专利名称：无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于辊类表面毛化的激光加工设备及加工方法，特别涉及一种具有能加工无规则毛化微坑的辊类表面毛化的激光加工设备及加工方法。
背景技术：
YAG激光毛化设备是中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的冷轧辊激光加工设备，如中国专利号ZL 92113223. 9，名称“高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法”；中国专利号ZL 94220848. X，名称“用于轧辊表面毛化的激光加工设备”。图1 是该设备的总体结构示意图。该设备采用高重复频率的大功率激光脉冲作用于轧辊表面， 在辊面上产生无数一定形貌的强化微坑(毛化点)。该设备类似于普通车床。其工作过程是机床主轴电机驱动轧辊旋转，同时驱动移动架上的激光头平移，声光电源控制激光器发出固定频率的激光脉冲，从而在轧辊上打出一条等螺距的由毛化微坑构成的螺旋线。图4 是利用这一方法打的冷轧辊表面的毛化微坑形貌图(左右代表轴向，上下代表圆周向，下同)，称之为不可控分布毛化微坑形貌图，相应地称图1为不可控分布激光毛化设备总体结构示意图，其微坑呈一维可控的波浪形分布。为了增加微坑分布的各向均勻度，调节冷轧板的各向延伸率，中科院力学所开发了 YAG激光毛化的二维可控分布技术。如中国专利号ZL00U8273. 5，名称“具有可控分布毛化点的辊类表面毛化激光加工系统”。图2是该设备的总体结构示意图。图5、图6是利用这一方法打的冷轧辊表面的毛化微坑形貌图，该设备通过在主轴同轴方向装一高精度高分辨率的增量编码器，并用一台工控机控制声光电源和移动架实现辊面毛化微坑的可控分布。二维可控分布技术虽然可实现比一维可控分布技术更为均勻的微坑分布，但是，其分布也更规则。以上两种毛化板的毛化微坑分布都有一定的规则，使毛化板各个方向的外观不一致，有方向性。由于微坑的规则分布，激光毛化板有以下缺点(1)激光毛化板容易出现条纹。规则的微坑分布导致各向微坑分布的视觉差异；( 激光毛化板容易出现光干涉条纹。 两个周期性的规则图样之间的光干涉容易产生“莫尔条纹”现象。工程中有相当多的毛化板要求微坑无规则分布。为了改善激光毛化板的外观质量，中科院力学所在二维可控分布技术的基础上开发可控无规则分布技术。如中国专利号ZL 200510117158. 8，名称“圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法”。该激光加工系统包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置以及伪随机延时装置。其方法在于伪随机延时装置使每次向辊类工件表面发射的激光输出信号在规定的时间范围内产生随机的延时。图9是矩形无规则延时毛化微坑分布示意图，图10是菱形无规则延时毛化微坑分布示意图。其优点是响应速度快，毛化频率高(可达几万次)。其缺点是只能实现圆周向的一维无规则分布。又如中国专利号ZL 200510116750. 6，名称“无规则偏转毛化点的辊类表面毛
化激光加工系统及方法”。该激光加工系统包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置以及伪随机偏转装置。其方法在于伪随机偏转装置使每次向辊类工件表面发射的激光输出信号在规定的空间范围内产生随机的偏转。图10是矩形无规则偏转毛化微坑分布示意图，图11是菱形无规则偏转毛化微坑分布示意图。其优点是可实现圆周向和轴向的二维无规则分布。其缺点响应速度慢，毛化频率低(最高几千次)。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法，它既克服了圆周无规则毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法只能实现圆周向一维高重频激光毛化的缺点，又克服了无规则偏转毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法只能实现低重频激光毛化的缺点，是一种更理想的具有能加工二维无规则毛化微坑的辊类表面毛化的激光加工设备及方法。本发明的无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统，它包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置，其特征在于还包括有控制所述激光加工装置激光输出信号的无规则图像开关装置；所述无规则图像开关装置接收无规则点状分布的图像文件并进行处理，换成相应的控制信号，再驱动所述激光加工装置对辊类工件表面进行加工，从而在辊类工件表面形成与无规则点状分布的图像相对应的二维无规则分布的毛化微坑。