微造型尚属首次。这两个问题能否解决将决定能否在平面上加工出符合要 求的微观形貌。 ( 2 ) 曲面加工中的位模式插补 由于机械零件形貌的复杂化，为了减小摩擦减少磨损保持机械性能的可靠性， 需要对曲面零件( 例如凸轮表面，齿轮轮齿表面等) 进行激光微加工，所以要求所 要开发的激光数控加工系统工作台能走出一些不规则曲线( 非圆、非直线曲线) ，这 可以通过该激光数控加工系统内部运动控制芯片m c x 3 1 4 的位模式插补功能来实 现。主c p u 可以向m c x 3 1 4 发送插补数据，然后m c x 3 1 4 以一定的速度输出脉冲， 从而完成对曲面零件的加工。然而主c p u 是如何得到与所要运行曲线相对应的位模 式插补数据的呢? 本文在以后的工作中将要展开对此问题的研究，以便使所开发的 激光数控加工系统能够在曲面零件表面进行激光微加工。 ( 3 ) 圆锥轧辊的激光毛化 在散状物的输送中经常用到螺旋输送设备，而螺旋叶片是螺旋输送设备的主要构 件，目前世界上最先进的螺旋叶片成形工艺是圆锥轧辊连续辗轧成形。由于圆锥轧 辊在轧制带钢时要求轧辊在带钢表面的运动形式为纯滚动；另外圆锥轧辊在轧制带 钢时处于高温、高压状态，极易引起轧辊的磨损，降低了轧辊的使用寿命。为解决 此问题可以采取对圆锥轧辊进行激光毛化的方法。由于在轧辊表面进行激光毛化具 有种种优势，所以国内外各研究机构分别展开对轧辊表面激光毛化的研究，但研究 的重点都是针对普通轧辊，对圆锥轧辊进行激光毛化的资料很少看到。基于此，本 文将要展开对圆锥轧辊激光毛化的研究。由于圆锥轧辊的母线与其轴线成一定角度， 对圆锥轧辊的加工属于变径加工，所以对圆锥轧辊进行激光毛化其难度较大。 本课题是在国家自然科学基金项目( 5 1 1 7 5 2 3 3 ) ；江苏省科技支撑计划项目 ( b e 2 0 1 0 0 6 0 ) ；江苏省科技成果转化专项资金项目( b a 2 0 1 0 0 6 8 ) ；江苏省高校科研成 果产业化推进项目( j h b 2 0 1 1 3 9 ) ；常州市工业科技支撑计划( c e 2 0 1 1 0 0 4 1 ) 资助下开展 进行的。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章平面阵列加工控制方法 2 1“单脉冲同点间隔多次”加工工艺的提出以及实现 理论与实验研究表明吲，摩擦副表面的微观几何形貌对其摩擦学性能具有重要作 用。随着对摩擦副表面性能要求的提高，表面微造型技术得到迅速发展。目前，表 面微造型方法主要有：v i b r o r o l l i n g 法、反应离子蚀刻技术( gr i e ) 、l i g a 技术、激 光表面微造型技术( l s t ) 等。在诸多方法中，激光表面微造型技术以其适应面广、 加工速度快、成本低、无污染、非接触式、无工具磨损、无需润滑和工作介质、加 工变形小以及优良的形状和尺寸控制精度受到高度重视。但是，激光表面微造型技 术仍然存在着一些问题。 利用激光对工件表面进行微造型时，由于单个激光脉冲的加工能量十分有限，有 时需要在工件的同一个位置打出若干个激光脉冲，才能满足特定的加工需求闭。但 是，激光一般是热熔性加工，对于金属材料，由于其优良的导热性能和相对较低的 熔点，以及在加工时连续作用时间较长，一般情况下由于热影响的负面效应会产生 微裂纹、金属重铸、残渣堆积、加工面粗糙等问题使加工面的质量较差。为了解决 此问题本课题组结合半导体泵浦y a g 激光器的声光调q 技术提出“单脉冲同点间 隔多次 激光微造型新工艺1 3 9 】。“单脉冲同点间隔多次 新工艺( 如图2 1 所示) 就是激光脉冲在同一个点a 处打一次，接着打下一个点b ，当工件转动一圈再回到 a 点时，再继续打第二次，依次类推。采用“单脉冲同点间隔多次激光微造型新 工艺，可以最大限度地减小热扩散带来的不利影响，金属材料的熔融、重铸现象得 到有效抑止，微腔内壁较光滑。堆积在微腔周围的残渣主要由喷射出来的凝固小颗 粒组成，与基体的粘附力小，易于去除。而且，随着脉冲次数的增加，可以使微腔 的深度增大，而微腔开口直径基本不变。