CN103286636A - 印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置及调整方法 - Google Patents

Abstract

一种印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置及调整方法，该刀具角度激光测控装置由激光表面波纹度测量单元和刀具安装角度调整单元组成；用该激光测控装置对印刷雕辊车磨一体机的刀具角度进行调整的方法如下：计算机控制线结构激光光源发出一束线结构光，聚焦在印刷雕辊毛坯加工后表面上，并由CMOS高速相机拍摄，根据三角测量法原理，将加工后的印刷雕辊毛坯表面的波纹度测量出来，通过不断调整印刷雕辊毛坯和刀盘的回转角速度，以及刀具安装角度，经过不断试切削，找到加工参数。在保证切削效率高的前提下，使加工后的镀铜印刷雕辊表面的波纹度最小。

Description

印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置及调整方法

技术领域

本发明涉及印刷雕辊加工技术领域，特别涉及一种印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置及调整方法。

背景技术

我国是印刷品生产大国，产能是世界第一位。印刷品印前工艺的最重要的部件之一就是印刷雕辊，它是印刷的模板。印刷雕辊是一个直径φ300mm～500mm、长度1000mm～2000mm的金属空心圆柱，它是由无缝钢管外圆依次进行粗加工、外圆精密电镀镀铜、外圆精密加工和外圆表面雕刻制成。对于大幅面的印刷雕辊来说，镀铜层精密切削加工是一个十分关键的环节。由于印刷雕辊毛坯尺寸较大，因此最好在印刷雕辊车磨一体机进行车削加工。印刷雕辊车磨一体机的车削加工特点是印刷雕辊21毛坯绕其回转轴21-1低速回转，刀具13装在高速回转刀盘14上快速回转，如图1、图2所示，这样印刷雕辊21毛坯回转产生的误差会很小。

对于机械加工来说，金属切削刀具的结构要素对于工件31表面形状误差和表面粗糙度影响至关重要，如图4所示，工件31设有待加工面31-1、加工面31-2和已加工面31-3。如图3所示，金属切削刀具13的结构要素由前刀面13-3、主后刀面13-4、副后刀面13-5、主切削刃13-6、副切削刃13-2和刀尖13-1组成。图4及图中所附的A-A剖视图和K向视图画出了车刀切削部分的主要角度，其中前角r₀是前刀面13-3与基面间的夹角，一般在-5°～25°之间选取；对于纯铜精加工来说，前角r₀应取较大值。后角α₀是主后刀面13-4与切削平面间的夹角，一般在6°～12°之间选取，对于纯铜精加工来说，后角α₀取大值。主偏角Kr是主切削刃13-6与进给运动方向的夹角，一般在30°～90°之间选取，对于纯铜精加工来说，主偏角Kr应取小值。副偏角K’r是副切削刃13-2与进给运动反方向的夹角，对于纯铜精加工来说，副偏角K’r可取5°左右。刃倾角λs是主切削刃13-6与基面间的夹角，一般在-10°～5°之间选取，对于纯铜精加工来说，工件31对车刀冲击力小，λs≤0°。

由于大幅面的印刷雕辊21毛坯的转动惯量较大，因此它的镀铜层精密车削加工与普通车削加工有很大不同；它是工件慢速回转提供圆周方向进给，刀具快速回转完成切削任务，如图1所示。在切削过程中，刀具的基面周期性的变化，导致金属切削刀具的各个主要角度都周期性变化，因此表面呈现加工波纹21-2，如图2所示。其波纹大小即波纹度Z取决于刀具的初始基面设置、刀盘的回转角速度和印刷雕辊毛坯的回转角速度。这样对于不同印刷雕辊毛坯的直径，就要调整刀具的初始基面设置、刀盘和印刷雕辊毛坯的回转角速度的比值。如果刀盘和印刷雕辊毛坯的回转角速度的比值很大，则加工波纹小、表面粗糙度小，但是加工效率很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置及调整方法，在保证切削效率高的前提下，能使印刷雕辊毛坯加工后的表面波纹度最小。

