（机械制造及其自动化专业论文）可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 摩擦学理论研究及工程应用均表明，摩擦副表面存在与其润滑性能 要求优化相匹配的理想微观结构形貌，可显著改善其润滑状态，延长使 用寿命，减小能耗等。为了实现对这种摩擦副表面微观形貌的加工，相 继出现了诸多微d i g - r ：技术。而其中，激光微加工技术以其高效、节能、 环境友好、易于实现自动控制等优点，备受青睐。 激光微加工技术独一无二的优越性，使其在气缸活塞环、机械密封 环以及平面类零件这些典型摩擦副表面的微观形貌加工中有着极其广泛 的应用。然而，激光微加工技术一般是热熔i 生d n - r ，加工过程中会产生 比较严重的热负面效应，在加工表面产生诸如微裂纹、金属重铸、残渣 堆积、加工表面粗糙等一系列问题。因此，如何减小激光微加工过程中 的热负面影响，平衡好加工效率和质量，成为激光微加工技术应用的关 键。而在摩擦副表面实现基于摩擦学设计的微观几何形貌的精确加工， 目前仍然是一个工程难题。 本课题组提出的“单脉冲同点间隔多次”激光微加工工艺，满足单 个激光脉冲在同一加工位置上有间隔重复多次的加工，不失为减小热负 面效应影响的有效应对方法。本文在激光器声光调q 技术的基础上，拟 研制可实现“单脉冲同点间隔多次加工工艺的激光微加工数控系统， 实现典型摩擦副表面预定设计微观形貌高效、高质量的加工。本文主要 对以下几个方面开展了系统的研究： 1 结合激光微加工数控系统的功能需求，合理地构建系统的整体设 计方案，确定了以运动控制卡m c 8 0 4 1 a 和激光脉冲控制卡为核 心，上位工控机为人机交互及数据处理，i s a 总线为通讯接口的 一体化设计方案。 2 对实现运动控制卡功能的运动控制芯片m c x 3 1 4 进行详细的阐 述，并充分利用m c x 3 1 4 芯片的优点，对系统的机械运动控制 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 功能进行开发，方便用户使用。 3 根据激光脉冲控制卡所需实现的功能，对其进行设计规划，主要 由单片机和c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 构成，完成单片机和 c p l d 内部的程序设计与调试，包括高速并行通讯模块，外部反 馈脉冲选择模块，四倍频模块和声光调q 控制信号输出模块。 4 利用v i s u a lc + + 6 0 软件的动态链接库( d l l ) 技术，通过调用运 动控制卡和激光脉冲控制卡封装的功能函数，完成系统的软件设 计，并对激光微加工软件的加工操作界面进行设计。 5 完成系统的测试和联调，进行工艺试验分析，并在典型摩擦副表 面进行激光微加工实验，验证系统加工的精度及可靠性。 关键词：摩擦副，激光微加工，数控系统，声光调q 技术，运动控制卡 m c 8 0 4 1 a ，激光脉冲控制卡 i i t r i b o l o 日e x p e r i m e n ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns h o wt h a ta ni d e 甜 m i c r o s t r u c t u r e m o r p h o l o g yo nt h es u r f a c eo ff r i c t i o n a lu n i t sc a no b t a i n r e q u i r e dl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h el u b r i c a t i o n c o n d i t i o n ，p r o l o n gt h es e r v i c el i f ea n dd e c r e a s et h ep o w e rc o n s u m p t i o n e t c m a n ym i c r o 。m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sh a v ea p p e a r e di no r d e rt op r o d u c e t h e m i c r o 。m o r p h o l o g y o n t h es u 渤c eo ff r i c t i o n a l u n i t s l a s e r m i c r o m a n u f a c t u r i n gi sr e g a r d e da st h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s st h a ti s c h a r a c t e r i z e db yh i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ，n op o l l u t i o na n da u t o m a t i c c o n t r 0 1 l a s e rm i c r o - m a n u f a c t u r i n gh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni np r o c e s s i n gt h e m i c r o 。