專利名稱：用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于輥類表面毛化的激光加工裝置，特別是涉及一種用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的YAG激光加工裝置。
YAG激光毛化設備是中國科學院力學研究所在九十年代研究開發(fā)的冷軋輥激光加工裝置，如中國專利號ZL92113223.9，發(fā)明名稱“高重頻調制多脈沖YAG激光刻花系統(tǒng)及加工方法”。該設備采用高重復頻率的大功率激光脈沖作用于軋輥表面，在輥面上產生無數一定形貌的強化微坑(毛化點)。這種表面有一定粗糙度的激光毛化軋輥可直接用于冷軋薄板(帶)的軋制和平整。激光毛化輥比噴丸毛化輥有更長的使用時間，能增加軋制的速度，改善板形，減少板面的劃傷，有利于克服板卷退火時的粘連。所生產的YAG激光毛化板(厚0.05-1.2mm)具有良好延伸率和成型性，優(yōu)良涂漆光亮度，化學鍍層牢固，是汽車，家電，電子器件和裝飾板用優(yōu)良材料。在該專利中激光毛化設備由普通車床改造而成。其工作過程是機床主軸電機驅動軋輥旋轉，同時驅動移動架上的激光頭平移，聲光電源控制激光器發(fā)出固定頻率的激光脈沖，從而在軋輥上打出一條等螺距的由毛化點構成的螺旋線。螺旋線每一圈上的毛化點間距基本相等，這是由于激光脈沖頻率固定，主軸轉速基本恒定。由于聲光電源(控制激光器)的控制與主軸旋轉的控制是相互獨立的，沒有實現(xiàn)同步控制，而主軸轉速穩(wěn)速精度有限，導致毛化點點距的誤差。在整條螺旋線上這一誤差是累加的，所以各圈之間的毛化點的分布沒有規(guī)律，基本上是隨機的。實驗表面毛化點隨機分布的毛化板，它的各個部位及其各個方向的性能有較大差異，并且這種差異的分布也是隨機的。毛化點的分布對毛化板的性能影響很大，實現(xiàn)毛化點的可控分布對提高毛化板的均勻度有重要意義。
又如中國專利號ZL94220848.X，發(fā)明名稱“用于軋輥表面毛化的激光加工設備”。該激光毛化設備總體結構示意圖如


圖1所示，該裝置由機床床頭、機床床身和機床床尾三部分組成。機床床頭包括機床主軸電機、機床主軸變速箱、卡盤、機床移動變速箱和滑潤泵等；機床床身包括機床導軌及上面的移動架、光桿和頂尖座等；機床床尾包括激光器、激光電源、聲光電源、控制器和水箱等。其缺點由于沒有安裝軋輥位置檢測裝置，無法同步控制聲光電源和機床主軸旋轉；由于激光器固定不動，毛化過程中有光程差，光斑大小不一致，導致毛化微坑大小不一致；由于機床主軸旋轉和移動架移動不是無級調速，無法實現(xiàn)毛化點圓周方向的間距(點距)和軸向間距(螺距)任意調節(jié)。
本實用新型的目的在于克服上述已有輥類表面毛化激光加工裝置的缺點，為了提高毛化板的均勻度，為了實現(xiàn)被加工的輥類表面毛化點在圓周方向的分布可控，點間距無級可調；為了使設備適用于凸、凹或S型輥面的激光毛化，提高設備適用性；從而提供一種用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的一種用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置包括機械傳動機構、激光器和光路部分、用于控制傳動和激光器的控制部分；所述的機械傳動機構包括一兩維數控機床，機床頭內安裝一變頻器，其一側上部固定一用于裝卡輥的卡盤，其下部固定導軌一端，機床主軸通過變速箱與電機連接，機床導軌另一端上安裝有一用于裝卡輥的頂尖座；機床的導軌上安裝一移動架，所述的激光器和光路部分包括激光器、聲光盒、聲光電源及激光電源電聯(lián)接，和由反射鏡、擴束鏡、聚焦鏡組成的光路，其特征在于所述的移動架為上下兩層的兩維移動架，下層裝有A路或A、B兩路聲光電源及激光電源，上層平臺裝有A路、或A、B兩路激光器及其聲光盒、光路和光路切換裝置、用于顯示激光毛化狀況的CCD攝像裝置、帶有橫向調節(jié)機構的激光頭；一速度無級可調的伺服電機與滾珠絲桿直聯(lián)，通過絲母聯(lián)接移動架與導軌滑配；主軸套與機床主軸的另一端用螺紋連接，主軸套經彈性片聯(lián)軸節(jié)與一增量編碼器軸相連；增量編碼器端面固定增量編碼器安裝套并經安裝套與機床主軸變速箱相連；所述的用于控制傳動和激光器的控制部分包括工控機內的D/A接口卡輸出的信號到變頻器、機床主軸電機；主軸電機連同輥旋轉時增量編碼器輸出反映輥旋轉位置的脈沖信號輸入到工控機內的可控分布接口卡，經計算機處理后控制聲光電源和縱向伺服驅動器，縱向伺服驅動器驅動縱向伺服電機，經滾珠絲桿帶動兩維移動架。
