專(zhuān)利名稱(chēng)：具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于輥類(lèi)表面毛化的激光加工系統(tǒng)，特別是涉及一種具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化YAG激光加工系統(tǒng)。
YAG激光毛化設(shè)備是中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所在九十年代研究開(kāi)發(fā)的冷軋輥激光加工系統(tǒng)，如中國(guó)專(zhuān)利號(hào)ZL 92 1 13223.9，發(fā)明名稱(chēng)“高重頻調(diào)制多脈沖YAG激光刻花系統(tǒng)及加工方法”。該設(shè)備采用高重復(fù)頻率的大功率激光脈沖作用于軋輥表面，在輥面上產(chǎn)生無(wú)數(shù)一定形貌的強(qiáng)化微坑(毛化點(diǎn))。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(zhǎng)的使用時(shí)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(shí)的粘連。所生產(chǎn)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(xué)鍍層牢固，是汽車(chē)，家電，電子器件和裝飾板用優(yōu)良材料。在該專(zhuān)利中激光毛化設(shè)備由普通車(chē)床改造而成。其工作過(guò)程是機(jī)床主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)軋輥旋轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)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(diǎn)構(gòu)成的螺旋線。螺旋線每一圈上的毛化點(diǎn)間距基本相等，這是由于激光脈沖頻率固定，主軸轉(zhuǎn)速基本恒定。由于聲光電源(控制激光器)的控制與主軸旋轉(zhuǎn)的控制是相互獨(dú)立的，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)同步控制，而主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)速精度有限，導(dǎo)致毛化點(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)的分布沒(méi)有規(guī)律，基本上是隨機(jī)的。實(shí)驗(yàn)表面毛化點(diǎn)隨機(jī)分布的毛化板，它的各個(gè)部位及其各個(gè)方向的性能有較大差異，并且這種差異的分布也是隨機(jī)的。毛化點(diǎn)的分布對(duì)毛化板的性能影響很大，實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的可控分布對(duì)提高毛化板的均勻度有重要意義。
又如中國(guó)專(zhuān)利號(hào)ZL94220848.X，發(fā)明名稱(chēng)“用于軋輥表面毛化的激光加工設(shè)備”。該激光毛化設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖如

圖1所示，該裝置由機(jī)床床頭、機(jī)床床身和機(jī)床床尾三部分組成。機(jī)床床頭包括機(jī)床主軸電機(jī)、機(jī)床主軸變速箱、卡盤(pán)、機(jī)床移動(dòng)變速箱和滑潤(rùn)泵等；機(jī)床床身包括機(jī)床導(dǎo)軌及上面的移動(dòng)架、光桿和頂尖座等；機(jī)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(diǎn)由于沒(méi)有安裝軋輥位置檢測(cè)裝置，無(wú)法同步控制聲光電源和機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)；由于激光器固定不動(dòng)，毛化過(guò)程中有光程差，光斑大小不一致，導(dǎo)致毛化微坑大小不一致；由于機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)架移動(dòng)不是無(wú)級(jí)調(diào)速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)圓周方向的間距(點(diǎn)距)和軸向間距(螺距)任意調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的目的在于克服上述已有輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)的缺點(diǎn)，為了提高毛化板的均勻度，為了實(shí)現(xiàn)被加工的輥類(lèi)表面毛化點(diǎn)在圓周方向的分布可控，點(diǎn)間距無(wú)級(jí)可調(diào)；為了使設(shè)備適用于凸、凹或S型輥面的激光毛化，提高設(shè)備適用性；從而提供一種具有可控分布毛化點(diǎn)的用于輥類(lèi)表面毛化的激光加工裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)包括機(jī)械傳動(dòng)部分、激光器和光路部分、用于控制傳動(dòng)和激光器的控制部分；所述的機(jī)械傳動(dòng)包括一數(shù)控機(jī)床，機(jī)床床頭內(nèi)安裝一變頻器，其一側(cè)上部固定一用于卡裝輥的卡盤(pán)，其下部固定機(jī)床導(dǎo)軌；機(jī)床主軸通過(guò)變速箱與電機(jī)連接，機(jī)床導(dǎo)軌另一端上安裝有一用于裝卡輥的頂尖座；機(jī)床的導(dǎo)軌上安裝一移動(dòng)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(kuò)束鏡、聚焦鏡組成的光路，其特征在于所述的移動(dòng)架為上下兩層的兩維移動(dòng)