激光微織構(gòu)設(shè)備的研究和開發(fā)*

錢振華 何彥虎

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

激光微織構(gòu)是近年來興起的一種激光微加工技術(shù)，其利用高能量的激光脈沖束，在工件工作表面加工出符合摩擦學(xué)特性的微米級表面織構(gòu)，如凹坑、溝槽和紋路等，以達(dá)到減輕磨損和延長使用壽命的目的。人們對激光微織構(gòu)技術(shù)的研究主要集中在數(shù)值模擬、工藝試驗和工程實際應(yīng)用等方面，尤其在滑動軸承、機(jī)床刀具、發(fā)動機(jī)缸套和機(jī)械密封環(huán)表面處理等領(lǐng)域是當(dāng)前的研究熱點[1-4]。華?？〉萚5]對柴油發(fā)動機(jī)缸套進(jìn)行了激光微織構(gòu)，并通過臺架試驗得出柴油發(fā)動機(jī)燃油消耗和機(jī)油消耗均有顯著降低的結(jié)論。王皓[6]采用 Nd:YAG 激光器在關(guān)節(jié)軸承表面進(jìn)行了激光微織構(gòu)并進(jìn)行了摩擦磨損試驗，結(jié)果顯示關(guān)節(jié)軸承表面摩擦系數(shù)在微織構(gòu)面積占有率20%時為最小。劉澤宇等[7]采用紫外激光在 Al2O3/TiC材料的陶瓷刀具表面進(jìn)行了微織構(gòu)工藝研究，得出了適宜的激光微織構(gòu)工藝參數(shù),提高了陶瓷刀具的使用壽命。

激光微織構(gòu)設(shè)備通常由激光發(fā)生裝置、工作臺、夾具、控制系統(tǒng)等部分組成。其中，控制系統(tǒng)是激光微織構(gòu)設(shè)備開發(fā)的核心，目前常用的有ARM+FPGA控制系統(tǒng)[8]、DSP系統(tǒng)[9]和五軸數(shù)控系統(tǒng)[10]等。ARM+FPGA即微處理器+現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，該控制系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、能夠脫離PC機(jī)獨立運行的優(yōu)點，但是控制程序開發(fā)較復(fù)雜。DSP即數(shù)字信號處理器，該系統(tǒng)具有接口方便、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，但同樣存在編程難度較大的問題。五軸數(shù)控系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)五軸數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的優(yōu)點，可直接讀取G代碼進(jìn)行加工，穩(wěn)定性好、精度高，但是其成本較高，一般用于復(fù)雜曲面的加工。運動控制卡是一種基于PC機(jī)的步進(jìn)/伺服電機(jī)控制單元，可用于位移、速度和加速度等多種運動控制場合，且技術(shù)成熟，成本較低，易于開發(fā)，適合用于激光微織構(gòu)設(shè)備的控制。

本文采用四軸聯(lián)動、帶I/O接口的運動控制卡，用于激光微織構(gòu)設(shè)備工作臺的運動控制和激光器的開關(guān)、功率控制。采用通用數(shù)控軟件，以讀取G/M代碼的方式實現(xiàn)了平板試樣、機(jī)械密封等工件表面激光微織構(gòu)的加工。

1 激光微織構(gòu)機(jī)理

激光微織構(gòu)的形成原理如圖1a所示。脈沖激光作用于不透明工件材料，在激光輻照區(qū)域?qū)l(fā)生能量吸收。當(dāng)激光能量密度大于材料的燒蝕閾值，激光輻照區(qū)域?qū)l(fā)生光熱效應(yīng)，使材料快速熔融和氣化，從而在工件表面發(fā)生燒蝕，并形成微凹坑織構(gòu)。當(dāng)這些微凹坑織構(gòu)以一定的重疊度進(jìn)行疊加后，就會形成微凹槽織構(gòu)。激光微織構(gòu)的形成與激光功率、波長、重復(fù)頻率、材料吸收率等參數(shù)有關(guān)，而微織構(gòu)加工的質(zhì)量主要取決于控制系統(tǒng)的精度。要得到理想的、符合摩擦學(xué)特性的激光微織構(gòu)，就需要開發(fā)專門的激光微織構(gòu)設(shè)備。

激光微織構(gòu)之所以能減輕工件磨損、延長使用壽命，其機(jī)理如圖1b所示。當(dāng)摩擦副之間產(chǎn)生相對滑動時，微織構(gòu)可以儲存一定的潤滑劑，對摩擦副接觸表面起到供油作用，形成流體動壓潤滑，提高了潤滑性能；另一方面，微織構(gòu)還能夠儲存工件在摩擦過程中脫落的微小磨粒，從而減輕了磨粒磨損。