本发明所提出的技术解决方案是这样的：

一种印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置，该装置由激光表面波纹度测量单元和刀具安装角度调整单元组成，所述激光表面波纹度测量单元能获得聚焦在印刷雕辊切削后表面上的线结构激光光束的图像，并对图像中线激光条纹中心进行识别，从而测出印刷雕辊的表面波纹度，所述刀具安装角度调整单元能获得最佳的刀具回转轴的调整角度、印刷雕辊毛坯回转角速度和刀盘回转角速度，使印刷雕辊切削加工后的表面波纹度最小而加工效率最高。

所述激光表面波纹测量单元由计算机、激光光源及其驱动控制单元和CMOS高速相机组成，所述计算机控制激光光源发出一束线结构激光，聚焦在印刷雕辊切削后的表面上，并用CMOS高速相机拍摄成图像。

所述刀具安装角度调整单元由计算机、第1蓝牙接收和发送单元、直流伺服电机驱动控制单元、接触电刷、回转滑环、直流伺服电机、光电编码器、电磁离合器、刀具、刀盘、刀盘电控单元、第2蓝牙接收和发送单元组成，计算机控制直流伺服电机驱动控制单元产生PWM信号，并通过两对接触电刷和回转滑环与直流伺服电机绕组连接，通过电磁离合器驱动刀盘回转，直流伺服电机回转轴的转角被光电编码器测量，所获得的数据通过设在刀盘电控单元内的第2蓝牙接收和发送单元以无线数据传输给计算机；刀具装在刀盘下面，计算机将运算后的数据通过第2蓝牙接收和发送单元无线传输给刀盘电控单元，控制电磁离合器松开刀具回转轴，刀具通过直流伺服电机回转轴调整角度，调整后，控制电磁离合器夹紧刀具回转轴；直流伺服电机回转轴与刀具回转轴同轴线，刀盘回转轴与印刷雕辊回转轴共面。

所述刀具角度激光测控调整步骤为：

（1）计算机控制装在印刷雕辊车磨一体机的印刷雕辊毛坯在角速度ω₁的范围内，以δω₁为步长，由小到大地进行一系列的低速回转，其中，ω₁=10～20rpm，δ=1rpm；

（2）计算机控制印刷雕辊车磨一体机的刀盘在角速度ω₂的范围内，以δω₂为步长，由小到大地进行一系列的高速回转，其中，ω₂=2500～4500rpm，δ=250rpm；

（3）在直流伺服电机回转轴线与刀具的回转轴线同轴线、刀盘回转轴和印刷雕辊毛坯回转轴共面以及在每一个确定的印刷雕辊毛坯和刀盘的回转角速度ω₁和ω₂下，计算机控制直流伺服电机回转，直流伺服电机以δα为步长，在－α～α之间调整2α/δα+1次，角度α是切削刃尖与刀盘回转轴和印刷雕辊毛坯回转轴之间共面时，刀具夹持平面与刀盘回转轴和印刷雕辊毛坯回转轴所在平面之间的夹角，其中，δα=1°角度，α=70°角度；所述直流伺服电机回转控制过程为：计算机控制直流伺服电机驱动控制单元产生PWM信号：PWM+和PWM－,并通过两对接触电刷和设在刀盘回转轴上的回转滑环连接直流伺服电机绕组，驱动直流伺服电机回转，直流伺服电机回转轴的转角经过光电编码器测量，所获得的数据通过设在刀盘电控单元内的第2蓝牙接收和发送单元将无线数据传输给计算机；

（4）直流伺服电机回转轴每次调整一个角度之前，计算机通过第2蓝牙接收和发送单元将无线数据传输给刀盘电控单元，控制电磁离合器将与直流伺服电机回转轴共轴线的刀具回转轴松开，刀具随直流伺服电机回转轴回转而调整角度，刀具每次调整角度以后，计算机控制电磁离合器将刀具回转轴夹紧，刀具固定；

