《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》是江蘇大學於2011年4月1日申請的專利，該專利的申請號為201110081322X，公布號為CN102179630A，授權公布日為2011年9月14日，發明人是符永宏、潘國平、華希俊、康正陽、符昊。
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》涉及雷射表面微造型技術領域，特指一種用於發動機汽缸內表面的雷射微加工裝置及其加工方法。該裝置加工的對象是發動機汽缸體，由於加工對象形狀不規則，體積、質量較大，故採用工件固定、雷射頭既旋轉又上下直線運動的加工方案。雷射束從雷射器內部光路輸出，經過外光路系統後由雷射頭裡的聚焦透鏡聚焦後再由全反鏡折返到工件加工表面。藉助於數控系統對工作檯各軸運動控制以及雷射器單脈衝輸出控制的協調聯動，使雷射器在規定的時間、規定的加工點輸出單個雷射脈衝，實現工件表面雷射微加工。
2016年12月7日，《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法
- 公布號：CN102179630A
- 授權日：2011年9月14日
- 申請號：201110081322X
- 申請日：2011年4月1日
- 申請人：江蘇大學
- 地址：江蘇省鎮江市京口區學府路301號
- 發明人：符永宏、潘國平、華希俊、康正陽、符昊
- Int.Cl.：B23K26/36(2006.01)I；B23K26/04(2006.01)I；B23K26/08(2006.01)I；B23K26/14(2006.01)I；B23K26/42(2006.01)I
- 代理機構：南京知識律師事務所
- 代理人：汪旭東
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
雷射表面微造型技術以其加工速度快、成本低、無污染、非接觸式、無工具磨損、優良的尺寸控制精度等優點而受到廣泛的套用。專利申請公開號為CN1857844A的中國專利公開了一種摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備。在此專利中，採用工件夾持旋轉、雷射頭上下運動的加工方案。倘若工件體積、質量較大，這種加工方案就難以使雷射脈衝與工件表面產生耦合，帶來加工局限性。發動機氣缸表面雷射微加工裝置採用工件固定、雷射頭即旋轉又上下運動的加工方案，完全不受工件體積、質量所帶來的影響。
雷射表面微造型技術大都採用脈衝雷射加工的方式，由於一個雷射脈衝所能去除的材料有限，為了達到表面形貌要求的深度，就需要在同一點處打多個雷射脈衝。截至2011年4月，普遍的雷射微加工過程中，為了達到形貌深度要求，在同一點上的雷射脈衝是連續打出的。由於雷射微造型技術是雷射的熱效應加工，採用這種加工方式會帶來較嚴重的熱負面效應，使加工表面的形貌質量變差。發動機氣缸表面雷射微加工裝置利用雷射脈衝之間發出的時間間隔，使在同一點處需要打的幾個雷射脈衝有間隔重複地打出，成功實現在規定的加工點、規定的時間打出單個雷射脈衝。這種加工方法能很大程度地降低雷射微加工過程中所產生的熱負面效應，能在工件表面高效、高質量地加工出符合減磨潤滑機理的微觀形貌。
發明內容
專利目的
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》所要解決的技術問題是，採用工件固定不動、雷射頭既旋轉又上下直線運動的加工方案，解決了由於工件體積、質量較大所帶來的加工局限性。利用雷射脈衝之間發出的時間間隔，使得在同一點處的雷射脈衝有間斷的輸出，很大程度地降低了雷射微加工過程中所產生的熱負面效應。
技術方案