进一步地，所述无规则图像开关装置包括具有PC功能的单板机和图像开关接口， 所述图像开关接口进一步包括依次连接的输入接口、图像开关和输出接口 ；其中，所述单板机通过PC/104总线与所述图像开关相连接，所述单板机对输入的无规则点状分布的图像文件进行处理，有点的位置形成控制信号1，没有点的位置形成控制信号0，并将形成的控制信号传输给所述图像开关；所述输入接口用于输入信号的电平转换，根据1、0控制信号所述图像开关开启或是关闭，所述输出接口根据所述图像开关的状态驱动所述激光加工装置。进一步地，本发明的无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统还可以具有如下的特点所述的激光加工装置包括激光电源、激光器、工控机、可控分布接口卡、声光电源、声光盒，所述的无规则图像开关装置的输入信号接口与或控分布接口卡联接，无规则图像开关装置的输出信号接口与声光电源相连接的信号输入端联接，RS232C接口与工控机相接。所述的无规则图像开关装置的输出和输入信号均为脉冲信号，输出信号由输入信号的上升沿触发，经图像开关后输出。本发明的无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工方法，它是使辊类工件沿自身的轴线旋转，使激光束沿辊类工件的轴向勻速运动，通过无规则图像开关装置接收无规则点状分布的图像文件并进行处理，换成相应的控制信号，再驱动所述激光加工装置对辊类工件表面进行加工，从而在辊类工件表面形成与无规则点状分布的图像相对应的二维无规则分布的毛化微坑。本发明在现有辊类表面毛化激光加工设备——可控分布激光毛化设备中增加无规则图像开关装置，使毛化微坑呈二维无规则分布。本发明与现有技术设备和加工方法相比具有以下优点
1、实现二维高重频无规则毛化维坑的辊类表面激光毛化；2、无规则毛化维坑的分布可通过图像文件模拟显示。
图1是不可控分布YAG激光毛化设备总体结构示意图；图2是可控分布YAG激光毛化设备总体结构示意图；图3是本发明实施例所述的增量编码器与主轴联接示意图；图4不可控分布毛化微坑形貌图；图5是矩形分布毛化微坑形貌图；图6是菱形分布毛化微坑形貌图；图7是无规则图像开关装置结构示意图；图8是无规则图像开关装置程序流程图；图9是菱形分布无规则延时毛化微坑示意图；图10是菱形分布无规则偏转毛化微坑示意图；图11是本发明实施例所述的无规则图像毛化微坑示意图；图12是本发明实施例所述的无规则图像文件生成算法示意图；图13是本发明激光毛化设备控制系统方框图；图14是机床移动架上层光路示意图。图面标号说明1-待加工辊；2-光路防护罩；3-气路；4-激光器；5-机床床头； 6-监视器；7，20-机床导轨；8-机床移动架；9-激光头；10-光杠；11-机床床尾；12- 二维移动架；13-声光电源；14-顶尖座；15-纵向伺服电机；16-滚珠丝杠；17-激光电源；18-控制柜；19-工控机；21-增量编码器；22-弹性片联轴节；23-增量编码器安装套；24-机床主轴变速箱；25-机床主轴套；26-机床主轴；27-横向移动调节机构；28-聚焦透镜；29-扩束镜；30-反射镜；31-光路切换装置；32-B路激光器；33-B路声光盒；34-A路激光器；35-A路声光盒；36，37-光路防护套。
具体实施例方式以下结合附图对本发明进行详细的说明为了实现激光毛化无规则分布，本实施例提出的方案如图2、图3、图7、图12、图13 所示。辊类表面无规则毛化微坑的毛化加工采用无规则图像开关装置实现。也即在可控分布激光毛化设备中增加无规则图像开关装置，使毛化微坑呈二维无规则分布。本实施例的总体结构示意图同图2所示相同，设备由机床床头，机床床身和控制柜三部分组成，具有与机床主轴转速无级可调的两维数控车床相似的结构形式。机床床头 5包括变频器(型号为VFD-220B43A)、机床主轴驱动变频电机(型号为YP-50-22-4B3)、机床主轴变速箱24(减速比为3. 75)、机床主轴沈及机床主轴套25、高精度高分辨率的增量编码器21(型号为ALFA-2500BM-G10L，每转等分10万线)及增量编码器安装套23、卡盘和滑润系统等。变频器安装在机床床头5的底部，它与主轴驱动变频电机电连接；主轴变频电机经机床主轴变速箱与机床主轴相连；机床主轴一侧固定卡盘，卡盘用于装卡辊；另一侧固定主轴套25，主轴套25 (带轴头)与机床主轴沈用螺纹连接，主轴套25经弹性片联轴节22与增量编码器21轴相连(保证增量编码器装在机床主轴沈同轴方向)；增量编码器21 端面固定增量编码器安装套23并经安装套与机床主轴变速箱M相连。润滑系统包括润滑泵、油箱及油管等，润滑系统用于润滑机床主轴变速箱。工控机19内的D/A接口卡给变频器发信号，变频器驱动机床主轴电机连同辊旋转，且转速无级可调。主轴电机连同辊旋转时增量编码器输出反映辊旋转位置的脉冲信号，脉冲信号传给工控机19内的可控分布接口卡， 经计算机处理后控制无规则图像开关装置和纵向伺服驱动器。无规则图像开关装置控制声光电源13。