可实现特殊激光微加工工艺的控制系统

    气缸／活塞环性能的优劣对发动机的工作性能具有重要影响，上世纪90年代，德国Gehring公司率先运用激光珩磨技术在汽缸孔表面加工出预定参数的网纹沟槽，随后，国内外研究人员的相关研究成果相继取得一定进展，但是，激光微加工技术一般是热熔性加工，在加工过程中会产生比较严重的热负面效应，因此，如何减小激光微加工过程中的热负面影响，成为激光微加工技术应用的关键，然而，在发动机气缸内表面整个行程区域，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。

    本研究在课题组前期研究成果基础上，基于声光调Q技术，拟研制可实现特殊激光微加工工艺的控制系统，满足单脉冲同点间隔多次激光微加工工艺要求，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。

1 气缸表面微观形貌的实现方法

    单脉冲同点间隔多次加工工艺是指在工件上同一点处所打的多个激光脉冲是通过多次反复间隔打出，加工原理参见文献，从而可在气缸内表面形成凹腔和网纹形貌。

    图1为气缸内表面加工凹腔示意图，图1中箭头表示激光脉冲，L1 为线距，即在同一圆周加工线上2个相邻凹腔之间的距离，L2 为点距，即相邻2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，那么先在I处圆周上加工，加工次序为1到10，待加工完毕，再加工第2次，加工次序为1′到10′，在I处圆周上加工完毕后，激光头向下进给点距L2，再按照上述方法重复加工，直至加工完所需长度。

图1　气缸内表面凹腔造型示意图

    网纹是由微凹腔以一定的重叠率叠加而成的，图2为气缸内表面网纹加工示意图，L1′为线距，即相邻2条网纹线之间的距离，L2′为点距，即同一网纹线上相邻2个凹腔之间的距离，角度α为网纹线与母线的夹角，类似于在气缸内表面凹腔造型方法，先在I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L2′cosα的运动，激光头到达Ⅱ处圆周后，根据角度α要求，激光头需要先做一定的偏移脉冲量（即激光头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，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。

图2　气缸内表面网纹造型示意图

2　设备系统构成及工作原理

    图3为激光微加工设备的系统结构图，激光器为二极管泵浦固体（DPSS）YAG激光器。

图3　激光微加工设备系统结构图

    由于加工对象（四缸孔发动机汽缸体）体积大、质量重，故设备采用工件固定不动、激光头既旋转又上下直线运动的加工控制方案，激光束从激光器发出，经过光路系统中的聚焦透镜聚焦后，再由激光头底部的全反镜反射到工件的加工表面，加工时，激光头作连续的旋转运动，通过计算机数控系统控制各轴的运动及激光器单个激光脉冲的输出，可使激光束与工件加工表面产生进给运动，形成各种类型、可控的微观形貌。
 

3　控制系统的硬件设计

    本课题组开发的激光微加工设备采用基于运动控制卡MC8041A和激光调Q控制卡的数控系统，运动控制卡MC8041A通过伺服驱动器控制各轴伺服电动机的运转，实现三维工作台的平移运动和激光头的旋转运动，安装在三维工作台上的直线光栅尺反馈工作台位置变化的脉冲信号给运动控制卡，实现系统的闭环控制，提高控制精度，安装在旋转主轴上的高精度增量式旋转编码器，输出反映激光头角位移变化量的脉冲信号给激光调Q控制卡，激光调Q控制卡对其进行计数、分频处理后，输出所需频率的激光调Q信号给调Q开光驱动器，由调Q开关驱动器控制声光Q开关，实现单个激光脉冲规律性的输出与关断，激光调Q控制卡外接的继电器可控制辅助气体气阀，控制系统原理如图4所示。

图4　控制系统原理图

    激光调Q控制卡由单片机和CPLD组成，能进行小数分频，其框架原理图如图5所示。

图5　激光调Q控制卡框架原理图

    图5中A′，B′表示来自增量式旋转编码器和直线光栅尺的A，B两相反馈信号，锁存器一的高两位信号用来选择外部运动反馈元件的脉冲信号，即选择其中一个反馈元件的脉冲信号作为源处理脉冲信号，同时，该锁存器的另外六位信号用作通用信号输出，控制设备的辅助装置，锁存器二的写入信号Q24和低四位信号主要用来选择并写入用户指令基地址，锁存器二的不同地址空间代表了不同的数据内容，主要为分频系数地址、激光总脉冲数地址、初始偏移脉冲数地址等，而不同基地址所对应的数据内容则写入到锁存器三中，以供单片机读取，单片机程序运算数据则反馈到缓冲器中，锁存器二信号Q25为启动信号，当该信号为有效信号时，激光调Q控制卡进入对反馈脉冲信号的计数、分频准备。