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》的發動機氣缸表面雷射微加工裝置包括由主機殼與右側機殼組成的外機殼部分、置於主機殼上的雷射器、主機殼內的高精度工作檯部分、旋轉通光進氣裝置部分、右側機殼內的計算機數控系統部分和右側機殼後的輔助系統部分。置於主機殼上的雷射器包括內部光路系統和外部光路系統。在雷射器內部光路系統中，沿著光路方向從右到左設定了後反鏡、聲光調Q開光、雷射器泵浦源、二向色鏡、倍頻晶體、輸出鏡、全反鏡、全反鏡、望遠鏡。雷射束從雷射器內部光路系統輸出，經過外部光路系統進入到旋轉通光進氣裝置。高精度工作檯由X、Y軸平面工作檯、Z軸立式工作檯及用於驅動各軸工作檯運動的X、Y、Z軸伺服電機組成。在X、Y、Z軸工作檯上分別安裝直線光柵尺，一個專用夾具固定在X、Y軸平面工作檯上。旋轉通光進氣裝置部分旨在實現雷射頭多角度均勻送氣，雷射頭旋轉的同時傳輸輔助氣體並保證良好的氣密性，雷射頭旋轉時保證較小的圓跳動，足夠的吹氣壓力去除加工表面的金屬殘渣，同時使雷射聚焦鏡和加工表面及時散熱。在Z軸立式工作檯上水平安裝一個懸臂樑，懸臂樑的右端開設一通孔，一個氣腔套筒經過這個通孔固定在懸臂樑的下端面。一根旋轉軸通過兩個密封軸承與氣腔套筒的內壁連線。氣體傳輸採用獨立式氣腔設計，即氣腔套筒不隨旋轉軸旋轉。圓環狀的上軸承壓蓋穿過旋轉軸固定在懸臂樑上端面，此圓環狀的上軸承壓蓋與懸臂樑上端面連線處設有密封圈，與上密封軸承之間設有氈圈，保證氣腔套筒上端面的密封。圓環狀的下軸承壓蓋穿過旋轉軸固定在氣腔套筒下端面，此圓環狀的下軸承壓蓋與氣腔套筒下端面連線處設有密封圈，與下密封軸承之間設有氈圈，保證氣腔套筒下端面的密封。上軸承壓蓋、旋轉軸、氣腔套筒、下軸承壓蓋之間就形成一個密閉腔。氣腔套筒外部開設一個氣腔進氣孔用於外部氣源氣體的輸入。懸臂樑的左端固定一個旋轉軸伺服電機，旋轉軸伺服電機通過同步帶的傳動驅動旋轉軸的旋轉，旋轉軸的轉速時刻保持與旋轉軸伺服電機一致。在旋轉軸的同軸方向安裝一個高精度增量式旋轉編碼器用於輸出反映旋轉軸轉動時角位移變化量的脈衝信號。在兩個密封軸承之間的那段旋轉軸外圓周表面上開設一定數量的通氣孔用作旋轉軸上的輸氣孔，這樣就能在旋轉軸旋轉的同時把輔助氣體通入到旋轉軸內部。在旋轉軸頂端放置一塊高透光度透鏡並用透鏡壓蓋固定。旋轉軸下端連線一個雷射頭，為了保證雷射頭旋轉同軸度以及雷射頭與旋轉軸連線處的密封性，旋轉軸與雷射頭的連線方式有莫氏錐度聯接和法蘭連線。在雷射頭的內部安裝一個聚焦透鏡用於對雷射束的聚焦，雷射頭的底部安裝一塊45°全反鏡用於將聚焦以後的雷射束反射到工件加工表面。聚焦透鏡插在一個聚焦透鏡套筒的插槽里，聚焦透鏡套筒的外徑小於雷射頭的內徑。聚焦透鏡套筒插在雷射頭內部，在雷射頭外表面上均勻開設3個螺紋孔，從三個螺紋孔旋入3個緊定螺釘與聚焦套筒接觸，從而固定聚焦透鏡在雷射頭內的位置。鬆開3個緊定螺釘，聚焦透鏡套筒可在雷射頭的軸向位置實現移動，從而改變聚焦焦點的位置。聚焦透鏡套筒與雷射頭內壁之間留有的空隙用作傳輸輔助氣體。雷射束經雷射頭裡的聚焦透鏡聚焦，由雷射頭底部的45°全反鏡反射後，從雷射頭出光出氣孔射出。右側機殼內的計算機數控系統包括調Q開關驅動器、雷射器泵浦電源、上位工控機、X軸伺服驅動器、Y軸伺服驅動器、Z軸伺服驅動器及旋轉軸伺服驅動器。上位工控機內四軸三聯動運動控制卡分別與X、Y、Z軸伺服驅動器相連，通過各軸伺服驅動器控制相對應伺服電機的運轉，實現三維工作檯的平移運動以及旋轉軸的旋轉運動。高精度增量式旋轉編碼器、調Q開關驅動器分別與上位工控機內的雷射控制卡相連。雷射控制卡將高精度增量式旋轉編碼器反饋的脈衝處理後，輸出雷射控制信號給調Q開關驅動器，再由調Q開關驅動器控制聲光調Q開關，驅動雷射器輸出所需頻率的雷射脈衝。右側機殼後方放置的輔助系統包括輔助氣體和雷射器水冷機。加工過程中，輔助氣體能吹走熱效應所產生的熔渣，保證加工表面形貌質量。雷射器水冷機能把雷射器在工作過程中產生的熱量以水冷的方式轉換掉。
發動機氣缸表面雷射微加工裝置的數控系統是通過VisualC++軟體利用動態程式庫技術，調用四軸三聯動運動控制卡和雷射控制卡封裝的庫檔案來實現對底層硬體接口的訪問。通過利用面向對象的C++語言編寫的相應程式來實現工作檯的三維平動和雷射頭的旋轉運動，藉助於雷射控制卡對系統機械運動與雷射器單脈衝輸出的協同控制，使雷射器在規定的時間、規定的加工點輸出單個雷射脈衝，完成所需加工要求。
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》的發動機氣缸表面雷射微加工裝置的加工方法是按照如下步驟：
