专利名称：辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于辊类表面激光毛化处理领域，特别涉及一种辊类表面高功率激光 双头集成聚焦毛化加工装置。
背景技术：
毛化钢板具有优良的冲压性能和表面涂镀性能，是汽车、家电、电子和轻工业生产 中广泛应用的重要原材料，毛化钢板生产的关键技术是轧辊表面毛化，激光轧辊毛化技术 是现在使用的几种毛化技术(包括喷丸毛化、电火花毛化以及电子束毛化)中实用而又先 进的一种毛化技术。目前激光轧辊毛化技术主要分为两大类一类是采用气体CO2激光器的CO2激光毛 化，另一类是采用固体Nd: YAG激光器的YAG激光毛化。目前，已经研制成功且用于生产的CO2激光毛化装置的基本原理是C02激光器发 射出的高能连续激光束经光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束；利用聚焦透镜将变换 后的脉冲激光束聚焦于被加工的轧辊表面进行毛化；加工过程中，轧辊旋转的同时，激光 头与光学发射调制系统沿轧辊长度方向移动，在轧辊表面加工出螺旋形规则分布的微小毛 化坑。例如华中科技大学激光院研制的大型CO2激光轧辊毛化加工成套系统。但由于该 系统采用了光调制转盘技术，只有很少一部分激光输出能量能够得到有效地利用，因而其 能量利用效率不高；且机械结构复杂、设备体积庞大、相对造价较高。上述CO2激光毛化设 备由于能量利用率比较低，因此其加工效率与电火花毛化设备相比有一定差距。近年来， 基于斩光盘光束调制原理的此类激光毛化技术，其主要发展集中体现在通过设计不同结 构形式的光调制转盘(斩光盘)，以提高激光能量利用率。例如中国专利“一种用于激光 调制的转盘”(专利号ZL94218749.0)与中国专利“分光式激光毛化调制装置”(专利号 ZL200710041118. 9)。YAG激光毛化装置的基本原理是采用声光调Q的Nd: YAG激光器作为脉冲激光发 生源，由激光器发射出的脉冲激光束经光路系统聚焦后，直接作用于被加工的轧辊表面进 行毛化；通过控制调Q频率与轧辊的转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。例如 中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点 的激光加工装置”(专利号ZL00264774. 5)，就是采用声光调Q的Nd: YAG激光器作为加工光 源的。其缺点是由于所使用的声光调Q脉冲Nd: YAG激光器的平均功率较低，毛化效果有 限，生产效率低，难以满足大型钢厂的生产需要。为了克服上述激光毛化技术的不足，本实用新型专利申请人发明了一种高功率激 光辊类表面多头毛化加工方法及装置，其方法的基本特征是利用高功率连续激光器输出 连续激光束；通过多棱镜分光机构对该连续激光束进行调制，使其分成K(>2)路脉冲激光 束；利用K个独立的聚焦头分别对K路脉冲激光束进行聚焦后输出，对辊类表面同时进行多 头(K个聚焦头)毛化加工，在辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。基于此方法 的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置可以同时实现多头毛化加工，加工效率高；激光能量利用效率高，且对激光功率没有限制；但该装置若要进一步提高加工效率，则必须进一 步增加聚焦头的数量，这会使装置整机结构变得复杂。上述发明已于2006年申报国家发明专利(申请号200610018261. 1)与实用新型 专利(申请号200620095100.8)。目前，发明专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方 法及其装置”已获授权(专利号ZL200610018261. 1)，且实用新型专利“高功率激光辊类表 面多头毛化加工装置”已获授权(专利号ZL200620095100. 8)。