m o r p h o l o g yo nt h es u r f a c eo ff r i c t i o n a lu n i t sb e c a u s eo fi t su n i q u e a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ef r i c t i o n a lu n i t so fc y l i n d e r p i s t o nr i n g ，m e c h a n i c a l s e a lr i n g sa n d p l a n a rp a r t s h o w e v e r , l a s e rm i c r o m a n u f a c t u r i n gi sh o t m e l t p r o c e s s i n g ，n e g a t i v eh e a te f f e c tw i l lc a u s eas e r i e so fp r o b l e m ss u c ha ss l a g ， m i c r o 。c r a c k ，m e t a lr e c a s t i n ga n ds oo nd u r i n gt h el a s e r m i c r o m a n u f a c t u r i n g h o wt os o l v et h en e g a t i v eh e a te f f e c ta n db a l a n c et h ep r o b l e m sb e t w e e n t h e p r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c ya r es i g n i f i c a n tf a c t o r st ot h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no fl a s e rm i c r o 。m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a n dp r o c e s s i n gt h e m i c r o 。m o r p h o l o g yw h i c hi st r i b o l o g yd e s i g n e da c c u r a t e l yo nt h es u f f a c eo f f r i c t i o n a lu n i t si ss t i l la n e n g i n e e r i n gp r o b l e mr i g h tn o w t h en e wl a s e rm i c r o - m a n u f a c t u r i n ga p p r o a c hc h a r a c t e r i z e db y “s i n g l e p 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 w h i c hw a s p u tf o r w a r db yo u rr e s e a r c h g r o u p c a n g r e a t l yr e d u c e t h e n e g a t i v e h e a te f f e c t d u r i n gt h e l a s e r m i c r o m a n u f a c t u r i n g i nt h i s p a p e r , c n c s y s t e m o f l a s e r m i c r o - m a n u f a c t u r i n g w a s d e v e l o p e d t oa c h i e v et h e m i c r o m o r p h o l o g y p r o c e s s i n go nt h et y p i c a lf r i c t i o ns u r f a c ee f f i c i e n t l ya n dw i t hh i g hq u a l i t v b a s e do nt h ea c o u s t i c o p t i cq s w i t c h e dt e c h n o l o g y t h em a i nw o r ko ft h i s p a p e ri sl i s t e da sf o l l o w e s ： 1 i i 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 1 e s t a b l i s h e dt h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo ft h ec n c s y s t e mo fl a s e r m i c r o m a n u f a c t u r i n ga