所述的光路在移動架上層平臺上安置一或二臺激光器，激光器輸出光光路上按順序安置全反鏡、擴束鏡、半透半反鏡、聚焦透鏡；在聚焦透鏡前安置一保護鏡(它的作用是隔斷激光聚焦鏡與激光在輥面上的作用點的通道，使激光聚焦鏡免受污染)，并在與光軸成30°-37°夾角處安置一雙氣路結構的輔助氣體噴射裝置(將激光作用點處的熔融金屬吹向一側)；聚焦透鏡固定在一滑座上，滑座安裝在一橫向移動機構；在半透半反鏡所透過光的光路上按順序安置全反鏡、半透半反鏡、CCD攝像頭；每一臺激光器連接一聲光盒和聲光盒電源；還包括在激光器前安置一光路切換裝置，所述的光路切換裝置由低速同步電機、絲桿、導軌、滑座及滑座上的全反鏡構成，低速同步電機與絲桿直連，絲桿、導軌和滑座構成一傳動副。光路切換裝置的作用是轉折光路，使B臺激光器發(fā)出的激光光束進入激光擴束鏡，使二臺激光器可以輪換使用。
還包括在半透半反鏡另一輸出光的光路上按順序安置全反鏡、同軸照明燈。同軸照明燈輸出的光束是平行光束，其作用是給CCD成像提供輔助光源。
所述的橫向調節(jié)機構包括滾珠絲桿、導軌和滑座構成一傳動副，它與裝在滑座上的位移傳感器、橫向伺服電機及位置PID調節(jié)器構成間距自動跟蹤器，跟蹤間距可由工控機內的D/A接口卡設定。
所述的數控機床是一主軸轉速無級可調的兩維數控機床；所述的橫向伺服電機、縱向伺服電機的轉速無級可調。數控機床還包括一通常的潤滑系統(tǒng)。
輔助氣體噴射裝置的另一氣路是與會聚激光束同軸的，氣流引入處在保護鏡之前，從該氣路噴嘴射出的氣流用于阻隔激光與金屬作用的粉塵及飛濺物以保護保護鏡不被污染。
還包括CCD攝像裝置，它由一激光聚焦鏡、物鏡、目鏡和CCD攝像頭，目鏡用于將經物鏡處理的輥表面的形貌成像于CCD像元上。整個成像系統(tǒng)實際上是一個顯微鏡裝置。一激光聚焦鏡除了具有一般的YAG激光加工裝置中的將激光束聚焦于工件表面的作用外，另一作用是作為CCD成像的前置物鏡，它與一物鏡構成CCD成像物鏡裝置，其優(yōu)點是橫向移動調節(jié)機構移動時不影響CCD成像的清晰度。
還包括光路防護套用于光路防塵，它有三種結構。一種是固定長度的金屬套筒，其作用是用于光束反射鏡、攝像裝置與同軸照明燈之間的光路連接；另一種是可微調的波紋狀的金屬筒或塑料筒，其作用是用于A路激光器、B路激光器、光路切換裝置、激光擴束鏡和光束反射鏡之間的光路連接；第三種由兩段或兩段以上的固定長度的金屬套筒組成，其作用是用于光束反射鏡與激光頭之間的光路連接，其特點是防護套的長度可隨橫向移動調節(jié)機構的前后移動而變化。激光電源用于給激光器供電并能保證供電電流恒定，聲光電源通過給聲光盒發(fā)出超聲波信號控制激光器發(fā)出的光脈沖。
所述的控制柜內安裝有通常的工控機、縱向和橫向伺服驅動器、冷卻系統(tǒng)和其他繼電控制電路等。圖5是激光毛化可控分布控制部分方框圖。工控機內AT總線上裝有一塊可控分布接口卡、兩塊電隔離雙路D/A接口卡。主軸電機連同輥旋轉時增量編碼器輸出反映輥旋轉位置的脈沖信號，脈沖信號傳給工控機內的可控分布接口卡，經計算機處理后控制聲光電源和縱向伺服驅動器，縱向伺服驅動器驅動縱向伺服電機，經滾珠絲桿帶動機床移動架在機床導軌上左右移動。工控機內的一塊D/A接口卡輸出兩路信號給激光器電源，控制A路激光器和B路激光器。工控機內的另一塊D/A接口卡輸出一路信號給變頻器，變頻器驅動機床主軸電機連同輥旋轉，且轉速無級可調；D/A接口卡輸出另一路信號給位置PID調節(jié)器。激光與輥面間距自動跟蹤器由工控機、位置PID調節(jié)器、電感式非接觸位移傳感器、橫向伺服驅動器及伺服電機、滾珠絲桿傳動副等構成，它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，工控機設定間距大小，位移傳感器檢測實際間距，伺服驅動器工作在速度控制方式。冷卻系統(tǒng)按通常的結構由水箱、水泵及溫控器構成，它的作用是用于激光器的冷卻。
