机器人辅助激光加工面齿轮表面微结构的轨迹规划与实验研究

为解决面齿轮在极端工况下可靠性提升的难题，重庆大学团队提出机器人辅助激光加工面齿轮表面微结构的新方法。研究通过离焦控制(Defocus Control)轨迹规划，系统分析了激光功率、频率等参数对表面形貌、残余应力和润湿性的影响。结果表明：激光功率与烧蚀宽度/深度呈正相关，频率则呈负相关；机械应力导致的残余压应力主导表面状态，最优参数下接触角达3.332°实现超亲油性。该研究为提升齿轮服役性能提供了可靠加工方案，发表于《Optics》。

　　

在航空航天等高精尖领域，面齿轮作为动力传输的核心部件，其性能直接决定装备在重载、高温等极端环境下的可靠性。传统机械加工微结构的方法面临工具磨损、效率低下等瓶颈，而激光加工虽具潜力，却因复杂曲面导致的离焦现象(Defocus)难以控制，严重制约加工精度。更棘手的是，现有研究对工艺参数与表面性能的关联机制缺乏系统认知，亟需创新方法突破技术壁垒。

重庆大学研究团队在《Optics》发表的研究，开创性地将工业机器人(ABB IRB 4600-60/2.05)与激光加工技术融合，提出基于离焦控制(DOF, Depth of Focus)的轨迹规划方法。通过建立激光焦深特性模型（Eq.1），结合机器人运动补偿，实现了曲面微结构的均匀加工。实验采用白光干涉仪和三维显微镜分析形貌特征，X射线衍射仪检测残余应力，接触角测量仪评估润湿性，系统探究了功率(6-10W)、频率(20-100kHz)等参数的影响规律。

激光焦深特性
研究指出激光焦深范围(DOF)内能量密度最集中，通过Eq.1计算理论焦深，确保加工时激光光斑形状和能量密度恒定。这一发现为后续轨迹规划奠定理论基础。

表面形貌
超深三维显微镜显示：功率增至10W时，烧蚀宽度和深度分别提升47%和62%；而频率升至100kHz则导致烧蚀尺寸缩减。机器人轨迹方向的均匀烧蚀验证了离焦控制的有效性。

残余应力与润湿性
X射线分析揭示：机械应力产生的残余压应力(-320MPa)显著超过热应力导致的拉应力(+180MPa)，使表面整体呈压应力状态。最优参数下接触角低至3.332°，实现超亲油性(Super-oleophilicity)，这对齿轮润滑性能提升至关重要。

结论与意义
该研究首次将工业机器人的灵活性与激光精密加工结合，突破复杂曲面微结构加工的技术瓶颈。提出的离焦控制轨迹规划方法，解决了传统加工中一致性差的难题。参数-性能关联模型的建立，为工艺优化提供科学依据。特别值得注意的是，通过调控激光参数可实现表面应力状态和润湿性的定向设计，这对延长齿轮寿命、降低能耗具有重要工程价值。研究团队Guijian Xiao、Zhengyu Yang等的工作，为高端装备关键部件的性能升级开辟了新路径。