c c o r d i n g t ot h e s y s t e m s f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，m a d em o t i o nc o n t r o lc a r dm c s 0 4 1 aa n dl a s e rp u l s e c o n t r o lc a r da st h ec o n t r o lc e n t e r , i p ca st h eu s e r si n t e r f a c ea n d d a t ap r o c e s su n i t ，a n di s ab u sa st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 2 d o n ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h em o t i o nc o n t r o lc h i pm c x 3 1 4 ，i n o r d e rt o f a c i l i t y c o n s u m e r u s e d ，d e v e l o p e dm e c h a n i c a l m o t i o n c o n t r o lf e a t u r e so ft h es y s t e mw i t ht h ea d v a n t a g e so fm c x 3 1 4 3 a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no ft h el a s e rp u l s ec o n t r o lc a r da c c o r d i n gt o i t sf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，t h e l a s e r p u l s e c o n t r o lc a r dw a s c o m p o s e do fm c u a n dc p l d ，c o m p l e t e dt h ep r o g r a md e s i g no f m c ua n d c p l d ，i n c l u d i n gt h er a p i dp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，e x t e r n a lf e e d b a c kp u l s e ss e l e c t i o nm o d u l e ，f o u r f o l d f r e q u e n c ym o d u l ea n dc o n t r o ls i g n a lo u t p u tm o d u l e 4 c o m p e l e ds y s t e m ss o f t w a r ed e s i g nw i t hd l lt e c h n o l o g yo fv c + + 6 0b yc a l l i n gt h ep e r f o r m a n c ef u n c t i o n so ft h em o t i o nc o n t r o lc a r d m c 8 0 41 aa n dt h el a s e rp u l s ec o n t r o lc a r d ，a n dp l a n n e dt h ei n t e r f a c e o ft h el a s e rm i c r o - m a n u f a c t u r i n gs o f t w a r e 5 f i n i s h e dt h ew h o l es y s t e md e b u g g i n g ，a c h i e v e dt h ea n a l y s i so ft h e p r o c e s st e s t ，a n dd i dl a s e rm i c r o m a n u f a c t u r i n ge x p e r i m e n to nt h e t y p i c a lf r i c t i o ns u r f a c e ，w h i c hv a l i d a t e dt h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y o ft h es y s t e m k e y w o r d s ：f r i c t i o np a i r , l a s e rm i c r o - m a n u f a c t u r i n g ，c n c s y s t e m ， i v a c o u s t i c o p t i cq s w i t c h e dt e c h n o l o g y , m o t i o nc o n t r o l c a r d m c s 0 4 1 a , l a s e rp u l s ec o n t r o lc a r d 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1微加工和激光微加工技术 1 1 1 微细加工技术的发展及应用 现代制造技术在一个国家经济发展过程中起着重要的推动作用，世界上很多国 家非常重视现代制造技术的发展水平，利用它进行产品的更新、扩大生产能力和提 高国际经济竞争能力。