发明内容本实用新型目的是提供一种辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置， 该装置在上述已授权专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”(专利号 ZL200610018261. 1)的基础上，拟采用集成聚焦头技术，将多个分离的聚焦头简化为两个独 立的集成聚焦头，每个集成聚焦头均可对应输出N > 2个聚焦光点，以便达到简化整机结构 与提高加工效率的目的。本实用新型的技术方案是一种辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装 置，包括激光器和数控机床，所述数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台及 与平移导轨平行的用于安装轧辊工件的轧辊转轴和顶尖；所述工作平台上装有多棱镜扫描 机构和集成聚焦机构；其特征在于所述集成聚焦机构由呈斜线形排布的第一、第二两个 集成聚焦头构成，每个集成聚焦头内均设有多焦点聚焦透镜，该多焦点聚焦透镜具有N个 焦点；两个集成聚焦头可对应输出2 X N个聚焦光点，在轧辊工件表面同时形成2 X N条螺旋 扫描线点阵毛化坑分布，其中N > 2。本实用新型中，同现有技术一样，所述激光器为高功率连续激光器，例如高功率连 续CO2激光器或者高功率连续Nd:YAG激光器；而所述多棱镜扫描机构由第一聚焦镜、第二 聚焦镜、全反射镜组、多棱镜以及带动多棱镜旋转的高速电机组成；所述全反射镜组由与水 平线成45°角布置且互相平行的上、下两个反射镜构成，其中上反射镜的镜面与第二聚焦 镜相对，而下反射镜的镜面则与第二集成聚焦头相对。上述辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，所述多棱镜扫描机构中的 第一聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。上述辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，所述多棱镜扫描机构中的 第二聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。上述辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，所述多棱镜的面数M > 5， 且其每个工作表面均为全反射面。上述辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，所述两个集成聚焦头呈斜 线形排列，且所述两个集成聚焦头之间的横向距离为NX ΔΧ，ΔΧ = 50 500μπι，纵向距 离为ΔΥ。本实用新型的工作原理如下所述激光器发出的连续激光束进入多棱镜扫描机 构，通过第一聚焦镜聚焦于旋转的多棱镜的某个工作面上，形成扇形的扫描光束，该发散的 反射扫描光束经第二聚焦镜变换后，形成具有一定扫描宽度的平行扫描光束；所述平行扫 描光束先扫过第一集成聚焦头，并经第一集成聚焦头内设的多焦点聚焦透镜聚焦后对应输 出个聚焦光点；随后所述平行扫描光束再经全反射镜组的两次90°导向后，扫过第
4二集成聚焦头，并由第二集成聚焦头内设的多焦点聚焦透镜聚焦后，同样对应输出N > 2个 聚焦光点；从而总共形成2XN个聚焦光点，在轧辊工件表面同时形成2XN条螺旋扫描线点 阵毛化坑分布。同现有技术一样，本实用新型工作时，待加工的轧辊工件由数控机床上的轧辊转 轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上的工作平台可 作三维运动，其平移速度由数控机床控制。同样地，驱动多棱镜旋转的高速电机，其转速也 由数控机床控制。所述数控机床采用现有的设备，例如XL9数控机床。本实用新型在具体工作时，所述两个集成聚焦头的光轴均与轧辊工件表面垂直， 且所述两个集成聚焦头对应输出的2 XN个聚焦光点在轧辊工件表面形成的2 XN条螺旋扫 描线点阵毛化坑分布，扫描线点阵的纵向点间距b = 50 500 μ m，横向点间距ΔΧ = 50 500 μ m，扫描线螺距P = 2XNX ΔΧ。本实用新型的优点是本实用新型与已授权的发明专利(专利号ZL200610018261. 1)相比较，主要区别 如下已授权的专利采用K( > 2)个独立的聚焦头，每个聚焦头对应一路脉冲激光输出，因 而在轧辊表面形成K个聚焦光点，对其同时进行毛化加工；而本实用新型采用集成聚焦头 技术，利用两个独立的集成聚焦头便能够对应输出2XN(N ^ 2)路脉冲激光对轧辊工件进 行毛化加工，故在提高了加工效率的同时，也使得装置整体的结构得到大大简化。具体优点 如下1.利用两个集成聚焦头输出多个聚焦光点，可以同时实现多聚焦光点毛化加工， 并且在技术上对激光功率没有限制，同时由于目前连续激光器已经能够获得非常高的功率 输出，这样加工速度也没有限制，可以获得非常高的加工速度。2.采用集成聚焦头技术，将连续高功率激光束分成密集排布的多路聚焦脉冲激光 束输出，不需要采用光调制转盘或进行声光调Q以获得脉冲激光输出，因此激光能量利用 率高。并且结构简单、体积小、成本低，使用寿命长，生产维护容易。