奚明明，張心明，趙怡然，胡嵩，丁蘊(yùn)豐

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引 言

激光加工系統(tǒng)是一種集光、機(jī)、電一體化的新型加工系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于各種加工領(lǐng)域。激光加工是利用激光束投射到物體的表面，利用高溫對物體進(jìn)行切割、焊接甚至是改變物體表面的性能，使工件表面產(chǎn)生汽化而完成加工的過程[1-6]。由于激光加工是非接觸式加工，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，加工的工件產(chǎn)生的變形小，沒有刀具的磨損[7-10]。目前針對圓柱類工件的表面加工主要是利用數(shù)控機(jī)床來完成，但是由于加工條件的限制，只能在工件表面加工簡單圖形，而且加工的幅面有限[11-12]。激光加工系統(tǒng)主要是以小幅面平面加工為主，對于在柱塞類等圓柱體和圓錐體等曲面工件表面的大幅面加工研究很少，因此利用掃面儀結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計(jì)出柱塞類工件表面激光加工系統(tǒng)可以有效的進(jìn)行曲面類工件的大幅面加工的問題。創(chuàng)新之處在于：① 在柱塞工件表面加工類似蛇皮紋路的圖形，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光滑表面和環(huán)形槽表面；② 利用激光這一新型加工工具，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械加工；③ 采用雙軸式拼接加工方法，解決了大幅面加工的難題。

1 激光加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 激光加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對不同長度和直徑的柱塞類工件表面復(fù)雜圖形的加工，利用三爪卡盤、光學(xué)面包板和三維光學(xué)調(diào)整架來固定柱塞工件，調(diào)節(jié)三維光學(xué)調(diào)整架的高度和位置來保證三爪卡盤和柱塞工件的同軸度。伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)三爪卡盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)三維光學(xué)調(diào)整架在光學(xué)面包板上的位置，可以調(diào)整柱塞類工件的長度；平移導(dǎo)軌的主要作用是帶動(dòng)激光系統(tǒng)的平移。激光器的升降裝置和前后的位移裝置主要是用來調(diào)節(jié)聚焦系統(tǒng)到加工工件的表面的距離，使加工工件的表面始終處于焦點(diǎn)處。激光加工系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要的加工過程是：激光束入射到兩個(gè)反射鏡上，利用計(jì)算機(jī)控制掃描電機(jī)，從而帶動(dòng)反射鏡分別沿X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，聚焦系統(tǒng)將平行光束聚焦于一點(diǎn)，采用fa透鏡，激光束聚焦后落到工件上進(jìn)行加工[13-15]。加工完成后，電機(jī)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)設(shè)的角度繼續(xù)加工，當(dāng)加工完360度時(shí)，平移導(dǎo)軌拖動(dòng)激光系統(tǒng)平移預(yù)設(shè)的距離，然后重復(fù)上一步驟的加工，實(shí)現(xiàn)相鄰的兩個(gè)加工區(qū)域相接，完成整個(gè)拼接加工。由于激光系統(tǒng)在平移時(shí)會(huì)有震動(dòng)，所以激光不應(yīng)該在平移完成后立馬出光，應(yīng)該延遲幾秒，所以設(shè)置了5秒的延遲出光，消除了因?yàn)榧す庀到y(tǒng)的晃動(dòng)帶來的加工誤差。

其中1是機(jī)架，2是平移導(dǎo)軌，3是旋轉(zhuǎn)電機(jī)和三爪卡盤，4是激光系統(tǒng)，5是三維光學(xué)調(diào)整架，6是控制系統(tǒng)和PC機(jī)。

圖1 激光加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of laser processing system

1.2 激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：光纖激光器和掃描振鏡。激光系統(tǒng)是激光加工系統(tǒng)的重要組成部分，它的功能保證了工件被加工的質(zhì)量。

如圖2所示：掃描振鏡由X-軸振鏡和Y-軸振鏡兩部分組成，激光通過在X軸振鏡的反射照射到Y(jié)軸振鏡上，從而通過聚焦系統(tǒng)的聚焦使激光到達(dá)工件表面。

1.3 激光加工系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括兩部分：電路控制部分和信號(hào)控制部分。