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(tái)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的激光頭；一速度無(wú)級(jí)可調(diào)的伺服電機(jī)與滾珠絲桿直聯(lián)，通過(guò)絲母聯(lián)接移動(dòng)架與導(dǎo)軌滑配；主軸套與機(jī)床主軸的另一端用螺紋連接，主軸套經(jīng)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(jīng)安裝套與機(jī)床主軸變速箱相連；所述的用于控制傳動(dòng)和激光器的控制部分包括工控機(jī)內(nèi)的D/A接口卡輸出的信號(hào)到變頻器、機(jī)床主軸電機(jī)；主軸電機(jī)連同輥旋轉(zhuǎn)時(shí)增量編碼器輸出反映輥旋轉(zhuǎn)位置的脈沖信號(hào)輸入到工控機(jī)內(nèi)的可控分布接口卡，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后控制聲光電源和縱向伺服驅(qū)動(dòng)器，縱向伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)縱向伺服電機(jī)，經(jīng)滾珠絲桿帶動(dòng)兩維移動(dòng)架。
所述的光路在移動(dòng)架上層平臺(tái)上安置一或二臺(tái)激光器，激光器輸出光光路上按順序安置全反鏡、擴(kuò)束鏡、半透半反鏡、聚焦透鏡；在聚焦透鏡前安置一保護(hù)鏡(它的作用是隔斷激光聚焦鏡與激光在輥面上的作用點(diǎn)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(jié)構(gòu)的輔助氣體噴射裝置(將激光作用點(diǎn)處的熔融金屬吹向一側(cè))；聚焦透鏡固定在一滑座上，滑座安裝在一橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)；在半透半反鏡所透過(guò)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(tái)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(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、滑座及滑座上的全反鏡構(gòu)成，低速同步電機(jī)與絲桿直連，絲桿、導(dǎo)軌和滑座構(gòu)成一傳動(dòng)副。光路切換裝置的作用是轉(zhuǎn)折光路，使B臺(tái)激光器發(fā)出的激光光束進(jìn)入激光擴(kuò)束鏡，使二臺(tái)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲桿、導(dǎo)軌和滑座構(gòu)成一傳動(dòng)副，它與裝在滑座上的位移傳感器、橫向伺服電機(jī)及位置PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成間距自動(dòng)跟蹤器，跟蹤間距可由工控機(jī)內(nèi)的D/A接口卡設(shè)定。
所述的數(shù)控機(jī)床是一主軸轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)的兩維數(shù)控機(jī)床；所述的橫向伺服電機(jī)、縱向伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)。數(shù)控機(jī)床還包括有一通常的潤(rùn)滑系統(tǒng)。
輔助氣體噴射裝置的另一氣路是與會(huì)聚激光束同軸的，氣流引入處在保護(hù)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(hù)保護(hù)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(jīng)物鏡處理的輥表面的形貌成像于CCD像元上。整個(gè)成像系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)顯微鏡裝置。一激光聚焦鏡除了具有一般的YAG激光加工系統(tǒng)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(gòu)成CCD成像物鏡裝置，其優(yōu)點(diǎn)是橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)不影響CCD成像的清晰度。
還包括光路防護(hù)套用于光路防塵，它有三種結(jié)構(gòu)。一種是固定長(zhǎng)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(diào)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(kuò)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(zhǎng)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(diǎn)是防護(hù)套的長(zhǎng)度可隨橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的前后移動(dòng)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(guò)給聲光盒發(fā)出超聲波信號(hào)控制激光器發(fā)出的光脈沖。