A、將工件固定於專用夾具上，打開控制系統，將工作檯調整到適當的位置，使雷射束聚焦以後的焦點落在工件加工表面；
B、在控制程式軟體加工界面設定具體的加工參數，打開輔助氣體開關，運行加工程式，雷射頭開始旋轉，雷射器輸出一定頻率的雷射脈衝；
C、當一個氣缸孔加工完畢以後，整個系統處於靜止狀態，利用工作檯的移動找到下一個氣缸孔的加工位置，開始加工；
D、當全部氣缸孔加工完畢以後，退出程式，關閉控制系統。
有益效果
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》能最大程度的降低雷射微加工過程中所產生的熱負面效應，實現對工件表面高效、高質量的微米量級任意形貌的微加工。
附圖說明
圖1是發動機氣缸表面雷射微加工裝置的框架示意圖。
圖2是所述的旋轉通光進氣裝置的結構示意圖。
圖3是旋轉軸上開設通氣孔的正面剖視圖。
圖4是旋轉軸上開設通氣孔的橫截面剖視圖。
圖5是旋轉軸與雷射頭莫氏錐度連線示意圖。
圖6是旋轉軸與雷射頭法蘭連線示意圖。
圖7是聚焦透鏡套筒在雷射頭內部固定的示意圖。
圖8是發動機氣缸表面雷射微加工裝置的雷射光路示意圖。
圖9是發動機氣缸表面雷射微加工裝置的加工方法流程圖。
圖中，1-主機殼；2-雷射器；3-調Q開關驅動器；4-雷射器泵浦電源；5-上位工控機；6-右側機殼；7-X軸伺服驅動器；8-Y軸伺服驅動器；9-Z軸伺服驅動器；10-旋轉軸伺服驅動器；11-導光管；12-專用夾具；13-工作平台；14-X軸光柵尺；15-Y軸伺服電機；16-立柱；17-Z軸伺服電機；18-Z軸直線導軌；19-Z軸立式工作檯；20-Z軸光柵尺；21-Y軸直線導軌；22-Y軸光柵尺；23-X軸直線導軌；24-X軸伺服電機；25-底座；26-透鏡壓蓋；27-高透光度透鏡；28-高精度增量式旋轉編碼器；29-旋轉軸；30-同步帶輪A；31-上軸承壓蓋；32-密封圈A；33-氈圈A；34-密封軸承A；35-密封軸承B；36-密封圈B；37-下軸承壓蓋；38-氈圈B；39-雷射頭；40-聚焦透鏡；41-45°全反鏡；42-雷射頭出光出氣孔；43-同步帶輪B；44-旋轉軸伺服電機；45-懸臂樑；46-氣腔進氣孔；47-氣腔套筒；48-同步帶；49-O型密封圈；50-聚焦透鏡套筒；51-緊定螺釘A；52-緊定螺釘B；53-緊定螺釘C；54-後反鏡；55-聲光調Q開關；56-雷射器泵浦源；57-二向色鏡；58-倍頻晶體；59-輸出鏡；60-全反鏡A；61-全反鏡B；62-望遠鏡；63-方向可調全反鏡。
技術領域
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》涉及摩擦副表面雷射微造型技術（Surface Laser Micro-Texturing），特指一種用於發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法。
權利要求
1.發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，由外機殼部分、雷射器（2）、高精度工作檯部分、旋轉通光進氣裝置部分、計算機數控部分和輔助系統部分組成；所述外機殼部分包括主機殼（1）和右側機殼（6）；所述雷射器（2）位於主機殼（1）上方，包括雷射器內光路系統和雷射器外光路系統；所述高精度工作檯部分包括底座（25）、X軸直線導軌（23）、X軸伺服電機（24）、Y軸直線導軌（21）、Y軸伺服電機（15）、Z軸直線導軌（18）、Z軸伺服電機（17）、工作平台（13）、Z軸立式工作檯（19）、X軸光柵尺（14）、Y軸光柵尺（22）、Z軸光柵尺（20）、立柱（16）和專用夾具（12）；底座（25）置於主機殼（1）內部，在底座（25）上用螺栓固定X軸直線導軌（23），X軸伺服電機（24）安裝在X軸直線導軌（23）底座上，所述X軸伺服電機（24）通過滾珠絲槓驅動Y軸直線導軌（21）和工作平台（13）沿X軸直線導軌（23）做左右移動；Y軸伺服電機（15）安裝在Y軸直線導軌（21）底座上，所述Y軸伺服電機（15