（5）计算机控制线结构激光光源发出一束线结构激光，聚焦在印刷雕棍切削后的表面上，此时线结构激光的宽度为2～6μm，长度略大于刀盘直径；印刷雕辊的表面波纹度测量步骤如下：

①将印刷雕棍切削后的表面上所聚焦的线结构激光用CMOS高速相机拍摄下来；

②对所获得的图像中线激光条纹中心进行识别，它是使用一种基于图像灰度梯度的条纹中心全分辨率精确提取方法，利用条纹在行与列上的分布情况提取条纹全分辨率中心点，并作为初值，然后在初值点计算条纹法向，在条纹法向上精确获取条纹的能量中心，得到线结构激光条纹中心位置；

③根据三角测量原理去标定数据，将激光条纹每一像素转换为高度信息，即测得印刷雕棍的表面波纹度；

（6）通过上述步骤（3）～（5），找到一个刀具回转轴的最佳角度，使印刷雕棍切削加工后的表面波纹度最小；

（7）通过上述步骤（1）～（6），找到一个确定的印刷雕辊毛坯和刀盘的回转角速度ω₁和ω₂，使印刷雕棍切削加工后的表面波纹度较小，在满足使用要求的前提下，印刷雕辊毛坯的加工效率最高。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

本发明采用激光测量与控制技术，寻找一个刀盘回转角速度ω₂与印刷雕辊毛坯回转角速度ω₁的最佳比值，在保证精密加工效率的前提下，能够有效地降低印刷雕辊毛坯加工后表面的波纹度，使印刷雕辊毛坯加工后表面的波纹度最小。

本发明主要应用于大幅面印刷雕辊毛坯的精密车削加工中。

附图说明

图1是现有印刷雕辊车磨一体机对印刷雕辊毛坯进行精密车削加工的结构示意图。

图2是图1的俯视图，图中对加工刀痕21-2作局部跨大。

图3是金属切削刀具的结构要素的示意图。

图4是金属切削刀具与工件之间角度关系示意图，图中附有其A-A剖视图和K向视图。

图5是本发明一个实施例的印刷雕辊车磨一体机的车削刀具角度激光测控装置的结构原理示意图。

图6是图5所示激光测控装置所采用的三角测量法原理示意图。

图中标记说明如下：1、直流电源；2、计算机；3、线结构激光光源；4、驱动控制单元；5、CMOS高速相机；6、第1蓝牙接收和发送单元；7、直流伺服电机驱动控制单元；8、接触电刷；9、回转滑环；10、直流伺服电机；11、光电编码器；12、电磁离合器；13、刀具；13-1、刀尖；13-2、副切削刀；13-3、前刀面；13-4、主后刀面；13-5、副后刀面；13-6、主切削刃；14、刀盘；14-1、刀盘回转轴；15、刀盘电控单元；16、第2蓝牙接收和发送单元；17、CMOS图像传感器；18、镜头；21、印刷雕辊；21-1、印刷雕辊回转轴；21-2、加工波纹；Z、波纹度；31、工件；31-1、待加工面；31-2、加工面；31-3、已加工面。

具体实施方式

通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。

一种印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置由激光表面波纹度测量单元和刀具安装角度调整单元组成，所述激光表面波纹度测量单元能获得聚焦在印刷雕辊切削后表面上的线结构激光光束的图像，并对图像中线激光条纹中心进行识别，从而测出印刷雕辊的表面波纹度，所述刀具安装角度调整单元能获得最佳的刀具回转轴的调整角度、印刷雕辊毛坯回转角速度和刀盘回转角速度，使印刷雕辊切削加工后的表面波纹度最小而加工效率最高。

激光表面波纹测量单元由计算机2、线结构激光光源3及其驱动控制单元4和CMOS高速相机5组成，所述计算机2控制线结构激光光源3发出一束线结构激光，聚焦在印刷雕辊21切削后的表面上，并用CMOS高速相机5拍摄成图像。