通过对激光调q 脉冲信号的控制以及工作 台的高重复定位精度可以实现“单脉冲同点间隔多次”的加工要求。由于施加射频 信号期间，一方面激光器吸收并储存大量的能量，另一方面工件移动到下一位置， 所以在加工时并不降低加工效率，拓宽了激光微造型加工的应用范围。 7 基于w i n d o w s 开放式结构的激光数控加工系统研究 图2 1 单脉冲同点间隔多r 加y - - 原理图 f i g 2 1t h ep r o e e 豁i n gd i a g r a mo f “s i l l g l ep i l l o n et i m e ，r e p e a t i n ga ti n t e n d s ” 2 2 平面阵列加工 要在平面上实现“单脉冲同点间隔多次 加工工艺要解决的问题主要有两个：一 是如何使激光器发出单个激光脉冲的时间间隔与所打两点之间工作台运动所需时间 进行耦合；二是如何实现平面加工初始位置的精确定位。在圆柱形轴类零件( 缸套 内表面) 的加工中问题一的解决是通过将光电编码器的a 、b 信号引入激光调q 控 制卡从而实现激光器发出单个激光脉冲的时间间隔与所打两点之间工作台运动所需 时间进行耦合的；问题二的解决是通过将光电编码器的z 信号引入到激光调q 控制 卡从而实现加工初始位置的确定。在对平面进行激光微造型时解决问题一的方法是： 由于在工作台x 、y 轴方向上安装有光栅尺，光栅尺所反馈的数字脉冲是对工作台 机械位移的反映。在该激光数控加工系统中可以将光栅尺输出的脉冲信号反馈到激 光调q 控制卡，实现对激光脉冲周期性关断和释放。这跟通过编码器反馈脉冲实现 激光控制的方法有相似之处。解决问题二的方法是：可以寻找一种器件当工作台移 动到该器件位置时，该器件发出一个脉冲信号，可以将该脉冲信号送到激光调q 控 制卡，从而实现加工初始位置的确定。采用这种加工方法对平面进行“单脉冲同点 间隔多次激光微造型时的扫描策略是( 如图2 2 所示) ：当加工完一行后( 即1 、2 、 3 、4 、5 、1 0 加工完后) ，激光头必须回到初始位置，然后再从初始位置向后 加工( 即加工1 ，2 ，3 1 0 ) ，当完成重复次数后，激光头再回到初始位置， 然后激光头向y 方向进给线距l 2 ，再从下一行初始点进行加工。由于每加工一遍激 光头都要有一个空行程回到初始点，所以这种方法加工效率较低。另外由于初始位 置是确定的，所以在工件装夹时要求精确定位。在圆柱形轴类零件( 缸套内表面) 8 江苏大学硕士学位论文 的加工中，由于缸套本身为圆形，当加工完一圈中最后一个微坑时，紧接着就要加 工该圈的第一个微坑，所以在对缸套的加工中不存在“空行程”的问题。另外，由 于缸套的对称性，在加工圆周处的每一点相对于其它点的位置都是一样的，所以在 工件装夹时不存在精确定位的问题。 图2 2 平面阵列加工原理图 f i g 2 2t h ep r o c e s s i n gd i a g r a mo ft h ep l a n ea r r a y 2 3 平面阵列加工路径优化 由于上述加工方法具有种种缺点，下面采用另一种扫描策略对上述加工过程进行 路径优化。在平面阵列加工过程中可以通过工作台的精确定位来实现加工初始位置 的确定，当到达该位置后通过软件向激光调q 控制卡发送一个易脉冲信号。这种加 工方法的扫描策略是：由于加工完一行后( 如图2 3 所示) ( 即1 、2 、3 、4 、5 1 0 加工完后) ，然后激光头向y 方向移动线距l 2 ，再从1 1 点向x - 方向加工( 即加工 1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 2 0 ) ，到达2 0 点后激光头再向y 方向移动线距l 2 ，然 后再从2 1 点向x + 方向加工，直到把所有点都加工完( 即完成一次加工) 。然后激光 头再回到初始位置1 点，进行第二次加工。直到把所有的加工次数都加工完成。在 此加工过程中，由于加工完一行后激光头没有空行程回到该行的加工初始点，所以 这种扫描策略与第一种扫描策略相比加工效率提高将近一倍；另外，由于采用该扫 描策略加工初始点可以随意设定，所以工件装夹位置柔性大。但是，要实现“单脉 冲同点间隔多次 激光