当前，像美国、日本、德国这样的发达国家之所以在经济发 展能力上一直处于遥遥领先的水平，最主要的原因在于他们把现代制造技术看做国 家经济发展取得成功的关键。同样，特属于现代制造技术的精密微细加工技术，对 于成为“世界加工厂 的中国的国民经济的发展具有重大的意义【1 1 。 微细加工技术是指力h - r _ 尺寸在几个到几百微米范围内的加工方法，最初应用于 半导体制造工艺。微细加工技术曾经在大规模和超大规模集成电路的加工制作中有 着广泛的应用，正是借助于这些微细加工技术，众多微电子器件及相关技术和产业 蓬勃兴起，并引发了人类社会的信息革命；同时微细加工技术也逐渐被赋予更广泛 的内容和更高的要求，目前微细加工技术在特种新型器件、机械电子零件、材料改 性、表面分析等方面发挥着日益重要的作用【2 】【3 】。 广义的微细加工方式十分丰富，涉及各种现代特种加工、高能束加工，而从加 工的类型来看，微细加工可大致分四类： 1 分离加工：将材料的某一部分从母体中分离出去的加工方法，如蒸发、分解、 切割、溅射等； 2 接合加工：将相同或者不同材料相互附和或相互结合的加工方法，如沉积、 生长、掺入、驳结等； 3 变形加工：使材料的形状发生改变的加工方法，如流体变形加工、塑性变形 加工等； 4 改性加工：材料性能处理、表面改性、热处理等【4 】。 在微细加工制造业中，人们广泛采用l i g a 技术加工各种微观形貌结构，l i g a 技术是一种基于x 射线光刻技术的m e m s 加工技术，主要包括x 光深度同步辐射 光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。l i g a 技术能够精密地加工出三维结构， 并能满足金属、硅、陶瓷和塑料等多种材料的加工。然而，l i g a 技术实现的条件比 较苛刻，不仅需要同步辐射x 射线源，模版的制作也很复杂，因此很难得到广泛的 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 应用。而9 0 年代初发展起来的激光微加工技术既能加工出较为复杂的微观形貌结构， 实现条件又不是非常苛刻，无论在实验室还是工厂都能容易实现，因此得到了普及 应用。 1 1 2 激光微加工技术 2 0 世纪6 0 年代，随着第一台红宝石固体激光器的诞生，引发了激光、光电子等 新兴学科的兴起，同时促进了通讯、微电子等信息科学的发展和应用。激光由于其 单色性、高亮度及良好的方向性等特点，在光机电系统中有着广泛的应用，同时在 微细加工中具有独一无二的优越性。 激光加工是将激光束作用于物体表面而引起物体形状或性能改变的加工过程， 激光加工大致可分为三大类：常规工业加工、微细加工和快速成型加工【5 1 。而其中激 光微加工技术是最具特色的一类加工技术，主要应用于微型机械、微光学、微电子 学等领域，激光在微细加工领域具有明显的优越性，主要体现在以下几个方面： 1 加工条件较易满足，尽管离子束、电子束、x 射线具有更短波长、更高的分 辨率，但在曝光源、掩膜、抗蚀剂、成像光学系统等方面的实现上存在较大困难， 而激光加工条件容易满足，具有明显的可实施性和经济性； 2 加工功率密度高，激光加工功率密度可达1 0 8 。1 0 9w 锄2 ，缩短了加工时间； 3 加工对象广泛，满足如金属、无机物、有机物、陶瓷等多种材料上的加工； 且在加工过程中可以控制激光与物质的作用时间和深度，扩展应用范围； 4 无接触加工，无工具磨损，加工变形小，精度高，可灵活的进行三维加工； 5 自动化程度高，由于激光光源、光电控制器件、光电转换器件和成套设备在 市场上种类繁多，可以方便的对数据进行采集处理，实现自动化控制，并且随着光 电转换技术的成熟使其控制系统与计算机接口更为方便，使得加工系统有更高的自 动化程度，利于工业化生产； 6 节能、节省材料、环境友好【6 】。 由于激光在微细加工中的种种优点，激光微加工已经成为制造微系统和微器件 的一种重要加工手段，具有广阔的应用前景，按照激光在微加工中的作用，可以将 激光微加工技术分为以下两类： 1 激光直接加工：激光束直接作用于物体的表面而引起物体形状或性能的改变， 按照应用范围，激光直接加工又可分为激光打孔、激光切割、激光淬火、激光合金 化、激光刻蚀等； 2 激光辅助加工：激光并不对工件直接作用，而是通过激发化学反应等方法， 2 江苏大学硕士学位论文 间接对工件进行加- v 3 1 。激光辅助加工主要包括下面两种： 1 ) 激光化学加工技术：由于激光对气相或液相物质具有良好的透光性，所以强 聚焦的紫外或可见光激光束能够穿透稠密的、化学性质活泼的基片表面的气 体或液体，并有选择的对气体或液体进行激发，受激发的气体或液体与衬底 进行微观的化学反应，从而进行刻蚀、淀积、掺杂等微细n - v t 7 】。 劲激光l i g a 技术：用激光在p m m a 和光刻胶上加工出单级模具，再通过注 射浇铸加工复制品，这种方法适用于在不适合激光直接加工的材料上加工复 杂的三维结构。 