刀具安装角度调整单元由计算机2、第1蓝牙接收和发送单元6、直流伺服电机驱动控制单元7、接触电刷8、回转滑环9、直流伺服电机10、光电编码器11、电磁离合器12、刀具13、刀盘14、刀盘电控单元15、第2蓝牙接收和发送单元16组成，计算机2控制直流伺服电机驱动控制单元7产生PWM信号，并通过两对接触电刷8和回转滑环9与直流伺服电机10绕组连接，通过电磁离合器12驱动刀盘14回转，直流伺服电机10回转轴的转角被光电编码器11测量，所获得的数据通过设在刀盘电控单元15的第2蓝牙接收和发送单元16以无线数据传输给计算机2；刀具13装在刀盘14下面，计算机2将运算后的数据通过第2蓝牙接收和发送单元16无线传输给刀盘电控单元15，控制电磁离合器12松开刀具13回转轴，刀具13通过直流伺服电机10回转轴调整角度，调整后，控制电磁离合器12夹紧刀具13回转轴；直流伺服电机10回转轴与刀具13回转轴同轴线，刀盘14回转轴与印刷雕辊21回转轴共面。

利用印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置对该刀具角度进行调整的方法，其具体调整步骤为：

（1）计算机2控制装在印刷雕辊车磨一体机上装夹的印刷雕辊21毛坯(直径φ400mm，长度1800mm)，在角速度ω₁的范围内以δω₁为步长，由小到大地进行一系列低速回转，其中，ω₁的调节范围为10～20rpm，步长δω₁为1rpm。

（2）计算机2控制印刷雕辊车磨一体机上的刀盘14，在角速度ω₂的范围内以δω₂为步长，由小到大地进行一系列高速回转，其中，ω₂的调节范围为2500～4500rpm，步长δω₂为250rpm。

（3）计算机2控制直流伺服电机驱动控制单元7产生PWM信号：PWM+和PWM-,并通过两对接触电刷8和装在刀盘14的回转轴14-1上的回转滑环9连接直流伺服电机10绕组，驱动直流伺服电机10回转，直流伺服电机10回转轴的转角被光电编码器11测量以后，所获数据通过设在刀盘电控单元15内的第2蓝牙接收和发送单元16以无线数据传输给计算机2；刀盘14的结构是这样的，直流伺服电机10的回转轴线与刀具13的回转轴线同轴线，刀盘14的回转轴和印刷雕辊21的回转轴21-1共面，在每一个确定的印刷雕棍21毛坯和刀盘14回转角速度ω₁和ω₂下，计算机2控制直流伺服电机10回转，直流伺服电机10以δα=1°角度为步长，在-α～α之间即-70°～70°角度之间，调整2α/δα+1=141次，角度α是切削刀尖与刀盘回转轴14-1和印刷雕辊21毛坯回转轴21-1之间共面时，刀具夹持平面与刀盘回转轴14-1和印刷雕辊回转轴21-1所在平面之间的夹角。

（4）直流伺服电机10回转轴每次调整一个角度之前，计算机2通过第2蓝牙接收和发送单元16将无线数据传输给刀盘电控单元15，控制电磁离合器12将与直流伺服电机10回转轴共轴线的刀具13回转轴松开，刀具13随直流伺服电机10回转轴回转，从而调整其角度，刀具13每次调整角度以后，计算机2控制电磁离合器12将刀具13回转轴夹紧，刀具13得到固定。

（5）计算机2通过第1蓝牙接收和发送单元6和驱动控制单元4控制线结构激光光源3发出一束线结构激光并聚焦在印刷雕棍21切削后的表面上，此时线结构激光的宽度为2～6μm，本例取4μm，其长度略大于刀盘14的直径φ30mm。