圖2 激光系統(tǒng)圖Fig.2 Laser system diagram

1.3.1 電路控制

電路控制部分是控制系統(tǒng)的重要組成部分，包括電路原理圖、時(shí)序圖、實(shí)物電路連接圖等。電路原理圖講明了電路控制的原理，如圖3所示。

圖3 電路原理圖Fig.3 Schematic circuit diagram

由電路原理圖可以知道：在插上220 V電源后接通總開關(guān)（空氣開關(guān)），電鑰匙擰到閉合位置，J0繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開，J00得電（J00是繼電器J0的一條通路），繼電器J0得電，同時(shí)5 V電源得電，指示燈亮起；這時(shí)繼電器J0的常開觸點(diǎn)閉合，J10(繼電器J0的一條通路)得電，繼電器J1得電，此時(shí)的繼電器J0的常閉觸點(diǎn)和繼電器J0的常開觸點(diǎn)構(gòu)成自鎖；當(dāng)總開關(guān)接通后風(fēng)扇得到電開始轉(zhuǎn)動(dòng)，備用電源部分得電，在用到時(shí)可以進(jìn)行電源的擴(kuò)展，此時(shí)用于計(jì)算機(jī)供電的插排得電，在計(jì)算機(jī)主機(jī)打開后，計(jì)算機(jī)、顯示屏得電。閉合振鏡開關(guān)，振鏡系統(tǒng)得電，在計(jì)算機(jī)軟件給出信號(hào)后，振鏡就會(huì)擺動(dòng)；旋轉(zhuǎn)開關(guān)閉合后，24 V直流電源得電，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器得電，在軟件給出信號(hào)后電機(jī)就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；指示開關(guān)閉合后，紅光指示進(jìn)行工作；光纖開關(guān)閉合后，光纖激光器電源得電，在計(jì)算機(jī)給出信號(hào)后，激光器就可以出光。

1.3.2 信號(hào)控制

信號(hào)控制是由激光加工系統(tǒng)控制系統(tǒng)的大腦，信號(hào)控制是一個(gè)控制系統(tǒng)能否工作的關(guān)鍵。激光加工系統(tǒng)的信號(hào)控制包括兩部分：控制板卡以及相應(yīng)的控制軟件。

控制板卡采用了USB接口與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)上安裝控制軟件。操作者通過對軟件數(shù)據(jù)的設(shè)定，從而控制板卡發(fā)出指令。板卡在接到軟件發(fā)出的指令后會(huì)發(fā)出PWM脈沖信號(hào)到數(shù)字信號(hào)處理器，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再發(fā)送給掃描振鏡系統(tǒng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，完成信號(hào)的傳輸，保證了激光加工與信號(hào)的同步。

2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)蛇皮紋路形狀，加工相應(yīng)的圖形，將蛇皮形狀規(guī)則化，可以近似看成正六邊形，因此對柱塞工件表面進(jìn)行正六邊形的加工，具體的加工圖形如圖4所示。

以右面的圖形進(jìn)行說明，橫向的距離表示要加工的總長度，這個(gè)距離根據(jù)實(shí)際的加工需要進(jìn)行設(shè)置；豎向的距離表示柱塞工件截面外圓的周長，柱塞直徑可以根據(jù)國標(biāo)進(jìn)行選擇；六邊形的大小需要根據(jù)ANSYS的漏失量仿真進(jìn)行確定，不同大小的六邊形進(jìn)行漏失量的仿真時(shí)漏失量會(huì)不同，而對柱塞工件表面復(fù)雜圖形的加工的要求漏失量比光滑的柱塞工件小；同理六邊形之間的槽寬、槽深也需要進(jìn)行ANSYS的仿真。

2.1 旋轉(zhuǎn)拼接加工實(shí)驗(yàn)

由于激光加工系統(tǒng)的加工范圍的限制（加工范圍為110 mm*110 mm），因此對于長度超過110 mm的柱塞類工件需要拼接加工。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)拼接加工實(shí)驗(yàn)的研究

(1) 同軸度的調(diào)節(jié)

同軸度的調(diào)節(jié)是指盡量減少兩個(gè)相鄰的軸的錯(cuò)位情況，使每個(gè)軸在正常運(yùn)行的情況下，處于同一個(gè)中心線上。對于長度比較長的柱塞類工件，如果同軸度得不到保證，那么在相同的參數(shù)下，加工的情況就會(huì)不同，靠近三抓卡盤的那端剛好拼接上，而遠(yuǎn)離三抓卡盤的那一端會(huì)出現(xiàn)縫隙等現(xiàn)象，因此同軸度對于這個(gè)激光加工是非常重要的。

同軸度的調(diào)節(jié)主要用到千分表以及磁力表座，具體的步驟如下：

步驟1：將工件一端安裝到三抓卡盤上，一端固定在三維光學(xué)調(diào)整架上，用肉眼粗調(diào)一下同軸度。

步驟2：將兩個(gè)千分表用磁力表座固定好，分別放在被測軸的兩側(cè)。

步驟3：調(diào)整千分表的位置，使表針始端與被測軸接觸，并且保證千分表的示數(shù)為0。

圖4 加工的圖形Fig.4 Machined figure

步驟4：轉(zhuǎn)動(dòng)三抓卡盤，使其帶動(dòng)工件緩慢的繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察兩個(gè)千分表的讀數(shù)變化。

步驟5：根據(jù)千分表實(shí)際的讀數(shù)變化，調(diào)整三維光學(xué)調(diào)整架。

重復(fù)上述的步驟進(jìn)行同軸度的調(diào)整，直到兩個(gè)千分表的示數(shù)相同或者接近為止。

(2) 拼接加工的步驟

對同軸度調(diào)節(jié)完成后，進(jìn)行工件的拼接加工，工件的拼接加工包括兩個(gè)大步驟。步驟1：對工件進(jìn)行360度的封閉加工，指通過控制軟件的參數(shù)設(shè)置，完成柱塞工件的部分旋轉(zhuǎn)加工。步驟2：移動(dòng)激光系統(tǒng)，指在完成上述加工后，通過控制軟件的設(shè)置，利用平移導(dǎo)軌，帶動(dòng)激光系統(tǒng)平移指定的距離。整個(gè)拼接加工是步驟1和步驟2的循環(huán)加工。