1 1 3 激光微加工技术在国内外研究现状 上世纪九十年代开始，激光加工技术已经在美国、德国和日本等发达国家得到 了广泛的应用，便一开始就立足于诸如半导体制造、汽车制造、航空航天和m e m s 等高端行业【8 1 。 随着科学技术的进步，传统的打孔方法在很多场合已不能满足需求。例如在坚 硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百 微米直径的深孔；在印制电路板( p c b ) 板上加工直径为几十微米的过孔等，用常 规的机械加工方法已经无法实现，而激光束的瞬时加工功率密度高达1 0 8w c m 2 ，可 在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述材料上实现打孔【9 】。与电子束、电解、 电火花和机械打孔相比，激光打孔质量好、通用性强、重复精度高、效率高、成本 低及综合技术经济效益显著。在国外，激光精密打孔已经达到很高的水平，瑞士某 公司利用固体激光器在飞机涡轮叶片上进行打孔，可以加工直径2 0 。8 0a m 的微孔， 并且其深径比可达8 0 ：1 t 1 0 1 。 激光微加工技术在设备制造业、汽车制造业、航空精密制造业及各种微细加工 业中也得到了广泛应用，可以用激光进行精密切割、雕刻、划线、微焊接等。如利 用激光微加工技术加工直径2 0 哪左右的喷墨打印机喷嘴；可以利用诸如微压型、 打磨抛光等激光表面处理技术来加工多种微型光学元件；也可通过诸如激光填充多 孔玻璃，玻璃陶瓷的非晶化来改变组织结构，然后通过调和外部机械力，再在软化 阶段依靠等离子体辅助进行微成型来加工微光学元件等等【4 】。 1 9 8 7 年，美国科学家就提出了微机电系统( m e m s ) 计划，使得人类社会对微 机械领域的研究进入了一个崭新的时代。微机电系统的快速发展是基于微电子制造 工艺的，其毫米级或是微米级的微小尺寸，能进入一般机械无法进入的微小工作空 间，并能灵活地实施精细的加工操作，在现代科技领域有着广泛的应用。目前，应 3 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 用于微机械制造技术的方法很多，主要有半导体加工技术、超精密机械加工技术、 l i g a 工艺和特种微加工技术等等，而其中特属于特种微加工技术的激光微加工技术 在微机械制造中显示出巨大的应用前景，并随着激光微加工技术的快速发展，其加 工能力从二维扩展到复杂的三维，加工精度从微米级提升到纳米量级，激光微加工 技术凭借其优越的特性，俨然己成为微机电系统加工制作研究过程中一项重要的技 术手段【1 1 】【1 2 】。 近年来，随着国内经济的快速发展和各种激光加工技术的进步，我国的工业激 光应用市场在不断扩大，激光加工领域也在不断拓宽，由电池、钟表、衣扣等轻工 行业向机械制造、汽车、电子、航空航天以及医学和动力等应用领域拓展。目前， 我国的激光加工技术虽然得到了飞速的发展，但和国外相比，尤其是在激光微加工 方面，还处于相对落后的水平。首先，国内缺少适合激光微加工系统要求的商品级 激光器，国内自主研发生产的激光器的性能及稳定性与国外同类产品相比还有较大 差距，以至于大部分激光微加工系统的激光器仍然依赖于国外进口；其次，精密数 控技术也相对落后，缺乏自主研发的具有高定位精度、灵活加工能力、多轴联动的 微加工平台技术；此外，在激光加工工艺、导光系统、高速传动以及精密定位系统 等方面的技术也相对比较落后【1 3 】。 1 2 激光微加工技术在摩擦副中的应用 摩擦副以各种形式存在机械装置系统中，其摩擦学性能的优劣决定了机械系统 的可靠性及运作效率，全世界1 3 1 2 的能源消耗在摩擦上。所以，降低摩擦、减小 磨损已成为保护环境、提高效率的迫切要求。如何解决好摩擦副的润滑及耐磨问题， 成为人们长期追求的目标。根据摩擦学理论研究及工程应用表明，摩擦副表面存在 与其润滑性能要求优化匹配的理想微观结构形貌，可显著改善其润滑状态，延长使 用寿命，减小能耗等【1 4 】。 在机械工程行业中，激光微加工技术最初被运用在机械密封环上。2 0 世纪9 0 年 代初，以色列教授e t s i o n 就提出了在泵机械密封环端面上运用激光微加工技术的想 法。机械密封环的材料大都由耐磨的s i c 等材料制成的，用传统的c 0 2 和y a g 激光 器就可以在其表面进行微加工。运用激光微加工技术在机械密封环端面进行处理， 加工出多孔端面的机械密封环，通过实验研究发现，经过端面造型后的机械密封环 的摩擦学性能有了较大的改善，基本上实现了非接触，使用寿命大大延长【1 5 - _ 7 1 。1 9 9 6 年，e t s i o n 等人在以色列海法市成立了表界面技术公司( s u r f a c et e c h n o l o g i e sl t d ) ， 目前该公司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 4 江苏大学硕士学位论文 等人受到在机械密封环端面利用激光微加工技术加工微凹腔思想的启迪，萌生了对 活塞环与缸套以及平行推力轴承表面进行微孔造型的加工方案，从理论上进行了模 拟分析，并用实验进行了验证，收到了显著的效果【1 8 - 2 2 】。 