）通過滾珠絲槓驅動工作平台（13）沿Y軸直線導軌（21）做前後移動；在工作平台上設定專用夾具（12）；立柱（16）與底座（25）豎直連線；Z軸直線導軌（18）固定在立柱（16）上，Z軸伺服電機（17）固定在Z軸直線導軌（18）底座上，所述Z軸伺服電機（17）通過滾珠絲槓驅動Z軸立式工作檯（19）在豎直方向做上下運動；所述的旋轉通光進氣裝置部分包括懸臂樑（45）、氣腔套筒（47）、上軸承壓蓋（31）、下軸承壓蓋（37）、旋轉軸（29）、密封軸承A（34）、密封軸承B（35）、旋轉軸伺服電機（44）、同步帶輪A（30）、同步帶輪B（43）、同步帶（48）、高精度增量式旋轉編碼器（28）、高透光度透鏡（27）、透鏡壓蓋（26）、雷射頭（39）、聚焦透鏡套筒（50）、45°全反鏡（41）和雷射頭出光出氣孔（42）；所述懸臂樑（45）通過螺栓連線水平安裝在Z軸立式工作檯（19）上，懸臂樑（45）的右端開一個通孔，所述氣腔套筒（47）經過該通孔通過螺栓聯接固定在懸臂樑（45）的下端面；所述旋轉軸（29）穿過氣腔套筒（47），通過密封軸承A（34）和密封軸承B（35）與氣腔套筒（47）內壁連線；所述上軸承壓蓋（31）為圓環狀且與旋轉軸（29）同軸，套在旋轉軸（29）上通過螺栓連線固定在懸臂樑（45）的上端面；所述下軸承壓蓋（37）為圓環狀且與旋轉軸（29）同軸，套在旋轉軸（29）上通過螺栓連線固定在氣腔套筒（47）的下端面；所述密封軸承A（34）和密封軸承B（35）的內圈與旋轉軸的連線為（29）過盈配合，隨旋轉軸（29）轉動；所述密封軸承A（34）和密封軸承B（35）的外圈與氣腔套筒（47）的內壁的連線為過盈配合，不隨旋轉軸（29）轉動；所述密封軸承A（34）與上軸承壓蓋（31）之間設有氈圈A（33），所述上軸承壓蓋（31）與懸臂樑上端面連線處設有密封圈A（32）；所述密封軸承B（35）與下軸承壓蓋（37）之間設有氈圈B（38），所述下軸承壓蓋（37）與氣腔套筒下端面連線處設有密封圈B（36）；所述氣腔套筒（47）、上軸承壓蓋（31）、下軸承壓蓋（37）和旋轉軸（29）之間形成一個密閉腔；所述氣腔套筒（47）上開設一氣腔進氣孔（46），所述氣腔進氣孔（46）與外部氣源連線，為整個系統供氣；在所述旋轉軸（29）與密封軸承A（34）、密封軸承B（35）配合的中間段面上開設12~14個通氣孔，輔助加工氣體經過這些通氣孔進入旋轉軸（29）內部；所述同步帶輪A（30）安裝在上軸承壓蓋（31）上方的旋轉軸（29）上；在懸臂樑（47）的左端固定一個旋轉軸伺服電機（44），所述旋轉軸伺服電機（44）的旋轉主軸上安裝同步帶輪B（43），所述同步帶輪B（43）與同步帶輪A（30）的傳動比為1:1，且在同一水平高度；所述旋轉軸伺服電機（44）轉動時，通過同步帶（48）的傳動驅動旋轉軸（29）的轉動，旋轉軸（29）的轉速時刻保持與旋轉軸伺服電機（44）轉速一致；同步帶輪A（30）上方的旋轉軸（29）上安裝一個高精度增量式旋轉編碼器（28），當旋轉軸（29）轉動時，所述高精度增量式旋轉編碼器（28）輸出反映旋轉軸角位移變化量的脈衝信號；所述旋轉軸（29）的頂端設定一塊高透光度透鏡（27），並通過透鏡壓蓋（26）與旋轉軸（29）的螺紋連線將其固定，所述透鏡壓蓋（26）與旋轉軸（29）之間設有O型密封圈；在所述旋轉軸（29）的下端安裝雷射頭（39）；所述聚焦透鏡套筒（50）的外徑小於雷射頭（39）內徑，並設有插槽，將聚焦透鏡（40）插在聚焦透鏡套筒（50）的插槽中，聚焦透鏡（40）的軸心在聚焦透鏡套筒（50）的軸心線上，聚焦透鏡套筒（50）插入雷射頭（39）中；所述聚焦透鏡套筒（50）的外圓周有三個均勻分布的凸台，凸台與雷射頭（39）內表面是間隙配合；所述聚焦透鏡套筒（50）與雷射頭（39）之間留有的空隙傳輸輔助氣體；在雷射頭（39）外表面上每隔120開設3個螺紋孔，從三個螺紋孔旋入的三個緊定螺釘A（51）、B（52）、C（53）與聚焦透鏡套筒（50）接觸；所述45°全反鏡（41）置於雷射頭的底部，雷射頭出光出氣孔（42）開設於雷射頭的底部，所述雷射頭出光出氣孔（42）正對指向45°全反鏡（41）；雷射束經雷射頭裡的聚焦透鏡（40）聚焦以後，再由雷射頭底部的45°全反鏡（41）反射後從雷射頭出光出氣孔（42）射出。