所述的控制柜包括工控機(jī)、縱向伺服驅(qū)動(dòng)器、橫向伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)內(nèi)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(jī)連同輥旋轉(zhuǎn)時(shí)增量編碼器輸出反映輥旋轉(zhuǎn)位置的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)傳給工控機(jī)內(nèi)的可控分布接口卡，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后控制聲光電源和縱向伺服驅(qū)動(dòng)器，縱向伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)縱向伺服電機(jī)，經(jīng)滾珠絲桿帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)架在機(jī)床導(dǎo)軌上左右移動(dòng)。工控機(jī)內(nèi)的一塊D/A接口卡輸出兩路信號(hào)給激光器電源，控制A路激光器和B路激光器。工控機(jī)內(nèi)的另一塊D/A接口卡輸出一路信號(hào)給變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸電機(jī)連同輥旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)；D/A接口卡輸出另一路信號(hào)給位置PID調(diào)節(jié)器。激光與輥面間距自動(dòng)跟蹤器由工控機(jī)、位置PID調(diào)節(jié)器、電感式非接觸位移傳感器、橫向伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、滾珠絲桿傳動(dòng)副等構(gòu)成，它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，工控機(jī)設(shè)定間距大小，位移傳感器檢測(cè)實(shí)際間距，伺服驅(qū)動(dòng)器工作在速度控制方式。冷卻系統(tǒng)按通常的結(jié)構(gòu)由水箱、水泵及溫控器構(gòu)成，它的作用是用于激光器的冷卻。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、該裝置的機(jī)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(guò)工控機(jī)來(lái)控制軸的旋轉(zhuǎn)方向均勻可調(diào)，使輥面上的毛化點(diǎn)在圓周方向的分布可控，間距(點(diǎn)距)無(wú)級(jí)可調(diào)。而激光毛化由工控機(jī)來(lái)控制，聲光電源電信號(hào)控制激光器發(fā)出光脈沖的頻率，響應(yīng)速度快，對(duì)毛化點(diǎn)具有較好的可控性。本發(fā)明采用的激光毛化可控分布技術(shù)充分發(fā)揮了激光毛化的優(yōu)勢(shì)，解決了毛化板的均勻度問(wèn)題，使用它能生產(chǎn)出均勻度非常高的優(yōu)質(zhì)毛化板。
2、由于采用在導(dǎo)軌上滑配一二維移動(dòng)架，使得傳動(dòng)靈活，并且輥面上的毛化點(diǎn)在軸向間距(螺距)無(wú)級(jí)可調(diào)。
3、激光頭與輥面間距自動(dòng)跟蹤器保證最佳對(duì)焦，并使設(shè)備適用于凸、凹或S型輥面的激光毛化，設(shè)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(jī)集中控制，兼作監(jiān)視器，并能捕捉并存儲(chǔ)毛化形貌圖。
6、由于安裝有一間距自動(dòng)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(jié)構(gòu)，激光器可以交替使用，保證了設(shè)備長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明圖1現(xiàn)有激光毛化設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明的激光毛化設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意3增量編碼器與主軸聯(lián)接示意圖；圖4是機(jī)床機(jī)移動(dòng)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6是隨機(jī)分布毛化點(diǎn)形貌圖；圖7菱形分布毛化點(diǎn)形貌圖； 圖8是矩形分布毛化點(diǎn)形貌圖；圖9是菱形分布毛化輥面展開(kāi)示意圖； 圖10是時(shí)序圖；圖11是激光毛化可控分布工作流程簡(jiǎn)圖；圖面說(shuō)明 1-待加工輥； 2-光路防護(hù)套； 3-氣路；4-激光器；5-機(jī)床床頭； 6-監(jiān)視器；7-機(jī)床導(dǎo)軌； 8-機(jī)床移動(dòng)架； 9-激光頭；10-光桿；11-機(jī)床床尾； 14-二維移動(dòng)架； 15-聲光電源； 16-頂尖座；17-縱向伺服電機(jī)； 18-滾珠絲桿；19-激光電源； 20-控制柜；21-工控機(jī)； 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(jī)床主軸變速箱； 27-機(jī)床主軸套； 28-機(jī)床主軸；29-橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 30-激光頭； 31-擴(kuò)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(hù)套；實(shí)施例1本實(shí)施例是按圖2、圖3和圖4制作一臺(tái)具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化的激光加工系統(tǒng)。