2 激光微織構(gòu)設(shè)備硬件設(shè)計

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

激光微織構(gòu)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由激光頭、工作臺、X方向?qū)к?、Y方向?qū)к?、Z方向?qū)к?、旋轉(zhuǎn)軸和三爪卡盤等組成。工作臺安裝于Y方向?qū)к壣?，由Y方向伺服電機(jī)驅(qū)動；Z方向?qū)к壈惭b于X方向?qū)к壣?，由X方向伺服電機(jī)驅(qū)動；激光頭安裝于Z方向?qū)к壣希琙方向伺服電機(jī)帶動激光頭沿Z方向上下移動；三爪卡盤安裝于工作臺上，旋轉(zhuǎn)軸伺服電機(jī)帶動三爪卡盤旋轉(zhuǎn)。在X、Y、Z方向?qū)к壣暇b有極限行程限位傳感器，起到行程保護(hù)的作用。

X、Y方向?qū)к壘捎萌毡綯HK全鋼滑臺，有效行程為300 mm,導(dǎo)程10 mm；Z方向?qū)к壨瑯硬捎肨HK滑臺，有效行程為200 mm，導(dǎo)程10 mm?；_采用高精密C1級研磨滾珠絲杠，重復(fù)精度可達(dá)1 μm，保證了激光微織構(gòu)高精度的加工要求。

2.2 控制系統(tǒng)

激光微織構(gòu)設(shè)備控制系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)采用了ZKmotion四軸運動控制卡作為控制核心。該控制卡采用了雙核高速CPU(單核最高主頻204 MHz)，并可實現(xiàn)三軸聯(lián)動下1 000 kHz的脈沖輸出頻率，四軸聯(lián)動下750 kHz的脈沖輸出頻率。控制卡采用USB方式與PC機(jī)進(jìn)行通訊，支持所有Windows版本，且無需驅(qū)動。其自帶16路隔離輸入口和8路輸出口，并可通過RS485接口進(jìn)行擴(kuò)展。另外，該卡還具有PWM調(diào)速隔離輸出端口，可設(shè)PWM頻率，占空比在0～100%連續(xù)可調(diào)。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)選用了臺達(dá)ECMA系列交流伺服電機(jī)，功率為400 W，配備ASDA-B2型伺服電機(jī)驅(qū)動器。臺達(dá)伺服控制回路采用了高速數(shù)字信號處理器(DSP)，配合增益自動調(diào)整、指令平滑功能的設(shè)計以及軟件分析與監(jiān)控，可達(dá)到高速位移、精準(zhǔn)定位等運動控制需求。以X方向伺服驅(qū)動系統(tǒng)為例，與運動控制卡的接線圖如圖4所示。伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用位置控制，即脈沖+方向的控制方式，將運動控制卡的X_PU+、X_PU-脈沖控制信號分別接到伺服驅(qū)動器的43、41號端子，X_DIR+、X_DIR-方向控制信號分別接到伺服驅(qū)動器的39、37號端子。X方向的左、右限位開關(guān)可接入伺服驅(qū)動器的31、32號端子，當(dāng)超程時伺服驅(qū)動器會報警。同時，也可將左、右限位開關(guān)接入運動控制卡的輸入口IN1、IN2，并通過數(shù)控軟件進(jìn)行限位功能設(shè)定。

激光微織構(gòu)設(shè)備采用了調(diào) Q 脈沖光纖激光器作為加工光源，激光波長為1 064 nm，額定輸出功率20 W，重復(fù)頻率20～60 kHz。調(diào) Q 脈沖光纖激光器具有脈寬窄、峰值功率高、脈沖能量密度高等優(yōu)點，非常適合用于高硬度、高熔點的工件表面微織構(gòu)。聲光調(diào)Q是利用晶體的聲光相互作用原理，即聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成正弦相位光柵，當(dāng)光通過這樣的介質(zhì)時，發(fā)生布拉格衍射。聲光調(diào)Q開關(guān)主要由驅(qū)動電源、換能器、聲光介質(zhì)和吸聲材料等部分組成[12]。

調(diào) Q 脈沖光纖激光器的控制端為DB-25接口，針腳定義如表1所示。PIN1-8為激光器的功率設(shè)置端，可通過輸入引腳的不同高/低電平組合來設(shè)置不同的激光器功率；PIN18為主振蕩器開關(guān)信號控制端，PIN19為激光器的出光信號控制端，可通過運動控制卡的輸出端口O9-O12來控制激光的開關(guān)，且控制出光信號前必須先輸出主振蕩器開啟信號；PIN20為頻率調(diào)制信號輸入端，采用TTL電平，調(diào)制頻率的范圍為 20～60 kHz。

表1 激光器的控制端針腳定義

3 激光微織構(gòu)設(shè)備控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

激光微織構(gòu)設(shè)備控制系統(tǒng)軟件以Mach3軟件為平臺進(jìn)行開發(fā)，其操作界面如圖5所示。Mach3是美國 ArtSoft 公司開發(fā)的基于 Windows 平臺的通用數(shù)控軟件，最多可以控制6根軸，如通過線性插補(bǔ)調(diào)整所有軸的運動，在對4根軸進(jìn)行線性插補(bǔ)的同時可以對剩下的兩軸(不包括X、Y、Z軸)實現(xiàn)環(huán)形插補(bǔ)。該軟件可以控制包括銑床、車床在內(nèi)等多種機(jī)床，而激光微織構(gòu)設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與銑床類似，因而可以采用Mach3平臺進(jìn)行開發(fā)。

