(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210923749.8 (22)申请日 2022.08.02 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 姜澜　张新闯　李欣　王猛猛　 王素梅　樊佳业　崔家铭　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 邬晓楠 (51)Int.Cl. B23K 26/70(2014.01) B23K 26/046(2014.01) B23K 26/14(2014.01) (54)发明名称 动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加 工方法及系统 (57)摘要 本发明公开的动压轴承等角螺旋槽飞秒激 光自动对焦加工方法及系统， 属于微纳加工技术 领域。 本发明包括时域整形模块、 空域整形模块、 频域整形模块、 激光直写模块、 五轴联动平台模 块、 同轴观测模块、 运动控制模块、 自动对焦模 块。 本发明测量待加工动压轴承尺寸； 对待加工 动压轴承进行三维建模； 确定与待测材料作用效 果最佳的激光波长； 利用外延法测量待测材料的 烧蚀阈值； 分析获取最优加工效果对应的激光参 数； 利用FPGA芯片、 自动对焦算法和相应的软硬 件程序， 完成三维曲面的自动对焦和三维轨迹重 建； 利用获取的激光参数， 设计并搭建光学加工 系统； 加保护气体， 使用高精度五轴运动平台、 优 化得到的激光参数、 光学系统和更新的代码， 飞 秒激光自动对焦加工动压轴承等角螺旋槽， 提高 在动压轴承 上加工等角螺旋槽的精度， 且提高加 工一致性和成品率。 权利要求书3页 说明书5页 附图2页 CN 115178903 A 2022.10.14 CN 115178903 A 1.动压轴承等角螺 旋槽飞秒激光自动对焦加工方法， 其特 征在于： 包括以下步骤， 步骤一、 利用千分尺、 圆度仪、 三坐标仪测量待加工动压轴承尺寸， 所述尺寸包括直径、 高度和圆度； 步骤二、 根据步骤一测量所得尺寸， 利用三维制图软件对待加工动压轴承进行三维建 模； 步骤三、 根据步骤二所建动压轴承模型， 利用三维制图软件设计激光加工轨迹， 并导出 轨迹代码； 步骤四、 利用稳态吸收光谱实验确定待加工动压轴承表面薄膜材料的光学常数， 确定 与待测材料作用效果最佳的激光波长； 所述光学常数包括吸收系数、 反射系数、 折射率； 所 述待测材 料作用效果包括槽底粗 糙度、 加工精度、 加工一 致性； 步骤五、 利用外延法， 测量待测材 料的烧蚀阈值； 步骤六、 研究待测材料的高斯光下的最优加工效果， 并分析获取最优加工效果所对应 的最佳加工物镜、 最佳重叠率和激光通量； 所述加工效果包括槽底粗糙度、 加工精度、 加工 一致性； 步骤七、 研究待测材料的飞秒激光脉冲时域响应， 并分析获取最优加工效果对应的最 佳延时时间； 所述加工效果包括槽底粗 糙度、 加工精度、 加工一 致性； 步骤八、 研究待测材料的飞秒激光脉冲空域响应， 并分析获取最优加工效果对应的最 佳光斑形状； 所述加工效果包括槽底粗 糙度、 加工精度、 加工一 致性； 步骤九、 综合步骤一至四的激光参数， 并分析获取最优加工效果对应的激光参数； 所述 加工效果包括槽底粗 糙度、 加工精度、 加工一 致性； 步骤十、 利用步骤九中获取的激光参数， 设计并搭建能够提供相应激光参数的光学加 工系统； 步骤十一、 基于高精度五轴运动平台和步骤九搭建的光学系统， 使用高分辨率的CCD工 业相机， 利用基于图像识别的自动对焦模块对对步骤三生成的代码进行补偿和校正， 并且 产生新的代码， 以保证加工过程中激光始终聚焦 在待加工表面上； 步骤十二、 加保护气体， 使用高精度五轴运动平台、 步骤九确定的激光参数、 步骤十搭 建的光学系统和步骤十一提供的新的代码， 完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加 工， 提高在动压轴承上加工等角螺 旋槽的精度， 且能够提高加工一 致性和成品率。 2.如权利要求1所述的动压轴 承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法， 其特征在于： 步骤三中， 根据步骤二所建模型， 利用UG软件设计激光加工 轨迹， 并导出轨 迹G代码。 