采用一通常的二維機(jī)床，其床頭5內(nèi)安一型號(hào)為iHF-7.5K的變頻器12、它與機(jī)床主軸28驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)電連接；主軸變頻電機(jī)經(jīng)機(jī)床主軸變速箱26與機(jī)床主軸28相連，且轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)。機(jī)床主軸28一側(cè)固定卡盤(pán)，卡盤(pán)用于裝卡輥；機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)(型號(hào)為YVP-132M)、機(jī)床主軸變速箱(減速比為7.5)、機(jī)床主軸套27(帶軸頭)與機(jī)床主軸28的另一端用螺紋連接，主軸套27經(jīng)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(hào)為ZPJ-500A-25000，每轉(zhuǎn)等分10萬(wàn)線)的端面固定增量編碼器安裝套25，并經(jīng)安裝套與機(jī)床主軸變速箱26相連，(保證增量編碼器裝在在機(jī)床主軸28同軸方向)；所述的伺服電機(jī)17(使用型號(hào)為MDMA152A1A)與滾珠絲桿18直聯(lián)，伺服電機(jī)17驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿18通過(guò)絲母帶動(dòng)移動(dòng)架14與導(dǎo)軌滑配在導(dǎo)軌7上左右移動(dòng)，且速度無(wú)級(jí)可調(diào)。
移動(dòng)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(kuò)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(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)29、其中光路安置在移動(dòng)架14上層平臺(tái)上，激光器A輸出光光路上按順序安置全反鏡38、擴(kuò)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(hù)鏡，它的作用是隔斷激光聚焦鏡與激光在輥面上的作用點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)29上，每一臺(tái)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(hù)鏡、輔助氣體噴射裝置；在激光毛化過(guò)程中，軋輥表面的金屬在激光的作用下產(chǎn)生溶化與部分汽化，為了使軋輥及軋制的金屬板達(dá)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?chē)€應(yīng)有凸臺(tái)的存在，這種凸臺(tái)就是由溶化的金屬流出凹坑凝固所形成。為此，在保護(hù)鏡與光軸成30°-37°夾角處安置一通常的雙氣路結(jié)構(gòu)的輔助氣體噴射裝置，將激光作用點(diǎn)處的熔融金屬吹向一側(cè)。橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)29由橫向伺服電機(jī)(型號(hào)為MSMA042A1A)、滾珠絲桿、導(dǎo)軌和滑座構(gòu)成一傳動(dòng)副，它與裝在滑座上的位移傳感器、橫向伺服驅(qū)動(dòng)器及位置PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成間距自動(dòng)跟蹤器，跟蹤間距可由工控機(jī)21內(nèi)的D/A接口卡設(shè)定。激光頭和光路防護(hù)套43、44與45。光路切換裝置38由低速同步電機(jī)與絲桿直連，絲桿、導(dǎo)軌和滑座構(gòu)成一傳動(dòng)副構(gòu)成。光路切換裝置38的作用是轉(zhuǎn)折光路，使B臺(tái)激光器39發(fā)出的激光光束進(jìn)入激光擴(kuò)束鏡31。在激光毛化過(guò)程中，激光聚焦鏡除了具有一般的YAG激光加工系統(tǒng)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(gòu)成CCD成像物鏡系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)29移動(dòng)時(shí)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(jīng)物鏡處理的輥表面的形貌成像于CCD像元上，整個(gè)成像系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)顯微鏡裝置。
還包括在半透半反鏡32所透過(guò)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(hù)套用于光路防塵，它有三種結(jié)構(gòu)。光路防護(hù)套45是固定長(zhǎng)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(hù)套44是可微調(diào)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(kuò)束鏡31和光束反射鏡32之間的光路連接；光路防護(hù)套43由兩段或兩段以上的固定長(zhǎng)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(diǎn)是防護(hù)套的長(zhǎng)度可隨橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)29的前后移動(dòng)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(guò)給聲光盒發(fā)出超聲波信號(hào)控制激光器發(fā)出的光脈沖。
潤(rùn)滑系統(tǒng)采用通常的機(jī)床潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)，該潤(rùn)滑系統(tǒng)有潤(rùn)滑泵通過(guò)油管與油箱連通。