2 0 世纪9 0 年代中期，德国g e h r i n g 公司的k l i n ku ，g r i m mh a n s 等人为了研制 高性能发动机气缸，提出激光珩磨技术( l a s e rh o n i n gt e c ) ，激光珩磨技术是从平台 珩磨技术衍生出来的，是指利用具有一定能量密度的激光束，在发动机气缸内表面， 加工出与气缸润滑减磨性能要求优化匹配的、连续均匀的，并具有一定参数的网纹 沟槽【咎2 5 1 。g e h r i n g 公司将该技术成功应用于发动机气缸的表面处理，并分别在柴油 机、汽油机上试验了其有效性，在a v l 公司生产的f 5 2 8 型发动机上的效能试验结 果表明，气缸和活塞环的磨损量下降5 0 ，柴油发动机的柴油消耗量下降4 0 ，颗 粒排放量下降1 0 3 0 ，汽油发动机的汽油消耗量降低3 0 。6 0 ，碳氢排放量下 降2 0 左右 2 6 2 7 1 。 2 0 0 4 年以来，德国奥迪( a u d i ) 公司也开展了运用激光微加工技术处理气缸套 的研究，以提高发动机的工作效率。l u d o l fh e r b s t 等人利用u v 激光器在一台4 缸 t d i ( t u r b od i r e c ti n j e c t i o n ) 柴油发动机的缸套上进行了激光微加工处理，在发动机 连续工作6 0 2 小时后，发现与传统的机械珩磨缸套相比较：运用激光微加工处理后 缸套的摩擦磨损减少量由2 3 上升到8 9 ，与之匹配的活塞环的磨损减少量由3 0 上升到8 8 ；他们还在v 6 发动机缸套上进行了激光微加工处理，在发动机连续 工作8 0 0 小时后发现机油耗降低了7 5 【2 8 j 。 在国内，也有众多的学者一直致力于激光表面微加工技术的理论和实验研究。 2 0 0 3 年以来，华东理工大学蔡仁良、于新奇等人采用激光微加工技术在机械密封环 端面上加工出微孔，并作了一系列的摩擦学性能试验。实验表明，多孔端面的机械 密封环的摩擦因素要比普通的机械密封环要小得多，可明显降低密封面间的摩擦力 矩，实现端面间的流体润滑，延长密封环的使用寿命【2 9 税】。 南京理工大学熊党生等人采用n d y a g 脉冲激光器在t 8 钢表面进行微孔化处 理，模拟机械端面密封的摩擦工况，利用环盘式摩擦试验机测试其不同载荷和速度 条件下的摩擦学性能，试验表明，与光滑的摩擦副相比，多孔端面密封可以将p v 值 提高2 5 倍【3 2 1 。他们还运用理论模型模拟和实验结果进行对比分析，确定微孔的几何 形貌参数对密封性能的影响规律，为改善密封系统的润滑状况提供了技术依据【3 3 1 。 2 0 世纪9 0 年代末期，江苏大学就开始对激光微加工技术进行了深入的研究，将 激光微加工技术运用于缸套活塞环、机械密封环、凸轮轴及平面等摩擦副表面微观 结构形貌的加工处理，对这些典型摩擦副的性能进行理论和试验研究，并一直致力 5 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 于摩擦副表面激光微加工设备的研制，取得了一系列阶段性的研究成果【则】。 1 3 本课题主要研究内容及意义 如前文所述，激光微加工技术在工程应用中具有独一无二的优越性，在摩擦副 表面微观形貌的加工中也有着极其广泛的应用。但是该技术仍然存在着诸多缺陷， 用于工业实际生产并不是很成熟，特别是对于金属材料表面的激光微加工，其表面 加工质量更是难以得到很好的控制。激光微加工一般是热熔性加工，当对金属材料 进行加工时，由于金属材料优良的导热性和相对较低的熔点，会产生较严重的热负 面效应，在加工表面会产生微裂纹、金属重铸、残渣堆积、加工表面粗糙等问题， 大大影响了加工表面的质量【矧。因此，如何减小激光微加工过程中的热负面影响， 平衡好加工质量和效率，成为激光微加工技术成功应用于工程实践的关键。而在摩 擦副表面实现基于摩擦学设计的微观几何形貌的精确、高质量的加工，目前仍然是 一个工程难题。 基于此，本课题组提出的“单脉冲同点间隔多次 加工工艺满足在同一加工点 上单个激光脉冲有间隔重复多次的加工，最大程度地降低激光微加工过程中所产生 的热负面效应，大大提高表面的加工质量。本文所要探讨的是这一特殊激光微加工 工艺的实现方法，在课题组前期的研究基础上，选取一种合适的激光器作为激光光 源，开发满足这一加工工艺的数控系统，实现在典型摩擦副表面预定设计微观形貌 的高效、高质量的加工。本论文构建了一种以上位工控机为平台，运动控制卡 m c 8 0 4 1 a 和激光脉冲控制卡为核心的开放式数控系统，对系统的整体构建及核心硬 件部分进行了设计与研究，最后运用实验论证了所开发数控系统加工的可行性。本 文主要的研究内容有： 1 系统的整体构建 根据所要开发激光微加工数控系统的功能需求，合理地构建系统的整体设计方 案，阐述了系统的基本工作原理。系统主要由激光光源，外光路系统，高精度工作 台，运动反馈元件，辅助系统及工作枢纽站组成。对各个功能模块在系统中所起的 作用作了详细的论述，并指出工作枢纽站是连接其他功能模块的控制核心。 2 工作枢纽站的硬件设计 工作枢纽站的设计是系统研发的重点所在，根据工作枢纽站的控制原理，由上 位工控机、运动控制卡m c 8 0 4 1 a 及激光脉冲控制卡构成。上位工控机作为人机交互 的主要工具，运动控制卡m c 8 0 4 1 a 实现系统的机械运动控制，激光脉冲控制卡实现 激光器的声光调q 技术，对单个激光脉冲的输出进行控制。