2.根據權利要求1所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，在所述雷射器內部光路系統中，沿著光路方向從右到左設定了後反鏡（54）、聲光調Q開光（55）、雷射器泵浦源（56）、二向色鏡（57）、倍頻晶體（58）、輸出鏡（59）、全反鏡A（60）、全反鏡B（61）、望遠鏡（62）；所述倍頻晶體（58）把從雷射器泵浦源（56）發射出來的1064納米的雷射倍頻成波長為532納米的雷射；所述望遠鏡（62）把入射的雷射束變成平行光，使雷射束入射聚焦透鏡（40）的光斑直徑變小；所述雷射器外光路系統包括方向可調全反鏡（63）和導光管（11），所述方向可調全反鏡（66）安裝於雷射器內部光路系統雷射輸出口的左端，在方向可調全反鏡（63）的下方固定導光管（11），所述導光管（11）指向旋轉軸（29）。
3.根據權利要求1所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述計算機數控系統置於右側機殼（6）內，從上到下依次設定調Q開關驅動器（3）、雷射器泵浦電源（4）、上位工控機（5）、X軸伺服驅動器（7）、Y軸伺服驅動器（8）、Z軸伺服驅動器（9）和旋轉軸伺服驅動器（10）；上位工控機（5）的ISA匯流排上插有雷射控制卡和四軸三聯動運動控制卡；所述四軸三聯動運動控制卡與X軸伺服驅動器（7）、Y軸伺服驅動器（8）、Z軸伺服驅動器（9）和旋轉軸伺服驅動器（10）進行信號聯繫，驅動X軸伺服電機（24）、Y軸伺服電機（15）、Z軸伺服電機（17）和旋轉軸伺服電機（44）的運轉；所述雷射調Q控制卡能接收高精度增量式旋轉編碼器（28）輸出的、反映雷射頭（39）角位移變化量的脈衝信號，並將其分頻處理後輸出所需頻率的雷射控制信號給調Q開關驅動器（3），所述調Q開光碟機動器（3）控制聲光調Q開關（55），驅動雷射器（2）輸出相對應頻率的雷射脈衝。
4.根據權利要求1所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述輔助系統部分包括輔助氣體和雷射器水冷機；所述雷射器水冷機置於右側機殼（6）的後下方內部；所述輔助氣體為壓縮氮氣，置於右側機殼（6）右側方。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述旋轉軸（29）和雷射頭（39）的連線方式為莫氏錐度連線；在旋轉軸（29）下端和雷射頭（39）內表面設定相互配合的錐度端面，裝配時，將雷射頭（39）與旋轉軸（29）配合，利用配合處相互之間的摩擦力將雷射頭（39）固定。
6.根據權利要求1、2、3或4所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述旋轉軸（29）和雷射頭（39）的連線方式為法蘭連線；旋轉軸（29）與雷射頭（39）分別做成法蘭盤形狀，在法蘭盤上開設對稱角度的法蘭孔，在旋轉軸（29）和雷射頭（39）的法蘭結合部位嵌入一個O形密封圈（49），保證連線部位的氣密性。
7.根據權利要求1、2、3或4所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述旋轉軸上開設的通氣孔的橫截面直徑選為5毫米，方向一律延旋轉軸切線方向並且與水平線呈30～45夾角，每層開設4個通氣孔；開孔數目為開孔層數與每層開孔數目的乘積，相鄰兩層之間的距離為15毫米。
8.根據權利要求1、2、3或4所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述懸臂樑（45）是由六塊硬質鋁合金板構成的一個長方形腔體，懸臂樑（45）的高度為6~7厘米，寬度與長度的比為1:5~1:6。
9.根據權利要求1、2、3或4所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置，其特徵在於，所述氣腔套筒（47）的高度為懸臂樑（45）高度的2~3倍。