控制柜20包括工控機(jī)21(型號(hào)為AWS-825P)、縱向伺服驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)為MSDA153A1A)、橫向伺服驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)為MSDA043A1A)、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(jī)內(nèi)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(hào)為PCL-728)。主軸電機(jī)連同輥旋轉(zhuǎn)時(shí)增量編碼器輸出反映輥旋轉(zhuǎn)位置的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)傳給工控機(jī)21內(nèi)的可控分布接口卡，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后控制聲光電源19和縱向伺服驅(qū)動(dòng)器，縱向伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)縱向伺服電機(jī)17，經(jīng)滾珠絲桿18帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)架14在機(jī)床導(dǎo)軌7上左右移動(dòng)。工控機(jī)21內(nèi)的一塊D/A接口卡發(fā)兩路信號(hào)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(jī)21內(nèi)的另一塊D/A接口卡發(fā)一路信號(hào)給變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸電機(jī)連同輥旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)；D/A接口卡發(fā)另一路信號(hào)給位置PID調(diào)節(jié)器。激光與輥面間距自動(dòng)跟蹤器由工控機(jī)21、位置PID調(diào)節(jié)器、電感式非接觸位移傳感器(使用型號(hào)為ST-1型)、橫向伺服電機(jī)及伺服電機(jī)、滾珠絲桿傳動(dòng)副等構(gòu)成，它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，工控機(jī)21設(shè)定間距大小，位移傳感器檢測(cè)實(shí)際間距，伺服驅(qū)動(dòng)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(gòu)成，它的作用是用于激光器的冷卻。
圖7、8是使用本實(shí)施例的系統(tǒng)進(jìn)行的軋輥激光毛化形貌圖，其中圖7是菱形分布毛化點(diǎn)形貌圖；圖8是矩形分布毛化點(diǎn)形貌圖；圖9是菱形分布毛化輥面展開(kāi)示意圖。產(chǎn)生菱形分布的方法是取轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)，隔兩個(gè)點(diǎn)打一次。由圖7～8可看出，形貌圖上的毛化點(diǎn)的分布是規(guī)則的，可控的?，F(xiàn)有激光毛化板毛化點(diǎn)的分布是隨機(jī)的，毛化板各部位及其各個(gè)方向的性能有較大差異，并且這種差異的分布也是隨機(jī)的。從這一點(diǎn)來(lái)講，激光毛化板和噴丸毛化板是一致的。由于噴丸的位置是隨機(jī)分布的，這種工藝根本無(wú)法解決毛化板的均勻度問(wèn)題。激光毛化可控分布技術(shù)充分發(fā)揮了激光毛化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使毛化點(diǎn)的分布是均勻的(矩形或菱形)，這種分布就能保證毛化板的各部位的同方向的性能是一致的，使激光毛化板在性能上上了一個(gè)新臺(tái)階。有報(bào)告說(shuō)，采用該技術(shù)生產(chǎn)的激光毛化板與電子束毛化板相比，均勻度更高，性能更優(yōu)越。
實(shí)施例中移動(dòng)架交流伺服工作在位置控制方式，位置給定采用脈沖串方式。工控機(jī)對(duì)主軸編碼器信號(hào)分頻后控制伺服驅(qū)動(dòng)器，這就能保證了主軸旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)架移動(dòng)的同步控制。
圖10是時(shí)序圖。O是主軸編碼器的輸出信號(hào)，O1是聲光電源控制信號(hào)，O2是縱向伺服驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖中參數(shù)(12T、13T和500T)是可控分布接口卡上的定時(shí)器8254的計(jì)數(shù)器系數(shù)。
圖11是激光毛化可控分布工作流程簡(jiǎn)圖。整個(gè)系統(tǒng)有停止、讀入、修改、存儲(chǔ)、插入、刪除和運(yùn)行7個(gè)狀態(tài)，開(kāi)機(jī)后處于停止?fàn)顟B(tài)。如果參數(shù)已存儲(chǔ)在文件MH.TXT中，可按F2鍵進(jìn)入讀入狀態(tài)；如果參數(shù)不合適，按F6鍵進(jìn)入修改狀態(tài)；如果要存儲(chǔ)、插入、刪除參數(shù)，可分別按F3、F4、F5鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們都由↓(確定)、↑(取消)確認(rèn)并退回到停止?fàn)顟B(tài)。在讀入、修改和停止?fàn)顟B(tài)按F7鍵，運(yùn)行(毛化)開(kāi)始，當(dāng)毛化長(zhǎng)度等于輥長(zhǎng)時(shí)毛化自動(dòng)停止，如果毛化過(guò)程中要急停，可按F8鍵。在停止?fàn)顟B(tài)按F1鍵退到DOS。
權(quán)利要求