纵向伺服驱动器驱动纵向伺服电机15，经滚珠丝杠16带动机床移动架12在机床导轨20上左右移动。床身包括机床导轨20、机床二维移动架12、纵向伺服电机15、滚珠丝杠16和顶尖座14等。所述的伺服电机15 (使用型号为MDMA152A1A)与滚珠丝杠16直联，伺服电机15 驱动滚珠丝杠16通过丝母带动移动架12与导轨滑动配合，并在导轨20上左右移动，且速度无级可调。移动架12分上下两部分，下半部分装有一路或两路声光电源13及激光电源 17,上半部分装有A路激光器及A路声光盒、B路激光器及B路声光盒、光路切换装置、激光扩束镜、光束反射镜、横向移动调节机构、激光头和光路防护套。图14是机床移动架上层光路示意图。光路切换装置由低速同步电机、丝杠、导轨、 滑座及滑座上的全反镜构成，低速同步电机与丝杠直连，丝杠、导轨和滑座构成一传动副。 光路切换装置的作用是转折光路，使B路激光器发出的激光光束进入激光扩束镜。激光扩束镜包括发散镜和聚焦镜，由多片镜子组成，具有对激光束扩束准直作用。全反射镜用于转折光束的传输方向。横向移动调节机构由横向伺服电机(型号为MSMA042A1A)、滚珠丝杠、导轨及滑座组成，滚珠丝杠、导轨和滑座构成一传动副，它与装在滑座上的位移传感器、 横向伺服驱动器及位置PID调节器构成间距自动跟踪器，跟踪间距可由工控机内的D/A接口卡设定。聚焦透镜包括激光聚焦镜、保护镜、辅助气体喷射装置，保护镜安装在聚焦镜之前，它的作用是隔断激光聚焦镜与激光在辊面上的作用点的通道，使激光聚焦镜免受污染。 辅助气体喷射装置是一种双气路结构。在激光毛化过程中，轧辊表面的金属在激光的作用下产生溶化与部分气化，为了使轧辊及轧制的金属板达到一定的粗糙度，必须使轧辊表面不仅形成凹坑而且在凹坑的周围还应有凸台的存在，这种凸台就是由溶化的金属流出凹坑凝固所形成。为此，辅助气体喷射装置的气路之一设计成与光轴成一个夹角，变化范围为 30° 75°，将激光作用点处的熔融金属吹向一侧。辅助气体喷射装置的另一气路与会聚激光束同轴，气流引入处在保护镜之前，从该气路喷嘴射出的气流用于阻隔激光与金属作用的粉尘及飞溅物以保护镜不被污染。激光聚焦镜是一组组合透镜，除了将激光束聚焦于工件表面的作用外，还能消除光学像差，减少激光束的弥散性。A路激光器内装有A路声光盒，B路激光器内装有B路声光盒。光路防护套用于光路防尘，它有两种结构。光路防护套 36由两段或两段以上的固定长度的金属套筒组成，其作用是用于光束反射镜与聚焦透镜之间的光路连接，其特点是防护套的长度可随横向移动调节机构的前后移动而变化。光路防护套37是可微调的波纹状的金属筒或塑料筒，其作用是用于A路激光器、B路激光器、光路切换装置、激光扩束镜和反射镜之间的光路连接；激光电源用于给激光器供电并能保证供电电流恒定，声光电源通过给声光盒发出超声波信号控制激光器发出的光脉冲。控制柜18包括工控机19 (型号为AWS-8259)、纵向伺服驱动器(型号为 MSDA153A1A)、横向伺服驱动器(型号为MSDA043A1A)、冷却系统和其他继电控制电路等。图12是本发明激光毛化设备控制系统方框图。工控机内AT总线上装有一块可控分布接口卡、 两块电隔离双路D/A接口卡(型号为PCL-728)。主轴电机连同辊旋转时增量编码器输出反映辊旋转位置的脉冲信号，脉冲信号传给工控机19内的可控分布接口卡，经计算机处理后控制无规则图像开关装置和纵向伺服驱动器。无规则图像开关装置控制声光电源13。纵向伺服驱动器驱动纵向伺服电机15，经滚珠丝杠16带动机床移动架12在机床导轨20上左右移动。工控机19内的一块D/A接口卡发两路信号给激光电源17，控制A路激光器34 和B路激光器32。工控机19内的另一块D/A接口卡发一路信号给变频器，变频器驱动机床主轴电机连同辊旋转，且转速无级可调；D/A接口卡发另一路信号给位置PID调节器。激光与辊面间距自动跟踪器由工控机19、位置PID调节器、电感式非接触位移传感器(使用型号为ST-I型)、横向伺服驱动器及伺服电机、滚珠丝杠传动副等构成，它是一个闭环控制系统，工控机19设定间距大小，位移传感器检测实际间距，伺服驱动器工作在速度控制方式。 工控机19通过一路RS232C与无规则图像开关装置相连，用于传输无规则图像文件。冷却系统由水箱、水泵及温控器构成，用于激光器的冷却。无规则图像开关装置示意图如图7所示。该装置内含单板机和PC/104图像开关接口卡。单板机(采用PC/104模块)提供了完整PC的全部功能。PC/104图像开关接口卡由输入接口、图像开关和输出接口组成。单板机对输入的无规则点状分布的图像文件进行处理，有点的位置形成控制信号1，没有点的位置形成控制信号0，并将形成的控制信号传输给图像开关。输入接口用于输入信号的电平转换，根据1、0控制信号图像开关开启或是关闭。输出接口根据图像开关的状态驱动激光加工装置。PC/104图像开关接口卡安装在单板机的PC/104扩展总线上。无规则图像开关装置的外部信号有三路输入、输出和RS232C接口。输入信号和输出信号都是脉冲信号。