10.利用權利要求1所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置的加工方法，其特徵在於，將工件固定於專用夾具（12）上，打開控制系統程式，將工作檯調整到適當的位置，使雷射束聚焦以後的焦點落在工件加工表面；在控制程式軟體加工界面設定具體的加工參數，打開輔助氣體開關，運行加工程式；雷射頭（39）開始旋轉，雷射器（2）輸出一定頻率的雷射脈衝；當一個氣缸孔加工完畢以後，整個系統處於靜止狀態，利用工作檯的移動找到下一個氣缸孔的加工位置，開始加工；當全部氣缸孔加工完畢以後，退出程式，關閉控制系統。
11.根據權利要求10所述的發動機汽缸表面雷射微造型加工方法，其特徵在於，對加工的重複次數可進行計數，根據不同的形貌要求，可設定不同的加工重複次數；在一圓周上的重複加工次數完畢以後，雷射頭（39）需要做一個向下的進給量；在雷射頭（39）作進給運動過程中，雷射頭（39）一直在旋轉，但此時雷射控制卡不工作，沒有雷射脈衝輸出；當雷射頭（39）到達下一個加工圓周后，雷射器（2）才會分頻輸出雷射脈衝。
12.根據權利要求10所述的發動機汽缸表面雷射微造型加工方法，其特徵在於，當加工完一個氣缸孔後，需要通過調整工作檯來找到下一個氣缸孔的加工位置；在X、Y、Z軸工作檯上分別安裝有X軸直線光柵尺（14）、Y軸直線光柵尺（22）和Z軸直線光柵尺（20）；當工作檯運動時，所述X軸直線光柵尺（14）、Y軸直線光柵尺（22）和Z軸直線光柵尺（20）輸出反映工作檯位置的信號脈衝給四軸三聯動運動控制卡，實現系統的閉環控制，提高系統的運動控制精度；在此基礎下，通過平移工作檯的方法能很好地找到下一個氣缸孔的加工位置。
實施方式
所述的發動機氣缸表面雷射微加工裝置由外機殼部分、雷射器2、高精度工作檯部分、旋轉通光進氣裝置部分、計算機數控部分和輔助系統部分組成，所述發動機氣缸表面雷射微加工裝置的結構框架如圖1所示。
外機殼部分由主機殼1和右側機殼6構成。高精度工作檯部分包括底座25、X軸直線導軌23、X軸伺服電機25、Y軸直線導軌21、Y軸伺服電機15、Z軸直線導軌18、Z軸伺服電機17、工作平台13、Z軸立式工作檯19、X軸光柵尺14、Y軸光柵尺22、Z軸光柵尺20和立柱16。底座25置於主機殼1內部，在底座25上面用螺栓固定X軸直線導軌23，X軸伺服電機24安裝在X軸直線導軌23底座上，X軸伺服電機24通過滾珠絲槓驅動Y軸直線導軌21和工作平台13沿X軸直線導軌23做左右移動。Y軸伺服電機15安裝在Y軸直線導軌21底座上，Y軸伺服電機15通過滾珠絲槓驅動工作平台13沿Y軸直線導軌21做前後移動。在工作平台上設定專用夾具12。立柱16與底座25豎直連線。Z軸直線導軌18固定在立柱16上，Z軸伺服電機17固定在Z軸直線導軌18底座上，Z軸伺服電機17通過滾珠絲槓驅動Z軸立式工作檯19在豎直方向做上下直線運動。
圖2為旋轉通光進氣裝置的結構示意圖，所述旋轉通光進氣裝置包括懸臂樑45、氣腔套筒47、上軸承壓蓋31、下軸承壓蓋37、旋轉軸29、密封軸承A34、密封軸承B35、旋轉軸伺服電機44、同步帶輪A30、同步帶輪B43、同步帶48、高精度增量式旋轉編碼器28、高透光度透鏡27、透鏡壓蓋26、雷射頭39、聚焦透鏡套筒50、45°全反鏡41和雷射頭出光出氣孔42。懸臂樑45是由六塊硬質鋁合金板構成的一個長方形腔體，懸臂樑45的高度為6~7厘米，寬度與長度的比為1:5~1:6。懸臂樑45通過螺栓連線水平安裝在Z軸立式工作檯19上，懸臂樑45右端開一個通孔，一個氣腔套筒47經過這個通孔通過螺栓連線固定在懸臂樑45的下端面，氣腔套筒47的高度為懸臂樑45高度的2~3倍。旋轉軸29穿過氣腔套筒47，通過密封軸承A34和密封軸承B35與氣腔套筒47內壁連線。密封軸承A34和密封軸承B35的內圈與旋轉軸29的連線方式為過盈配合，隨旋轉軸29轉動。密封軸承A34和密封軸承B35的外圈與氣腔套筒17的連線方式為過盈配合，不隨旋轉軸29旋轉。圓環狀的上軸承壓蓋31與旋轉軸29同軸，套在旋轉軸29上，通過螺栓連線固定在懸臂樑45的上端面。圓環狀的下軸承壓蓋37與旋轉軸29同軸，套在旋轉軸29上，通過螺栓連線固定在氣腔套筒47的下端面。