(3) 旋轉(zhuǎn)加工的參數(shù)設(shè)置

旋轉(zhuǎn)加工主要是通過控制軟件對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的控制來完成加工的，主要的參數(shù)有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、分割尺寸等。每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)，通過下面的公式可以計(jì)算出所需要的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)：

X=(360/N)*n

其中X表示每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；N表示我們使用的電機(jī)的步距角；n表示驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的細(xì)分?jǐn)?shù)。由電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)、電機(jī)的減速比以及電機(jī)的步距角，設(shè)置每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為25600。

每轉(zhuǎn)移動(dòng)距離是指對工件加工一圈移動(dòng)的距離，即工件橫截面外圓的周長，由于工件的直徑已經(jīng)設(shè)置了，所以這里不用設(shè)置這個(gè)參數(shù)。

分割尺寸設(shè)置：分割尺寸是指拼圖加工時(shí)，與擴(kuò)展軸對應(yīng)的振鏡軸每次所加工的尺寸范圍，分割尺寸的大小對整個(gè)拼圖加工非常重要，它直接影響著拼圖加工的時(shí)間和效率。具體參數(shù)設(shè)置如圖5(a)和(b) 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)加工的參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter setting for rotation processing

分割尺寸設(shè)置越小，加工的效果越好，但是考慮到加工效率的問題，分割尺寸設(shè)置為1。工件直徑通過電子游標(biāo)卡尺直接測量。

（4）平移加工的參數(shù)設(shè)置

平移距離的參數(shù)設(shè)置也是通過對控制軟件的設(shè)置來完成的。運(yùn)動(dòng)步長相對于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)來說指的是當(dāng)用戶每一次按鍵平移擴(kuò)展軸時(shí)（或者每次旋轉(zhuǎn)加工完成后）要移動(dòng)的距離，相對于轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)來說指的是運(yùn)動(dòng)的圓周距離。所以運(yùn)動(dòng)步長是指旋轉(zhuǎn)拼接加工完成后所要移動(dòng)的距離，也是每次旋轉(zhuǎn)加工所要加工的軸向距離。Y軸的分割尺寸是平移導(dǎo)軌將激光系統(tǒng)平移的距離，分割尺寸不能設(shè)置太大，因?yàn)榧す饧庸は到y(tǒng)加工范圍的限制，設(shè)置太大會(huì)使加工的圖形失真，影響加工效果，也不能設(shè)置的太小，設(shè)置的太小，加工效率太低，需要的加工時(shí)間太長，可以根據(jù)自己的加工需要設(shè)置。

每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)也是根據(jù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器等參數(shù)來決定的，設(shè)置為25600。由于平移加工需要保證拼接的精度，因此選用伺服電機(jī)平移導(dǎo)軌，精度為2微米，完全滿足加工要求。具體參數(shù)如圖6(a) 和(b) 所示。

2.1.2 旋轉(zhuǎn)拼接加工

為了驗(yàn)證不同長度的拼接效果，設(shè)計(jì)出幾種不同長度的柱塞類工件，工件的材料是45號(hào)鋼，直徑為44.5 mm，長度分別為100 mm，300 mm和500 mm。設(shè)置Y軸分割尺寸為50 mm，這樣上述工件的軸向拼接次數(shù)依次是1次、5次和9次，設(shè)置X軸分割尺寸為3 mm，加工一圈需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)46次。

2.2 零件的加工與檢測

根據(jù)加工要求，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證加工效果。如圖7是激光加工裝置的實(shí)物圖，圖8是加工工件的成型圖，圖9是在金相顯微放大100倍后的圖，從圖9可以看出，在拼接處，不存在間隙、錯(cuò)位等現(xiàn)象，說明加工的工件符合要求。在圖9中，由于柱塞工件表面拼接處的檢測難以實(shí)現(xiàn)，所以采用平面拼接的形式，只要保證柱塞工件測量的準(zhǔn)確性，就能保證拼接效果。

圖6 平移距離的參數(shù)設(shè)置Fig.6 Parameter setting of translation distance

3 結(jié)論

本文針對柱塞類工件表面加工復(fù)雜圖形的問題，研制了激光加工系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)、平移導(dǎo)軌以及激光器的配合，完成加工。在加工過程中的難點(diǎn)是：① 信號(hào)干擾與屏蔽防護(hù)；② 工件和三爪卡盤的同軸度問題，只有同軸度得到保證，在加工的過程中，激光才會(huì)始終處在焦點(diǎn)處；③ 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和平移導(dǎo)軌的精度以及配合問題，關(guān)系到工件加工過程中的拼接精度。柱塞類激光加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究為復(fù)雜曲面類零件的加工提供了新思路，通過控制拼接精度該平臺(tái)可以在微納加工、人造骨骼等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖7 激光加工系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Laser processing system physical picture

圖8 激光加工過程圖Fig.8 Laser process diagram

圖9 加工效果檢測圖Fig.9 Processing effect test chart

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