为了使所开发的系统具 6 江苏大学硕士学位论文 有良好的通用性，采用一体化设计，将运动控制卡m c 8 0 4 1 a 和激光脉冲控制卡通过 i s a 总线集成在上位工控机内部。对实现运动控制卡m c 8 0 4 1 a 主要功能的运动控制 芯片m c x 3 1 4 进行了详细的介绍，利用m c x 3 1 4 芯片的功能特点，对系统的运动控 制功能进行开发，并分析研究了运动控制卡与伺服单元和运动反馈元件的电气连接。 激光脉冲控制卡是工作枢纽站的核心所在，根据激光器声光调q 原理，对激光 脉冲控制卡的总体设计方案进行规划，主要由c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和单片 机组成。对实现激光脉冲控制卡主要功能的单片机与p c i 0 4i s a 总线接口高速并行 通信模块、外部反馈脉冲信号选择模块、四倍频模块以及激光调q 驱动器控制信号 输出模块进行了设计与调试，并完成激光脉冲控制卡的制作。 3 系统软件的设计 在w i n d o w sx p 操作系统下，采用m i c r o s o f t 公司的通用软件开发平台v i s u a lc + + 6 0 对数控软件进行开发，系统的软件设计是基于运动控制卡m c 8 0 4 1 a 和激光脉冲 控制卡的。运用v i s u a lc + + 6 0 的动态链接库( d y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y ) 技术，通 过调用运动控制卡m c 8 0 4 1 a 和激光脉冲控制卡封装的各种功能函数，实现工作台的 运动控制和激光器单个激光脉冲输出的控制。并根据软件所要实现的功能，对软件 的操作界面进行了设计。 4 实验与分析 完成系统的软硬件设计后，需要对其性能作出评判。选用4 5 撑钢圆盘为实验试样， 在其表面进行凹腔的工艺试验研究，主要分析了激光器泵浦电流和激光脉冲重复次 数对凹腔形貌的影响规律。并分别在气缸套内表面、机械密封环端面和平面类零件 这些典型摩擦副表面进行微观形貌的加工，验证系统的加工精确度及可靠性，评判 系统是否满足“单脉冲同点间隔多次”加工工艺。 1 4 本课题来源 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 舳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 ) ；教 育部留学回国基金( 2 0 0 7 1 1 0 8 ) ：中国博士后基金项目( 2 0 0 7 0 4 2 0 1 9 0 ) 资助下开展 进行的。 7 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 第二章系统的整体构建 2 1系统功能及总体设计方案 2 1 1系统的功能定位 本文所开发的可实现特殊激光微加工工艺的数控系统主要用于实现典型摩擦副 表面微观结构形貌的加工。具体来说，就是在气缸套内表面、机械密封环端面以及 平面类零件表面形成与其润滑性能要求优化匹配的凹腔及网纹形貌。因此，所开发 的数控系统应该具备以下功能： 1 数控系统可以实现x 、y 、z 、0 四轴三联动，且要求控制精度能达到1u m 。 2 数控系统可以实现激光器单个激光脉冲的输出，且单个激光脉冲的输出与系 统的机械运动充分协调联动。 3 能在气缸套内表面整个有效行程区域内，加工出符合其润滑减磨性能的凹腔 及网纹形貌，且要求这些形貌参数可通过数控系统程序进行控制。 4 能在机械密封环端面及平面类零件表面加工出符合其润滑减磨性能、参数可 控的凹腔形貌。 5 数控系统能满足“单脉冲同点间隔多次 激光微加工工艺。 6 所开发的数控系统软件操作界面友好，易于控制，系统体积小，便于工业化 生产应用。 2 1 2“单脉冲同点间隔多次 激光微加工工艺 激光加工方式一般有两种：连续加工和脉冲加工。在摩擦副表面激光微加工领域 中，一般采用脉冲加工方式。利用脉冲方式进行加工，可以更好的控制加工形貌尺 寸，得到质量较高的微观形貌。然而，单个激光脉冲能量是有限的，所能去除的材 料也是有限的。因此，为了达到表面形貌所需深度要求，在用脉冲激光进行加工时， 就需要在同一个加工点处打多个激光脉冲。传统的激光加工方式是在同一个加工点 处连续重复多次打出激光脉冲，这种加工方式由于激光与材料接触作用时间较长， 热负面效应会比较严重，在加工过程中会产生如熔渣、微裂纹、金属重铸、加工区 粗糙等一系列问题，从而导致表面加工质量变差。 基于上述分析，要最大程度地降低激光微加工过程中所产生的热负面效应，实 现对工件表面高效、高质量的微米量级任意形貌的加工，我们需要一种较为先进的 激光加工策略。本课题组提出的“单脉冲同点间隔多次 激光微加工工艺不失为一 8 江苏大学硕士学位论文 种有效的应对方法。“单脉冲同点间隔多次 激光微加工工艺是将传统的激光脉冲加 工时在同一点上连续重复多次打出的激光脉冲改为间隔反复打出。这样，两个间隔 激光脉冲之间的时间就可用于材料的冷却，将激光微加工过程中的热负面效应降到 最低，最大程度保证了工件表面的加工质量，该加工工艺的原理如图2 1 所示【矧。 