密封軸承A34與上軸承壓蓋31之間設有氈圈A33，上軸承壓蓋31與懸臂樑上端面連線處設有密封圈A32。密封軸承B35與下軸承壓蓋37之間設有氈圈B38，下軸承壓蓋37與氣腔套筒下端面連線處設有密封圈B36。氣腔套筒47、上軸承壓蓋31、下軸承壓蓋37和旋轉軸29之間形成一個密閉腔。氣腔套筒47上開設一氣腔進氣孔46，此氣腔進氣孔46與外部氣源連線，為整個系統供氣。在旋轉軸29與密封軸承A34、密封軸承B35配合的中間段面上開設12~14個通氣孔，輔助加工氣體經過這些通氣孔進入旋轉軸29內部。圖3為在旋轉軸上開設通氣孔的正面剖視圖，圖4為在旋轉軸上開設通氣孔的橫截面剖視圖，所開通氣孔的橫截面直徑選為5毫米，方向一律延旋轉軸切線方向並且與水平線呈30～45夾角，每層開設4個通氣孔，開孔數目為開孔層數與每層開孔數目的乘積，相鄰兩層之間的距離為15毫米。同步帶輪A30安裝在上軸承壓蓋31上方的旋轉軸29上。懸臂樑45左端固定一個旋轉軸伺服電機44，旋轉軸伺服電機44的旋轉主軸上安裝一個同步帶輪B43，同步帶輪B43與同步帶輪A30的傳動比為1:1，且同步帶輪B43與同步帶輪A30在同一水平高度上。旋轉軸伺服電機44轉動時，通過同步帶48的傳動驅動旋轉軸29轉動，旋轉軸29的轉速時刻保持與旋轉軸伺服電機44轉速一致。同步帶輪A30上方的旋轉軸29上安裝一個高精度增量式旋轉編碼器28。當旋轉軸轉動時，高精度增量式旋轉編碼器28輸出反映旋轉軸29角位移變化量的脈衝信號。旋轉軸29的頂端設定一塊高透光度透鏡27，並通過透鏡壓蓋26與旋轉軸29的螺紋連線將其固定，透鏡壓蓋26與旋轉軸29之間設有O型密封圈。
在旋轉軸29的下端安裝一個雷射頭39，為了保證雷射頭39旋轉時的同軸度以及雷射頭與旋轉軸連線處的密封性，雷射頭39與旋轉軸29的連線方式有2種。圖5為旋轉軸29和雷射頭39莫氏錐度連線示意圖，雷射頭內部的聚焦透鏡未畫出。在旋轉軸下端和雷射頭內表面加工出相互配合的錐度端面，裝配時將雷射頭39與旋轉軸29配合，利用配合處相互之間的摩擦力可以將雷射頭39固定。圖6為旋轉軸29和雷射頭39法蘭連線示意圖，雷射頭內部的聚焦透鏡未畫出，旋轉軸29與雷射頭39分別做成法蘭盤形狀，在法蘭盤上開設對稱角度的法蘭孔，在旋轉軸29和雷射頭39的法蘭結合部位嵌入一個O形密封圈49，保證連線部位的氣密性。
對於加工不同缸徑的工件，需要改變雷射聚焦以後焦點所在的位置，這就要求雷射頭裡的聚焦透鏡40在軸向方向可以調節位置。為了實現這一目的，所採用的技術方案是：如圖7所示，一個外徑小於雷射頭39內徑的聚焦透鏡套筒50，聚焦透鏡套筒50上設有插槽，聚焦透鏡40插在插槽里，聚焦透鏡40的軸心在聚焦透鏡套筒50的軸心上。聚焦透鏡套筒50的外圓周上設有三個均勻分布的凸台，凸台與雷射頭內表面是間隙配合。聚焦透鏡套筒50插入雷射頭39中，聚焦透鏡套筒50與雷射頭39內徑之間留有的空隙用作傳輸輔助氣體。在雷射頭39外表面上每隔120開設3個螺紋孔，從三個螺紋孔旋入的三個緊定螺釘A51、B52、C53與聚焦透鏡套筒50接觸，固定聚焦透鏡套筒50在雷射頭39中的位置。調焦時，預先算好聚焦透鏡40在豎直方向的位移，然後將調節尺塞伸入雷射頭39，輕抵聚焦透鏡套筒50，鬆開緊定螺釘A51、B52、C53，此時聚焦透鏡套筒50由調節尺塞支撐，改變調節尺塞在豎直方向的位置最後重新擰緊緊定螺釘A51、B52、C53將聚焦透鏡40固定在新的位置。45°全反鏡41置於雷射頭39的底部，雷射頭出光出氣孔42開設於雷射頭39的底部，雷射頭出光出氣孔42正對指向45°全反鏡41。雷射束經雷射頭裡的聚焦透鏡40聚焦以後，再由雷射頭底部的45°全反鏡41反射後從雷射頭出光、出氣孔42射出。