3.由于采用连续高功率激光器(例如高功率连续CO2激光器或YAG激光器)作为 加工光源，激光功率能够充分利用，且技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠 运行。4.多棱镜扫描机构中可进一步采用抛物面反射式聚焦镜进行聚焦，散热快，热变 形小，聚焦光斑无像差、球差，工作稳定。5.由于数控机床采用的是三轴联动的数控系统与激光输出功率和脉冲频率的计 算机控制相结合，所以能够在线调节，实现毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可实 现辊面毛化坑的多种分布，产品质量好。总之，本实用新型结构简单、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量 好。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述
图1为本实用新型整体外部通用结构示意图；图2为一种具体实施例的多棱镜扫描机构内部具体结构原理5[0029]图3为图2实施例中多棱镜扫描机构与单个集成聚焦头的实现原理图；图4为图2实施例中两个集成聚焦头的位置关系示意图；图5为第二具体实施例中多棱镜扫描机构与单个集成聚焦头的实现原理图；图6为第三具体实施例中多棱镜扫描机构与单个集成聚焦头的实现原理图；图7为本实用新型在轧辊工件表面产生的毛化坑分布示意图。
具体实施方式
实施例1 首先如
图1所示，本实施例提供的这种辊类表面高功率激光双头集成聚 焦毛化加工装置，包括激光器1和数控机床3，所述数控机床3采用常规的XL9型数控机床， 其床身上装有通过平移导轨303驱动的工作平台12及与平移导轨303平行的用于安装轧 辊工件13的轧辊转轴301和顶尖302 ；所述工作平台12上装有多棱镜扫描机构4和集成 聚焦机构，所述集成聚焦机构由呈斜线形排布的第一、第二两个集成聚焦头601、602构成； 而所述激光器1采用高功率连续CO2激光器，其输出功率从500 6000瓦连续可调，激光 输出波长为10.6μπι(当然也可以根据实际需要选择其它种类的激光器，例如Nd:YAG激光 器)O如图2所示，本实施例中所述多棱镜扫描机构4由第一反射式聚焦镜403、第二透 射式聚焦镜7、全反射镜组、多棱镜401以及带动多棱镜401旋转的高速电机406共同组成。 本实施例中多棱镜401面数M = 7，每个工作面均为全反射面。多棱镜一侧与高速电机406 相连，在高速电机406带动下高速旋转，其转速由数控机床3控制。高速电机406的转速为 n = 0. 3 5万转/分。所述第二透射式聚焦镜7到多棱镜401工作面上聚焦点0的距离 L = f，f为所述第二透射式聚焦镜7的焦距。所述全反射镜组由与水平线成45°角布置且 互相平行的上、下两个反射镜404、405构成，其中上反射镜404的镜面与第二透射式聚焦镜 7相对，而下反射镜405的镜面则与第二集成聚焦头602相对。本实用新型的核心技术在于 对两个集成聚焦头的设计，以第一集成聚焦头601为例，结合图3所示，可知其内部设置有 多焦点聚焦透镜14，该多焦点聚焦透镜14具有N = 2个焦点；而所述第二集成聚焦头602 内部结构与第一集成聚焦头601相同，故不再详述。结合
图1、图2、图3、图4和图7所示，对本实施例的工作原理进行说明待加工的轧辊工件13由数控机床3的轧辊转轴301和顶尖302装夹，并由轧辊转 轴301带动旋转。所述工作平台12可作三维运动，其运动由数控机床3控制。多棱镜扫描 机构4和第一、第二集成聚焦头601、602随工作平台12 —起移动，且两个集成聚焦头601、 602的光轴均与轧辊工件13的表面垂直。所述激光器1输出的连续激光束2进入多棱镜扫 描机构4，通过第一反射式聚焦镜403聚焦于高速旋转的多棱镜401的某个工作面上形成 具有一定角度θ的扇形反射扫描光束；该发散的反射扫描光束经第二透射式聚焦镜7变换 后，形成具有一定扫描宽度AL的平行扫描光束(所述第二透射式聚焦镜7到多棱镜401工 作面上的聚焦点0的距离L = f，f为所述第二透射式聚焦镜7的焦距)；该平行扫描光束 首先扫过第一集成聚焦头601，并经第一集成聚焦头601内设的多焦点聚焦透镜14聚焦后 对应输出N = 2个聚焦光点，随后所述平行扫描光束再经全反射镜组中的上、下两个反射镜 404、405的两次90°导向后，扫过第二集成聚焦头602内设的多焦点聚焦透镜，同样对应输 出N = 2个聚焦光点；在数控机床3对轧辊工件13转速、多棱镜401转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述总共2XN = 4个聚焦光点对轧辊工件13同时进行毛化加工，使轧 辊工件13表面形成2XN = 4条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体结合图7所示，该扫描线 点阵的纵向点间距根据轧辊工件13表面粗糙度要求可设为b = 50 500 μ m，横向点间距 Δ X根据轧辊工件13表面粗糙度要求也可设为50 500 μ m，扫描线螺距P = 2XNX ΔΧ， N = 2。实施例2 如