输出信号由输入信号的上升沿触发，经图像开关后输出。图8是无规则图像开关装置程序流程图。程序先通过RS232C接口从工控机下传无规则图像文件到内存，之后等待输入信号，并根据无规则黑白图像文件对应像素的1、0信息控制输出信号的脉冲输出，如此不断循环。对应像素为1时，输出信号有脉冲输出，激光器发出激光束在辊面对应位置产生微坑，否则输出信号无脉冲输出，在辊面对应位置不产生微坑。这样就可在辊面加工出与无规则图像相对应的二维无规则微坑分布。无规则图像开关装置插入现有辊类表面毛化激光加工设备控制激光输出的信号之后。可参考图13。二维无规则图像文件的产生方法很多，可以是预先生成好的具有二维无规则点状分布的图像文件，图11是本发明实施例所述的无规则图像毛化微坑示意图；图12是本发明实施例所述的无规则图像文件生成算法示意图。算法为数据文件按从左到右，从上到下的顺序生成，在示意图12的4个方向之一连续像素为0，该像素取1，否则该像素按0. 5的几率取1或0。本发明不限制激光波长。无规则图像开关装置可用于用电脉冲控制光脉冲的各类用于激光毛化的激光器，如声光控制连续YAG激光器、射频二氧化碳激光器。
权利要求
1.一种无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统，它包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置，其特征在于还包括有控制所述激光加工装置激光输出信号的无规则图像开关装置；所述无规则图像开关装置接收无规则点状分布的图像文件并进行处理，换成相应的控制信号，再驱动所述激光加工装置对辊类工件表面进行加工，从而在辊类工件表面形成与无规则点状分布的图像相对应的二维无规则分布的毛化微坑。
2.如权利要求1所述的无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统，其特征在于，所述无规则图像开关装置包括具有PC功能的单板机和图像开关接口，所述图像开关接口进一步包括依次连接的输入接口、图像开关和输出接口 ；其中，所述单板机通过PC/104总线与所述图像开关相连接，所述单板机对输入的无规则点状分布的图像文件进行处理，有点的位置形成控制信号1，没有点的位置形成控制信号0， 并将形成的控制信号传输给所述图像开关；所述输入接口用于输入信号的电平转换，根据 1、0控制信号所述图像开关开启或是关闭，所述输出接口根据所述图像开关的状态驱动所述激光加工装置。
3.如权利要求1或2所述的无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统，其特征在于所述的激光加工装置包括激光电源、激光器、工控机、可控分布接口卡、声光电源、 声光盒，所述的无规则图像开关装置的输入信号接口与可控分布接口卡相插接，无规则图像开关装置的输出信号接口与声光电源相连接的信号输入端相接，RS232C接口与工控机相接。
4.如权利要求3所述的无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统，其特征在于所述的无规则图像开关装置的输出和输入信号均为脉冲信号，输出信号由输入信号的上升沿触发。
5.无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工方法，它是使辊类工件沿自身的轴线旋转，使激光束沿辊类工件的轴向勻速运动，通过无规则图像开关装置接收无规则点状分布的图像文件并进行处理，换成相应的控制信号，再驱动所述激光加工装置对辊类工件表面进行加工，从而在辊类工件表面形成与无规则点状分布的图像相对应的二维无规则分布的毛化微坑。
全文摘要
本发明公开了一种无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法，包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置以及无规则图像开关装置。无规则图像开关装置使激光加工装置的激光输出信号按无规则图像输出，其方法在于按无规则黑白图像的1、0信息开关可控矩形分布辊类工件表面的激光输出信号。本发明具有以下优点实现二维高重频无规则毛化微坑的辊类表面激光毛化；无规则毛化微坑的分布可通过图像文件模拟显示。它同时克服了圆周无规则毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法只能实现圆周向一维高重频激光毛化的缺点和无规则偏转毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法只能实现低重频激光毛化的缺点。
文档编号B23K26/42GK102179621SQ20111008116
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者杨明江, 王红才 申请人:中国科学院力学研究所