在所述發動機氣缸表面雷射微加工裝置的主機殼1上方放置雷射器2。雷射器2由內部光路系統和外部光路系統組成。雷射器為二極體泵浦固體（DPSS）YAG雷射器，其基本參數為：重複頻率為1千赫~50千赫，波長為532納米，輸出功率為大於3w。在雷射器內部光路系統中，沿著光路方向從右到左設定了後反鏡54、聲光調Q開光55、雷射器泵浦源56、二向色鏡57、倍頻晶體58、輸出鏡59、全反鏡A60、全反鏡B61、望遠鏡62。倍頻晶體58把從雷射器泵浦源56發射出來的1064納米的雷射倍頻成波長為532納米的雷射。望遠鏡62把入射的雷射束變成平行光，使雷射束入射聚焦透鏡40的光斑直徑變小。雷射器外光路部分包括方向可調全反鏡63和導光管11，方向可調全反鏡63安裝於雷射器內部光路系統的雷射輸出口左端，在方向可調全反鏡63的下方固定導光管11，導光管11指向旋轉軸29。整個系統的光路圖如圖8所示。
計算機數控系統置於右側機殼6內，從上到下依次放置調Q開關驅動器3、雷射器泵浦電源4、上位工控機5、X軸伺服驅動器7、Y軸伺服驅動器8、Z軸伺服驅動器9和旋轉軸伺服驅動器10。上位工控機5的ISA匯流排上插有雷射控制卡和四軸三聯動運動控制卡。四軸三聯動運動控制卡與X軸伺服驅動器7、Y軸伺服驅動器8、Z軸伺服驅動器9和旋轉軸伺服驅動器10進行信號聯繫，由X軸伺服驅動器7、Y軸伺服驅動器8、Z軸伺服驅動器9和旋轉軸伺服驅動器10向X軸伺服電機24、Y軸伺服電機15、Z軸伺服電機17和旋轉軸伺服電機44傳送方向信號和脈衝指令，驅動X軸伺服電機24、Y軸伺服電機15、Z軸伺服電機17和旋轉軸伺服電機44的運轉。當雷射頭39旋轉時，高精度增量式旋轉編碼器28輸出反映雷射頭角位移變化量的脈衝信號給雷射控制卡，經雷射控制卡倍頻、運算處理、分頻輸出所需頻率的雷射控制信號給調Q開關驅動器3，再由調Q開光碟機動器3控制聲光調Q開關55，驅動雷射器2輸出相對應頻率的雷射脈衝。
輔助系統部分由輔助氣體和雷射器水冷機組成。雷射器水冷機置於右側機殼6的後下方內部。輔助氣體為壓縮氮氣，置於右側機殼6右側方。
所述雷射微造型設備的數控系統是通過Visual C++軟體，利用動態程式庫技術，調用四軸三聯動運動控制卡和雷射控制卡封裝的庫檔案來實現對底層硬體接口的訪問。通過利用面向對象的C++語言編寫的相應程式來實現工作檯的三維平動以及雷射頭的旋轉運動，藉助於雷射控制卡對系統機械運動與雷射器單脈衝輸出的協同控制，使雷射器在規定的時間、規定的加工點輸出單個雷射脈衝，實現加工要求。
發動機氣缸表面雷射微加工裝置的加工方法流程如圖9所示，所述裝置在加工時的工作過程是這樣的：
將發動機汽缸體固定於專用夾具12上，調整工作檯位置，使雷射頭39處於正確的加工位置，打開氣閥，運行加工程式。此時雷射頭39作旋轉運動，高精度增量式旋轉編碼器28輸出反映雷射頭39角位移變化量的脈衝信號給雷射控制卡，經雷射控制卡運算處理後，輸出所需頻率的雷射控制信號給調Q開關驅動器3，從而驅動雷射器2輸出相對應頻率的雷射脈衝。這樣就實現了在氣缸表面圓周上的凹腔造型。
雷射控制卡可以對加工的重複次數進行計數，根據不同的形貌要求，可以設定不同的加工重複次數。在一圓周上的重複加工次數完畢以後，雷射頭39需要做一個向下的進給量，在雷射頭39作進給運動過程中，雷射頭39一直在旋轉，但此時雷射控制卡不工作，沒有雷射脈衝輸出。當雷射頭39到達下一個加工圓周后，雷射器2才會分頻輸出雷射脈衝。若是加工網紋斜線，雷射頭39需要做的向下進給量較小，到達下一加工圓周后不是馬上就有雷射脈衝輸出，而是根據不同的網紋角度要求，偏移一定數量的脈衝數後，才會輸出雷射脈衝。以此重複，直至加工完指定的加工長度。
當加工完一個氣缸孔後，需要通過調整工作檯來尋找下一個氣缸孔的加工位置。在X、Y、Z軸工作檯上安裝的X軸直線光柵尺14、Y軸直線光柵尺22、Z軸直線光柵尺20輸出反映工作檯位置的脈衝信號給四軸三聯動運動控制卡，實現系統的閉環控制，提高系統的運動控制精度。在此基礎下，通過平移工作檯的方法能很好地找到下一個氣缸孔的加工位置。
《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》的發動機氣缸表面的雷射微造型裝置加工方法是通過基於VC++軟體編寫的程式實現的。VC++軟體開發的操作平台具有很好的人機交換界面，利用動態程式庫技術（DLL）很好地把運動控制系統和雷射器控制系統協調聯動起來。
榮譽表彰
2016年12月7日，《發動機氣缸表面雷射微加工裝置及加工方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