图1所示，本实施例提供的这种辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛 化加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜扫描机构4中的第 一反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜402，如图5所示(图5中省略连接在多棱 镜401 —侧的高速电机406及全反射镜组)。故在本实施例具体工作时，激光器1输出的 连续激光束2进入多棱镜扫描机构4，通过第一透射式聚焦镜402聚焦于高速旋转的多棱 镜401的某个工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束；该发散的反射扫描光束 经第二透射式聚焦镜7变换后形成具有一定扫描宽度AL的平行扫描光束(所述第二透射 式聚焦镜7到多棱镜401工作面上的聚焦点0的距离L = f，f为所述第二透射式聚焦镜7 的焦距)。同实施例1 一样，所述平行扫描光束先扫过第一集成聚焦头601，并经第一集成 聚焦头601聚焦后输出N = 2个聚焦光点；随后所述平行扫描光束再经全反射镜组的两次 90°导向，并由第二集成聚焦头602聚焦后，同样对应输出N = 2个聚焦光点；总共对应输 出2XN = 4个聚焦光点，在轧辊工件13表面同时形成2XN = 4条螺旋扫描线点阵毛化坑 分布，如图7所示。本实施例其余均同实施例1。实施例3 如
图1所示，本实施例提供的这种辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛 化加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜扫描机构4中的第 一反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜402，再将第二透射式聚焦镜7替换为第二 抛物面反射式聚焦镜5，如图6所示(图6中依旧省略连接在多棱镜401 —侧的高速电机 406和全反射镜组)。故在本实施例具体工作时，激光器1输出的连续激光束2进入多棱镜 扫描机构4，通过第一透射式聚焦镜402反射聚焦于高速旋转的多棱镜401的某个工作面上 形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束；该发散的反射扫描光束经第二抛物面反射式 聚焦镜5变换后，形成具有一定扫描宽度AL的平行扫描光束(所述第二抛物面反射式聚 焦镜5的焦点与多棱镜401工作面上的聚焦点0重合，f为所述第二抛物面反射式聚焦镜5 的焦距)。同实施例1 一样，所述平行扫描光束先扫过第一集成聚焦头601，并经由第一集 成聚焦头601聚焦后对应输出N = 2个聚焦光点；随后所述平行扫描光束再经全反射镜组 的两次90°导向，并由第二集成聚焦头602聚焦后，同样对应输出N = 2个聚焦光点；总共 对应输出2XN = 4个聚焦光点，在轧辊工件13表面同时形成2XN = 4条螺旋扫描线点阵 毛化坑分布，如图7所示。本实施例其余均同实施例1。上述三个实施例均利用两个集成聚焦头601、602来实现多聚焦光点输出，加工速 度可以等同于已授权专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”(专利号 ZL200610018261. 1)中四头的加工速度，但装置结构却得到了大大简化。当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范 围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实 用新型的保护范围之内。