本實用新型與現(xiàn)有技術設備相比具有以下優(yōu)點1、該裝置的機床主軸一端同軸安裝一高精度高分辨率的增量編碼器，它通過工控機來控制軸的旋轉方向均勻可調，使輥面上的毛化點在圓周方向的分布可控，間距(點距)無級可調。而激光毛化由工控機來控制，聲光電源電信號控制激光器發(fā)出光脈沖的頻率，響應速度快，對毛化點具有較好的可控性。本實用新型采用的激光毛化可控分布技術充分發(fā)揮了激光毛化的優(yōu)勢，解決了毛化板的均勻度問題，使用它能生產出均勻度非常高的優(yōu)質毛化板。
2、由于采用在導軌上滑配一二維移動架，使得傳動靈活，并且輥面上的毛化點在軸向間距(螺距)無級可調。
3、激光頭與輥面間距自動跟蹤器保證最佳對焦，并使設備適用于凸、凹或S型輥面的激光毛化，設備適用性更好。
4、激光器電流可在線修改，毛化輥面粗糙度可變。
5、工控機集中控制，兼作監(jiān)視器，并能捕捉并存儲毛化形貌圖。
6、由于安裝有一間距自動跟蹤器，激光器到輥面的距離固定不變(等光程)，光斑大小一致，毛化微坑大小一致。
7、雙路激光器結構，激光器可以交替使用，保證了設備長期可靠穩(wěn)定運行。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明
圖1現(xiàn)有激光毛化設備總體結構示意圖；圖2本實用新型的激光毛化設備總體結構示意圖圖3增量編碼器與主軸聯(lián)接示意圖； 圖4是機床機移動架上層光路示意圖；圖5激光毛化可控分布控制部分方框圖；圖面說明1—待加工輥； 2—光路防護套； 3—氣路； 4—激光器；5—機床床頭； 6—監(jiān)視器； 7—機床導軌； 8—機床移動架； 9—激光頭；10—光桿；11—機床床尾； 14—二維移動架； 15—聲光電源； 16—頂尖座；17—縱向伺服電機；18—滾珠絲桿；19—激光電源； 20—控制柜；21—工控機； 23—增量編碼器；24—彈性片聯(lián)軸節(jié)；25—增量編碼器安裝套；26—機床主軸變速箱； 27—機床主軸套； 28—機床主軸；29—橫向移動調節(jié)機構；30—激光頭； 31—擴束鏡；32、33、34、35—反射鏡； 36—攝像裝置；37—同軸照明燈；38—光路切換裝置；39—B路激光器； 40—B路聲光盒；41-A路激光器；42—A路聲光盒； 43、44、45—光路防護套；
采用一通常的二維機床，其床頭5內安一型號為iHF-7.5K的變頻器12、它與機床主軸28驅動變頻電機電連接；主軸變頻電機經機床主軸變速箱26與機床主軸28相連，且轉速無級可調。機床主軸28一側固定卡盤，卡盤用于裝卡輥；機床主軸驅動變頻電機(型號為YVP-132M)、機床主軸變速箱(減速比為7.5)、機床主軸套27(帶軸頭)與機床主軸28的另一端用螺紋連接，主軸套27經彈性片聯(lián)軸節(jié)24與一增量編碼器23的軸相連；增量編碼器23(型號為ZPJ-500A-25000，每轉等分10萬線)的端面固定增量編碼器安裝套25，并經安裝套與機床主軸變速箱26相連，(保證增量編碼器裝在在機床主軸28同軸方向)；所述的伺服電機17(使用型號為MDMA152A1A)與滾珠絲桿18直聯(lián)，伺服電機17驅動滾珠絲桿18通過絲母帶動移動架14與導軌滑配在導軌7上左右移動，且速度無級可調。