1.一種具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，包括機(jī)械傳動(dòng)部分、激光器和光路部分、用于控制傳動(dòng)和激光器的控制部分；所述的機(jī)械傳動(dòng)包括數(shù)控機(jī)床，機(jī)床床頭內(nèi)安裝一變頻器，其一側(cè)下部固定機(jī)床導(dǎo)軌一端，上部固定一卡盤(pán)；機(jī)床主軸通過(guò)變速箱與電機(jī)連接，機(jī)床導(dǎo)軌另一端上安裝有一用于裝卡輥的頂尖座，機(jī)床的導(dǎo)軌上安裝一移動(dòng)架；其特征在于一伺服電機(jī)與滾珠絲桿直聯(lián)，通過(guò)絲母聯(lián)結(jié)移動(dòng)架與導(dǎo)軌滑配；所述的移動(dòng)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(tái)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(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；機(jī)床主軸的另一端固定主軸套，主軸套經(jīng)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(jī)床主軸變速箱相連；所述的用于控制傳動(dòng)和激光器的控制柜包括工控機(jī)、縱向和橫向伺服驅(qū)動(dòng)器；工控機(jī)內(nèi)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(jī)連同輥旋轉(zhuǎn)時(shí)增量編碼器輸出反映輥旋轉(zhuǎn)位置的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)輸入工控機(jī)內(nèi)的可控分布接口卡，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸入聲光電源和縱向伺服電機(jī)，工控機(jī)內(nèi)的一塊D/A接口卡輸出兩路信號(hào)輸入激光器電源，另一塊D/A接口卡輸出一路信號(hào)輸入變頻器，輸出另一路信號(hào)輸入位置PID調(diào)節(jié)器。
2.按權(quán)利要求1所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光路安置在移動(dòng)架上層平臺(tái)上，其上安置一或二臺(tái)激光器，激光器輸出光光路上按順序安置全反鏡、擴(kuò)束鏡、半透半反鏡、聚焦透鏡；在聚焦透鏡前安置一保護(hù)鏡，并在與光軸成30°-37°夾角處安置一雙氣路結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)構(gòu)上，每一臺(tái)激光器連接一聲光盒和聲光盒電源。
3.按權(quán)利要求1所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲桿、導(dǎo)軌和滑座構(gòu)成一傳動(dòng)副。
4.按權(quán)利要求1所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的間距自動(dòng)跟蹤器由橫向移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與裝在滑座上的位移傳感器、橫向伺服電機(jī)及位置PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成，跟蹤間距由工控機(jī)內(nèi)的D/A接口卡設(shè)定。
5.按權(quán)利要求1、2所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于還包括在半透半反鏡所透過(guò)光的光路上按順序安置全反鏡、半透半反鏡、CCD攝像頭。
6.按權(quán)利要求1、2所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，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(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、滑座和一安有全反鏡的滑座組成，其中低速同步電機(jī)與絲桿直連，絲桿、導(dǎo)軌和滑座構(gòu)成一傳動(dòng)副。
7.按權(quán)利要求1、2所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于還包括在半透鏡另一輸出光的光路上按順序安置全反鏡、同軸照明燈。
8.按權(quán)利要求1、2所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光路防護(hù)套是金屬套筒、聯(lián)接在反射鏡、攝像裝置與同軸照明燈的光路之間。
9.按權(quán)利要求1、2所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光路防護(hù)套是可微調(diào)的波紋狀的金屬筒或塑料筒，它聯(lián)接在A路激光器、B路激光器、光路切換裝置、激光擴(kuò)束鏡和光束反射鏡的光路之間。
10.按權(quán)利要求1、2所述的具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng)，其特征在于所述的光路防護(hù)套是由至少兩段固定長(zhǎng)度的金屬套筒套裝組成，聯(lián)接在光束反射鏡與激光頭的光路之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可控分布毛化點(diǎn)的輥類(lèi)表面毛化激光加工系統(tǒng),包括:機(jī)械傳動(dòng)部分、激光器和光路部分、控制部分;機(jī)床主軸通過(guò)變速箱與電機(jī)連接;移動(dòng)架和激光頭分別由交流伺服電機(jī)直連滾珠絲桿;一臺(tái)工控機(jī)集中控制。通過(guò)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(dòng)跟蹤器使設(shè)備適用于凸、凹或S型輥面的激光毛化,達(dá)到毛化過(guò)程中光斑大小一致,毛化微坑大小一致,并保證設(shè)備長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)B21B27/02GK1357427SQ0012827
公開(kāi)日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2000年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者王紅才, 楊明江 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所