印刷雕辊表面波纹度测量步骤如下：

印刷雕辊表面波纹度测量系统结构原理示意图如图5所示，首先拍摄图像：将印刷雕棍21切削后的表面上聚焦的线结构激光用CMOS高速相机5拍摄下来；

其次对图像中线激光条纹中心进行识别，在理想情况下，线结构激光光源3照射到印刷雕棍21切削后的表面上的光线，在CMOS图像传感器17上应该是一条单位像素的线条，但是实际上由于光线发散，所拍摄到的是有多个像素宽度的条纹，准确地找到条纹中心线，是确保高精度三维扫描的前提，理想状况下，线结构激光条纹光强符合高斯分布，其光强f(x)数学表达式为：

$f\left(x\right)=A\·\exp [-\frac{{(x-x_c)}^2}{{\mathrm{\ρ}}^2}]---\left(1\right)$

其中A是线结构激光条纹灰度幅值，ρ是光条的宽度，x_c是高斯分布的坐标。根据对测量要求和条纹特点的分析，这里使用一种基于图像灰度梯度的条纹中心全分辨率精确提取方法，利用条纹在行与列上的分布情况提取条纹全分辨率中心点，并作为初值，然后在初值点计算条纹法向，最后在条纹法向上精确获取条纹的能量中心,得到线结构激光条纹中心位置。

最后，如图6所示，根据三角测量原理和标定数据，将激光条纹每一像素转换为高度信息，即测得印刷雕棍21的表面波纹度Z。线结构激光射到印刷雕棍21切削后的表面上，表面高度变化导致入射光点沿x方向变化。镜头18接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在CMOS图像传感器17的敏感面上。光点在成像面上的位移为x’，按下式可求出被测面的高度信息

$z=\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{b\sin \mathrm{\θ}-x^{\′}\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

式子中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；θ为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。

测得印刷雕棍21的加工后的表面波纹度Z随刀具13调整角度、刀盘14和印刷雕辊21毛坯的回转角速度ω₂和ω₁的比值变化而变化，范围是0.8μm～3.5μm。

（6）通过上述步骤（3）～（5），找到刀具13回转轴的最佳角度为-7°，使切削加工后的表面波纹度Z最小，达到0.8μm。

（7）通过上述步骤（1）～（6），找到一个确定的印刷雕辊21毛坯和刀盘14的回转角速度为16rpm和3800rpm，使印刷雕辊21毛坯切削加工后的表面波纹度Z最小，达到0.8　m，同时，印刷雕辊21毛坯的加工效率最高，达到15min/m2。

Claims (4)

1.一种印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置，其特征在于：该装置由激光表面波纹度测量单元和刀具安装角度调整单元组成，所述激光表面波纹度测量单元能获得聚焦在印刷雕辊切削后表面上的线结构激光光束的图像，并对图像中线激光条纹中心进行识别，从而测出印刷雕辊的表面波纹度，所述刀具安装角度调整单元能获得最佳的刀具回转轴的调整角度、印刷雕辊毛坯回转角速度和刀盘回转角速度，使印刷雕辊切削加工后的表面波纹度最小而加工效率最高。

2.根据权利要求1所述的印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置，其特征在于：所述激光表面波纹测量单元由计算机、激光光源及其驱动控制单元和CMOS高速相机组成，所述计算机控制激光光源发出一束线结构激光，聚焦在印刷雕辊切削后的表面上，并用CMOS高速相机拍摄成图像。

3.根据权利要求1所述的印刷雕辊车磨一体机刀具角度激光测控装置，其特征在于：所述刀具安装角度调整单元由计算机、第1蓝牙接收和发送单元、直流伺服电机驱动控制单元、接触电刷、回转滑环、直流伺服电机、光电编码器、电磁离合器、刀具、刀盘、刀盘电控单元、第2蓝牙接收和发送单元组成，计算机控制直流伺服电机驱动控制单元产生PWM信号，并通过两对接触电刷和回转滑环与直流伺服电机绕组连接，通过电磁离合器驱动刀盘回转，直流伺服电机回转轴的转角被光电编码器测量，所获得的数据通过设在刀盘电控单元内的第2蓝牙接收和发送单元以无线数据传输给计算机；刀具装在刀盘下面，计算机将运算后的数据通过第2蓝牙接收和发送单元无线传输给刀盘电控单元，控制电磁离合器松开刀具回转轴，刀具通过直流伺服电机回转轴调整角度，调整后，控制电磁离合器夹紧刀具回转轴；直流伺服电机回转轴与刀具回转轴同轴线，刀盘回转轴与印刷雕辊回转轴共面。