    激光调Q控制卡能对旋转编码器输出的，反映激光头初始零位置的Z相信号进行计数，当激光调Q控制卡接收到一个Z相信号后，激光调Q控制卡才会对旋转编码器输出的脉冲信号进行计数和分频处理，此时激光器才会以一定规律输出单个激光脉冲，激光调Q控制卡接收到一个Z相信号后，用来记录加工的重复次数，由此，我们可在同一点处实现重复多次的加工。
 

4 控制系统的软件设计

    控制系统软件是在VisualC＋＋软件基础上，利用动态链接库（DLL）技术，通过调用运动控制卡MC8041A和激光调Q控制卡中封装的库文件，来实现对底层硬件接口的访问，在C＋＋语言环境下编写的软件程序，通过调用运动控制卡和激光调Q控制卡中封装的函数，以VisualC＋＋软件开发的操作界面为平台，实现工作台三维平移运动，激光头转速运动，激光调Q信号的输出以及辅助气体气阀的控制。

    以气缸内表面激光微造型为例，说明激光单脉冲微加工软件的原理，假设激光头转速为n，r·min－1，旋转编码器旋转一圈产生ｐ个脉冲（经激光调Q控制卡四倍频之后），气缸孔内壁直径为d，mm，同一圆周上相邻凹腔之间的距离为τ，mm，那么，在一圆周上所打的凹腔数m（激光脉冲总数），取整为***

    一般情况下，分频系数δ不会是整数，如果δ取整，则最后一个凹腔与第一个凹腔之间的距离将大于τ，凹腔的形貌不能均匀分布，为了使凹腔形貌能均匀分布，采用小数分频的方法，可将最后一个凹腔与第一个凹腔之间的距离总比τ大的那段距离作均匀化处理，显然，在同一圆周上打的m个激光脉冲不能全部按照δ进行分频，假定m个脉冲中，有i个按照δ分频，剩下的ｊ个按照（δ＋1）分频，则有下列方程组：

    δ分频和（δ＋1）分频是交替进行的，也就是说激光调Q控制卡第1次数了δ个旋转编码器反馈脉冲后产生一个激光调Q脉冲信号，第2次就数（δ＋1）个反馈脉冲生成第2个激光调Q脉冲信号。

    由上节内容可知，激光调Q控制卡锁存器二中不同的地址代表了不同的数据内容，根据加工要求，将上述加工参数通过VisualC＋＋软件开发的操作界面输入到相应的地址中去，就可实现不同参数形貌的造型，图6为控制系统的加工流程图。

图6　控制系统加工流程图

5　试验验证

    利用所开发的激光微加工设备的控制系统对气缸内表面进行凹腔造型和网纹造型的试验，图7为激光微加工设备对气缸内表面进行激光微加工。

图7　激光微加工设备加工气缸内表面

    图8为扫描电镜下拍摄的气缸内表面造型图。

图8　扫描电镜下的汽缸内表面造型图

    试验表明：设备控制系统能对激光器单个激光脉冲的输出及机械运动系统实现较好的协调联动，满足既定的单脉冲同点间隔多次激光微加工工艺。

6 结论

    1）以气缸内表面为加工对象，基于半导体二极管泵浦YAG激光器的声光调Q技术，运用运动控制卡MC8041A和自制的激光调Q控制卡研制出可实现特殊激光微加工工艺的激光微加工设备控制系统。

    2）运动控制卡实现激光微加工设备机械部件的运动，激光调Q控制卡接收旋转编码器的反馈脉冲，并对其进行计数、分频处理，输出所需激光调Q信号，最终实现单个激光脉冲的规律性输出。

    3）以VisualC＋＋软件开发的操作界面为平台，实现设备机械运动系统与激光器单个激光脉冲输出控制的协调联动，并对其进行试验验证，试验表明：所开发的控制系统满足单脉冲同点间隔多次加工工艺，且加工后的工件表面具有高质量、形貌参数精确可控的特点。