3.如权利要求1所述的动压轴 承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法， 其特征在于： 作为优选， 所述代码选用G代码。 4.如权利要求1所述的动压轴 承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法， 其特征在于： 基于图像识别的自动对焦模块由高分辨率的CCD工业相机、 高精度五轴运动平台、 FPGA芯 片、 自动对焦算法和相应的软硬件程序构成； 所述自动对焦算法实现方法如下： 当相机完全聚焦时， 图像最清晰， 图像中的高频分量也最多， 突变像素与相邻像素的差 值也会变大， 基于这个原理对每一个像素水平右侧领域的两个灰度值相减再相乘， 再逐个 像素累加， 计算相邻两个 像素灰度差的平方， 公式如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115178903 A 2D(f)＝∑y∑x|f(x+2,y) ‑f(x,y)|2 其中： f(x,y)表示图像f对应 像素点(x,y)的灰度值， D(f)为图像清晰度； 自动对焦模块工作流 程如下： 第一， 用高分辨率CCD工业相机拍摄处于对焦状态下的待加工样品形貌， 并利用图像识 别算法计算D(f)， 设定此图像清晰度为标准值DS； 第二， 在步骤三中生 成的G代码， 根据代码 行数， 等间隔插入停止信号， 并运行， 然后利用高分辨率CCD工业相机， 在停止信号响应时， 拍摄待加工样品形貌， 并利用图像识别算法计算D(f)， 然后利用自动对焦算法及相应程序 和经过编程设计的FPGA芯片控制五轴平移台Z轴移动特定值， 再次拍摄， 再次计算D(f)， 循 环迭代至标准值DS， 完成自动对焦， 并返回五轴台Z轴变化量， 然后继续运行G代码至下一个 停止信号处， 继续下一次自动对焦计算； 第三， 所有停止信号处的自动对焦结束， 根据返回 的所有Z轴变化 量， 对G代码进行补偿和校正， 自动对焦过程结束。 5.如权利要求1所述的动压轴 承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法， 其特征在于： 步骤五中， 测量待测材 料的烧蚀阈值具体公式如下： 在选定的激光参数下， F0为峰值通量、 ω0位能量的空间分布为高斯分布的焦斑半径， r 为烧蚀坑半径， Fth为待加工材 料的加工阈值； 所述激光 参数包括激光波长、 脉宽、 重频率。 6.动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工系统， 用于实现如权利 要求1、 2、 3、 4或5 所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法， 其特征在于： 包括时域整 形模块、 空域整形模块、 频域整 形模块、 激光直写模块、 五轴联动平台模块、 同轴观测模块、 运动控制 模块、 自动对焦模块； 所述时域整形模块包括分束镜、 反射镜、 迈克尔逊干涉仪和双折射晶体， 以产生不同延 时的时域响应； 所述空域整形模块包括反射镜、 分束镜、 空间光调制器、 平顶整形透镜和光束质量分析 仪， 以产生 不同形状光斑的空域响应； 所述频域整形模块包括BBO倍频晶体、 滤光片和平凸透镜， 以产生不同激光波长的频域 响应； 所述激光直写模块包括二色相镜、 聚焦物镜和中性滤光片， 以对激光进行聚焦和能量 调节， 并按照控制指 令， 使激光焦点在整个加工过程中始终处于工件表面， 并且保证激光始 终与所加工平面或曲面垂直； 所述五轴联动平台模块包括， 专用夹具和XYZBC型五轴平移台， 以完成动 压轴承等角螺 旋槽激光加工； 所述同轴观测模块包括照明光源与工业相机， 其中， 照明单元， 用于为工业相机成像单 元提供所需照明光； 工业相机CCD， 用于为运动控制单元提供工件位置信息， 以及对整个加 工过程进行实时观察； 所述运动控制模块包括光快门、 平移台控制单元和激光器控制单元， 其中， 光快门， 用 于根据实际加工情况， 使用计算机控制光快门开闭， 以控制整 条光路开闭情况； 平移台控制 单元， 用于使用计算机控制五轴平移 台完成XYZBC五轴联动， 以根据设计轨迹完成加 工； 激权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115178903 A 3