l2 图2 1 “单脉冲同点间隔多次”激光微加工工艺原理图 f i g 2 1p r o c e s s i n gs c h e m a t i co f “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 ” 1 激光器2 - 外光路3 激光头4 工作台 如图2 1 所示，w 为工件的旋转速度，假如要在工件上打n 个凹腔，每个凹腔 需要打两个激光脉冲才能达到预定的深度。那么具体的加工方法为：在起始点1 处 打一个激光脉冲，接着在点2 处打第二个激光脉冲，以此类推直至打完第一圈上的1 1 个激光脉冲，加工的次序为1 到1 1 。此时，工件回转到初始点1 ( 1 ) ，在此点上进行 第二圈的激光脉冲加工，接下来的工作就是重复上述的过程，加工的次序为1 到n ， 直至加工完成。这种加工方式最大程度地减小了激光微加工过程中的热负面效应， 有效地克制了在加工过程中产生的，如熔渣、微裂纹、金属重铸、加工区粗糙等一 系列问题，大大提高工件表面的加工质量。 要实现“单脉冲同点间隔多次激光微加工工艺，根本在于实现激光器单个激 光脉冲发出时间与工件旋转运动时间的耦合，即在两个激光脉冲的间隔时间内正好 走过工件上两个加工点之间的距离，在工件表面规定位置上输出单个激光脉冲。该 加工工艺不仅可以实现凹腔形貌的加工，也可以采用凹腔重叠的方法形成网纹形貌。 在本文的研究中，主要利用二极管泵浦n d ：y a g 激光器的声光调q 技术产生单个 激光脉冲，并与系统的机械运动部件进行协调联动，在规定的时间、规定的空间释 9 可实现特殊激光微加工工艺数控系统的设计与研究 放单个激光脉冲，最终实现“单脉冲同点间隔多次 激光微加工工艺。“单脉冲同点 间隔多次 是一种较为先进的激光微加工工艺，但同时也对数控系统提出了较高的 控制要求。在这里，对所要开发的数控系统的控制要求可以分为三个部分：一是数 控系统对机械部件的运动控制；二是数控系统对激光器单个激光脉冲输出的控制； 三是数控系统对机械部件运动及单个激光脉冲输出控制进行协调联动。 2 1 3 典型摩擦副表面加工形貌的实现方法 所开发的数控系统是要实现摩擦副表面符合其润滑性能微观形貌的加工，在这 一小节，我们探讨一下运用“单脉冲同点间隔多次”加工工艺在典型摩擦副表面加 工形貌的实现方法，可以大致分为三大类： 1 轴套零件表面加工形貌的实现方法 j 轴套零件以气缸套为典型加工案例，说明在其表面微观形貌的实现方法。试验 和研究表明，在缸套内表面有效行程内设置并加工出适当规则的微观几何形貌，不 但能显著地改善润滑状况，提高耐磨减摩性能，延长使用寿命，而且能减小发动机 的机油耗和各种碳氢排放【凋。根据摩擦学理论及缸套的运动磨损特征，气缸套内表 面的加工形貌主要为凹腔和网纹。 图2 2 气缸套内表面凹腔造型示意图 f i g2 - 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fd i m p l e sp r o d u c e do nt h ei n n e rs u r f a c eo fc y l i n d e r 图2 2 为在气缸内表面加工凹腔的示意图( 将气缸套展开后) 。图2 2 中箭头表 示激光脉冲，厶为线距，即在同一圆周加工线上两个相邻凹腔之间的距离。厶为点 距，即相邻两个圆周加工线上凹腔之间的距离。假设凹腔需要重复加工2 次才能达 到所需深度，那么气缸套随工作台一起旋转，先在1 处圆周上加工，加工次序为1 到1 0 。待加工完毕，再加工第2 次，加工次序为1 到1 0 。在1 处圆周上加工完毕 后，激光头向下进给点距厶，再按照上述方法重复加工，直至加工完所需长度。 1 0 江苏大学硕士学位论文 网纹是由微凹腔以一定的重叠率叠加而成的，图2 3 为气缸内表面网纹加工示意 图。三j 为线距，即相邻两条网纹线之间的距离。如为点距，即同一网纹线上相邻两 个凹腔之间的距离。角度仅为网纹线与母线的夹角。类似于在气缸表面凹腔造型方 法，先在1 处圆周上进行加工，加工完毕以后，激光头向下做一个进给量为l 2 c o 献 的运动。激光头到达2 处圆周后，根据角度仅要求，激光头需要先做一定的偏移脉 冲量( 即激光头相对于加工表面在圆周长上旋转偏移一定距离) ，才会有激光脉冲输 出。随后的加工即重复上述循环，所不同的是每一次的偏移脉冲量根据激光头向下 进给量的累积而增加。当向下的行程加工完毕之后，激光头就要作向上的进给运动， 加工方法与向下加工方法相同，这样就可以在气缸套内表面得到参数可控的交差网 纹形貌。 图2 3 气缸内表面网纹造型示意图 f i g2 - 3 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fm i c r o - g r o o v e sp r o d u c e do nt h ei n n e rs u r f a c eo fc y l i n d e r 2 环面零件表面加工形貌的实现方法 环面零件以机械密封环为典型加工案例，说明在其端面微观形貌的实现方法。 试验和研究表明，在机械密封环端面设置并加工出适当规则的微观几何形貌，能显 著地改善润滑状况，提高耐磨减摩性能，延长使用寿命【蛔。根据摩擦学理论及所开 发数控系统自身的特点，机械密封环端面的加工形貌为凹腔。 图2 4 所示为在机械密封环端面上加工凹腔的示意图，图中箭头代表激光脉冲 ( 由于同一圆周上凹腔数较多，故图中箭头没有全部标出) ，厶为线距，即在同一 圆周加