移動架14分上下兩層，下層安有A、B兩路聲光電源15及激光電源19；上層裝有A、B路激光器41、39及其聲光盒42、40，光路切換裝置38、激光擴束鏡31、光束反射鏡32、33、34與35、攝像裝置36、同軸照明燈37、橫向移動調節(jié)機構29、其中光路安置在移動架14上層平臺上，激光器A輸出光光路上按順序安置全反鏡38、擴束鏡31、半透半反鏡32、聚焦透鏡30；在聚焦透鏡30前安置一保護鏡，它的作用是隔斷激光聚焦鏡與激光在輥面上的作用點的通道，使激光聚焦鏡免受污染；聚焦透鏡30固定在一滑座上，滑座固定在一橫向移動機構29上，每一臺激光器連接一聲光盒和聲光盒電源。激光頭由聚焦透鏡30、保護鏡、輔助氣體噴射裝置；在激光毛化過程中，軋輥表面的金屬在激光的作用下產生溶化與部分汽化，為了使軋輥及軋制的金屬板達到一定的粗糙度，必須使軋輥表面不僅形成凹坑而且在凹坑的周圍還應有凸臺的存在，這種凸臺就是由溶化的金屬流出凹坑凝固所形成。為此，在保護鏡與光軸成30°-37°夾角處安置一通常的雙氣路結構的輔助氣體噴射裝置，將激光作用點處的熔融金屬吹向一側。橫向移動調節(jié)機構29由橫向伺服電機(型號為MSMA042A1A)、滾珠絲桿、導軌和滑座構成一傳動副，它與裝在滑座上的位移傳感器、橫向伺服驅動器及位置PID調節(jié)器構成間距自動跟蹤器，跟蹤間距可由工控機21內的D/A接口卡設定。激光頭和光路防護套43、44與45。光路切換裝置38由低速同步電機與絲桿直連，絲桿、導軌和滑座構成一傳動副。光路切換裝置38的作用是轉折光路，使B臺激光器39發(fā)出的激光光束進入激光擴束鏡31。在激光毛化過程中，激光聚焦鏡除了具有一般的YAG激光加工裝置中的將激光束聚焦于工件表面的作用外，另一作用是作為CCD成像的前置物鏡，它與攝像裝置36的物鏡統(tǒng)一構成CCD成像物鏡系統(tǒng)，其優(yōu)點是橫向移動調節(jié)機構29移動時不影響CCD成像的清晰度。攝像裝置36包括物鏡、目鏡和CCD攝像頭，目鏡用于將經物鏡處理的輥表面的形貌成像于CCD像元上，整個成像系統(tǒng)實際上是一個顯微鏡裝置。
還包括在半透半反鏡32所透過光的光路上按順序安置全反鏡34、半透半反鏡35、CCD攝像頭36。
還包括在半透半反鏡36另一輸出光的光路上按順序安置全反鏡33、同軸照明燈37。
還包括光路防護套用于光路防塵，它有三種結構。光路防護套45是固定長度的金屬套筒，其作用是用于光束反射鏡32、33、34及35、攝像裝置36與同軸照明燈37之間的光路連接；光路防護套44是可微調的波紋狀的金屬筒或塑料筒，其作用是用于A路激光器41、B路激光器39、光路切換裝置38、激光擴束鏡31和光束反射鏡32之間的光路連接；光路防護套43由兩段或兩段以上的固定長度的金屬套筒組成，其作用是用于光束反射鏡32與激光頭30之間的光路連接，其特點是防護套的長度可隨橫向移動調節(jié)機構29的前后移動而變化。激光電源用于給激光器供電并能保證供電電流恒定，聲光電源通過給聲光盒發(fā)出超聲波信號控制激光器發(fā)出的光脈沖。
潤滑系統(tǒng)采用通常的機床潤滑機構，該潤滑系統(tǒng)有潤滑泵通過油管與油箱連通。
控制柜20包括工控機21(型號為AWS-825P)、縱向伺服驅動器(型號為MSDA153A1A)、橫向伺服驅動器(型號為MSDA043A1A)、采用通常的冷卻系統(tǒng)和其他繼電控制電路等。工控機內AT總線上裝有一塊可控分布接口卡、兩塊電隔離雙路D/A接口卡(型號為PCL-728)。主軸電機連同輥旋轉時增量編碼器輸出反映輥旋轉位置的脈沖信號，脈沖信號傳給工控機21內的可控分布接口卡，經計算機處理后控制聲光電源19和縱向伺服驅動器，縱向伺服驅動器驅動縱向伺服電機17，經滾珠絲桿18帶動機床移動架14在機床導軌7上左右移動。工控機21內的一塊D/A接口卡發(fā)兩路信號給激光器電源15，控制A路激光器41和B路激光器39。工控機21內的另一塊D/A接口卡發(fā)一路信號給變頻器，變頻器驅動機床主軸電機連同輥旋轉，且轉速無級可調；D/A接口卡發(fā)另一路信號給位置PID調節(jié)器。激光與輥面間距自動跟蹤器由工控機21、位置PID調節(jié)器、電感式非接觸位移傳感器(使用型號為ST-1型)、橫向伺服電機及伺服電機、滾珠絲桿傳動副等構成，它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，工控機21設定間距大小，位移傳感器檢測實際間距，伺服驅動器工作在速度控制方式。冷卻系統(tǒng)由水箱、水泵及溫控器構成，它的作用是用于激光器的冷卻。