將運動控制卡與激光器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、外部I/O設(shè)備等連接好后，需要對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試，以便Mach3軟件能夠按照加工程序正確地驅(qū)動伺服系統(tǒng)，電機(jī)調(diào)試界面如圖6。單位脈沖SP(steps per)的計算公式為：

SP=P×N

(1)

式中：P為電機(jī)每轉(zhuǎn)需要產(chǎn)生的脈沖數(shù)；N為 電機(jī)單位轉(zhuǎn)數(shù)。

電機(jī)單位轉(zhuǎn)數(shù)即X/Y/Z軸移動一個單位電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)(r/mm)，其計算公式為：

N=N1×Ns/Nm

(2)

式中：N1為絲杠的單位轉(zhuǎn)數(shù)；Ns為絲杠端減速器的齒數(shù)；Nm為電機(jī)端減速器的齒數(shù)；由于絲杠的導(dǎo)程為10 mm，故絲杠的單位轉(zhuǎn)數(shù)N1為0.1 r/mm；電機(jī)端減速器的齒數(shù)Nm為 24，絲杠端減速器的齒數(shù)Ns為48；通過式(2)可計算出電機(jī)單位轉(zhuǎn)數(shù)N為0.2 r/mm。

臺達(dá)ECMA伺服電機(jī)編碼器為2 500線，且每產(chǎn)生一個正交信號就需要一個脈沖，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)需要產(chǎn)生的脈沖數(shù)P為10 000；由此可通過式(1)計算出單位脈沖SP為2 000。

Mach3軟件支持國際標(biāo)準(zhǔn)G/M代碼進(jìn)行數(shù)控編程，內(nèi)置了常用的功能，如G0快速定位、G1直線進(jìn)給、G2順時針圓弧插補(bǔ)、M0程序停止、M2程序結(jié)束、M3/M4主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)等。此外，Mach3軟件還支持自定義M代碼編程，在宏指令文件夾中編輯文件名為“Mxx.M1S”的文件，并進(jìn)行VB腳本的編寫即可實現(xiàn)自定義M代碼功能。

以激光器出光開關(guān)控制為例，首先定義M1000為開、M1001為關(guān)，并分別創(chuàng)建“M1000.M1S”和“M1001.M1S”文件；在Windows中采用記事本打開“M1000.M1S”和“M1001.M1S”文件，分別編寫如下VB代碼：

M1000.M1S:

'OUTPUT#3

ActivateSignal(9)

M1001.M1S:

'OUTPUT#3

DeActivateSignal(9)

編寫完成后，保存文件，在數(shù)控加工程序編寫過程中即可直接調(diào)用M1000、M1001功能，從而控制激光器出光。

4 結(jié)語

激光微織構(gòu)作為一種新型的加工手段，在摩擦副表面處理領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。其通過非接觸式加工，在工件表面織構(gòu)出符合摩擦學(xué)特性的微觀形貌，以達(dá)到提高工件使用壽命的目的，且不改變工件的機(jī)械性能。本文所開發(fā)的激光微織構(gòu)設(shè)備已經(jīng)投入工件試驗，在平板和機(jī)械密封表面進(jìn)行了微織構(gòu)加工，如圖7所示。通過平板工藝試驗，驗證了該設(shè)備的微凹坑織構(gòu)功能，微凹坑直徑可控制在50～100 μm，深度可控制在2～15 μm，并可根據(jù)要求調(diào)整微凹坑的間距、面積占有率等工藝參數(shù)；通過機(jī)械密封工藝試驗，驗證了該設(shè)備的微凹槽織構(gòu)功能，微凹槽寬度可控制在60～120 μm，深度可控制在6～20 μm，并可通過多條微凹槽的疊加而形成宏觀泵送槽，為零泄漏、非接觸式機(jī)械密封的研制提供了新途徑。有關(guān)試驗證明，激光微織構(gòu)能顯著改善機(jī)械密封的潤滑和摩擦特性，與無織構(gòu)的機(jī)械密封相比，激光微織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩最大可減小65%[13]。

經(jīng)過對激光微織構(gòu)設(shè)備在實際使用中各方面性能表現(xiàn)的分析，該系統(tǒng)具有操作簡便、開放性好、功能強(qiáng)等優(yōu)點，且開發(fā)難度和成本較低。此外，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還可以開發(fā)激光微織構(gòu)CAM系統(tǒng)，根據(jù)激光微織構(gòu)要求自動生成微織構(gòu)加工代碼，使操作更為便捷。