4.利用权利要求1所述的刀具角度激光测控装置对印刷雕辊车磨一体机的刀具角度进行调整的方法，其特征在于：对所述刀具角度进行激光测控调整步骤为：

（1）计算机控制装在印刷雕辊车磨一体机的印刷雕辊毛坯在角速度ω₁的范围内以δω₁为步长，由小到大地进行一系列的低速回转，其中，ω₁=10～20rpm，δω₁=1rpm；

（2）计算机控制印刷雕辊车磨一体机的刀盘在角速度ω₂的范围内以δω₂为步长，由小到大的进行一系列的高速回转，其中，ω₂=2500～4500rpm，δω₂=250rpm；

（3）在直流伺服电机回转轴线与刀具的回转轴线同轴线、刀盘回转轴和印刷雕辊毛坯回转轴共面以及在每一个确定的印刷雕辊毛坯和刀盘的回转角速度ω₁和ω₂下，计算机控制直流伺服电机回转，直流伺服电机以δα为步长，在－α～α之间调整2α/δα+1次，角度α是切削刃尖与刀盘回转轴和印刷雕辊毛坯回转轴之间共面时，刀具夹持平面与刀盘回转轴和印刷雕辊毛坯回转轴所在平面之间的夹角，其中，δα=1°角度，α=70°角度；所述直流伺服电机回转控制过程为：计算机控制直流伺服电机驱动控制单元产生PWM信号：PWM+和PWM－,并通过两对接触电刷和设在刀盘回转轴上的回转滑环连接直流伺服电机绕组，驱动直流伺服电机回转，直流伺服电机回转轴的转角经过光电编码器测量，所获得的数据通过设在刀盘电控单元内的第2蓝牙接收和发送单元以无线数据传输给计算机；

（4）直流伺服电机回转轴每次调整一个角度之前，计算机通过第2蓝牙接收和发送单元将无线数据传输给刀盘电控单元，控制电磁离合器将与直流伺服电机回转轴共轴线的刀具回转轴松开，刀具随直流伺服电机回转轴回转而调整角度，刀具每次调整角度以后，计算机控制电磁离合器将刀具回转轴夹紧，刀具固定；

（5）计算机控制线结构激光光源发出一束线结构激光，聚焦在印刷雕棍切削后的表面上，此时线结构激光的宽度为2～6μm，长度略大于刀盘直径；

印刷雕辊的表面波纹度测量步骤如下：

①将印刷雕棍切削后的表面上所聚焦的线结构激光用CMOS高速相机拍摄下来；

②对所获得的图像中线激光条纹中心进行识别，它是使用一种基于图像灰度梯度的条纹中心全分辨率精确提取方法，利用条纹在行与列上的分布情况提取条纹全分辨率中心点，并作为初值，然后在初值点计算条纹法向，在条纹法向上精确获取条纹的能量中心，得到线结构激光条纹中心位置；

③根据三角测量原理去标定数据，将激光条纹每一像素转换为高度信息，即测得印刷雕棍的表面波纹度；

（6）通过上述步骤（3）～（5），找到一个刀具回转轴的最佳角度，使印刷雕棍切削加工后的表面波纹度最小；

（7）通过上述步骤（1）～（6），找到一个确定的印刷雕辊毛坯和刀盘的回转角速度ω₁和ω₂，使印刷雕棍切削加工后的表面波纹度较小，在满足使用要求的前提下，印刷雕辊毛坯的加工效率最高。

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