权利要求一种辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，包括激光器(1)和数控机床(3)，所述数控机床(3)的床身上装有通过平移导轨(303)驱动的工作平台(12)及与平移导轨(303)平行的用于安装轧辊工件(13)的轧辊转轴(301)和顶尖(302)；所述工作平台(12)上装有多棱镜扫描机构(4)和集成聚焦机构；其特征在于所述集成聚焦机构由呈斜线形排布的第一、第二两个集成聚焦头(601、602)构成，每个集成聚焦头内均设有多焦点聚焦透镜(14)，该多焦点聚焦透镜(14)具有N个焦点；两个集成聚焦头可对应输出2×N个聚焦光点，在轧辊工件(13)表面同时形成2×N条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中N≥2。
2.根据权利要求1所述的辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，其特征在 于所述激光器(1)为高功率连续激光器，而所述多棱镜扫描机构(4)由第一聚焦镜、第二 聚焦镜、全反射镜组、多棱镜(401)以及带动多棱镜(401)旋转的高速电机(406)组成；所 述全反射镜组由与水平线成45°角布置且互相平行的上、下两个反射镜(404、405)构成， 其中上反射镜(404)的镜面与第二聚焦镜相对，而下反射镜(405)的镜面则与第二集成聚 焦头(602)相对；所述激光器(1)发出的连续激光束进入多棱镜扫描机构(4)，通过第一 聚焦镜聚焦于高速旋转的多棱镜(401)的某个工作面上，形成扇形的扫描光束，该发散的 反射扫描光束经第二聚焦镜变换后，形成具有一定扫描宽度的平行扫描光束；所述平行扫 描光束先扫过第一集成聚焦头(601)，并经第一集成聚焦头(601)内设的多焦点聚焦透镜 (14)聚焦后对应输出N ^ 2个聚焦光点；所述平行扫描光束再经全反射镜组(404、405)的 两次90°导向后，扫过第二集成聚焦头(602)，并由第二集成聚焦头(602)内设的多焦点聚 焦透镜聚焦后，同样对应输出N ^ 2个聚焦光点；从而总共形成2XN个聚焦光点。
3.根据权利要求2所述的辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，其特征在 于所述第一聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。
4.根据权利要求2所述的辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，其特征在 于所述第二聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。
5.根据权利要求2所述的辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，其特征在 于所述多棱镜(401)的面数M > 5，且其每个工作表面均为全反射面。
6.根据权利要求1所述的辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，其特 征在于所述两个集成聚焦头呈斜线形排列，且所述两个集成聚焦头之间的横向距离为 NX ΔX，ΔΧ = 50 500 μ m，纵向距离为 Δ Y。
7.根据权利要求1所述的辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，其特征在 于所述螺旋扫描线点阵毛化坑分布的纵向点间距b = 50 500μπι，横向点间距ΔΧ = 50 500 μ m，扫描线螺距P = 2XNX ΔΧ。
专利摘要本实用新型公开了一种辊类表面高功率激光双头集成聚焦毛化加工装置，包括激光器和数控机床，所述数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台及与平移导轨平行的用于安装轧辊工件的轧辊转轴和顶尖；所述工作平台上装有多棱镜扫描机构和集成聚焦机构；其特征在于所述集成聚焦机构由呈斜线形排布的第一、第二两个集成聚焦头构成，每个集成聚焦头内均设有多焦点聚焦透镜，该多焦点聚焦透镜具有N个焦点；两个集成聚焦头可对应输出2×N个聚焦光点，在轧辊工件表面同时形成2×N条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中N≥2。本实用新型将原先多个分离的聚焦头简化为两个独立的集成聚焦头，每个集成聚焦头均可对应输出N≥2个聚焦光点，达到了简化装置的目的。
文档编号B23K26/42GK201645052SQ201020185479
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者孙长东, 王焄, 罗曦, 陈培锋 申请人:苏州市博海激光科技有限公司