權利要求1.一種用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置，包括機械傳動機構、激光器和光路部分、用于控制傳動和激光器的控制部分；所述的機械傳動機構包括數控機床，機床頭內安裝一變頻器，其一側下部固定機床導軌一端，上部固定一卡盤；機床主軸通過變速箱與電機連接，機床導軌另一端上安裝有一用于裝卡輥的頂尖座，機床的導軌上安裝一移動架；其特征在于一伺服電機與滾珠絲桿直聯(lián)，通過絲母聯(lián)結移動架與導軌滑配；所述的移動架為兩維的，分上下兩層，下層安裝一路或兩路聲光電源及激光電源，上層平臺裝有激光器、聲光盒、光路和光路切換裝置、CCD攝像頭、激光頭、橫向移動調節(jié)機構；機床主軸的另一端固定主軸套，主軸套經彈性片聯(lián)軸節(jié)與一增量編碼器軸相連，增量編碼器端面固定一安裝套與機床主軸變速箱相連；所述的用于控制傳動和激光器的控制柜包括工控機、縱向和橫向伺服驅動器；工控機內AT總線上裝有一塊可控分布接口卡、兩塊電隔離雙路D/A接口卡，主軸電機連同輥旋轉時增量編碼器輸出反映輥旋轉位置的脈沖信號，脈沖信號輸入工控機內的可控分布接口卡，經計算機處理后輸入聲光電源和縱向伺服電機，工控機內的一塊D/A接口卡輸出兩路信號輸入激光器電源；另一塊D/A接口卡輸出一路信號輸入變頻器，D/A接口卡輸出另一路信號輸入位置PID調節(jié)器。
2.根據權利要求1所述的用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置，其特征在于所述的光路是在激光器輸出光光路上按順序安置全反鏡、擴束鏡、半透半反鏡、聚焦透鏡；在聚焦透鏡前安置一保護鏡，并在與光軸成30°-37°夾角處安置一雙氣路結構的輔助氣體噴射裝置；聚焦透鏡固定在一滑座上，滑座固定在一橫向移動機構上，每一臺激光器連接一聲光盒和聲光盒電源。
3.根據權利要求2所述的用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置，其特征在于所述的橫向移動調節(jié)機構包括滾珠絲桿、導軌和滑座構成一傳動副。
4.根據權利要求3所述的用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置，其特征在于橫向移動調節(jié)機構與裝在滑座上的位移傳感器、橫向伺服電機及位置PID調節(jié)器構成間距自動跟蹤器，跟蹤間距由工控機內的D/A接口卡設定。
5.根據權利要求1或2所述的用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置，其特征在于所述的光路切換裝置安置在激光器前，由低速同步電機、絲桿、導軌、滑座和一安有全反鏡的滑座組成，其中低速同步電機與絲桿直連，絲桿、導軌和滑座構成一傳動副。
6.根據權利要求1或2所述的用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置，其特征在于還包括在半透半反鏡另一輸出光的光路上按順序安置全反鏡、同軸照明燈。
專利摘要本實用新型涉及用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置,包括:機械傳動機構、激光器和光路部分、控制部分;機床主軸通過變速箱與電機連接;移動架和激光頭分別由交流伺服電機直連滾珠絲桿;一臺工控機集中控制。通過在主軸同軸方向裝一增量編碼器,使用激光頭與輥面間距自動跟蹤器使設備適用于凸、凹或S型輥面的激光毛化,達到毛化過程中光斑大小一致,毛化微坑大小一致,并保證設備長期可靠穩(wěn)定運行。
文檔編號B23K26/00GK2480097SQ0026477
公開日2002年3月6日 申請日期2000年12月13日 優(yōu)先權日2000年12月13日
發(fā)明者王紅才, 楊明江 申請人:中國科學院力學研究所