CN109365993A - 一种轧辊激光毛化加工设备及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轧辊激光毛化加工设备及其加工方法，包括如下步骤：加工区域划分；确定分布方案：根据所述轧辊加工单元参数和形貌参数，得出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；确定输出信号：通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号；轧辊激光毛化加工：所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元。本发明可保证毛化点无序程度的同时也能确保形貌分布的均匀性，生产的冷轧板表面在后续涂装处理中一致性更好。

Description

一种轧辊激光毛化加工设备及其加工方法

技术领域

本发明涉及表面处理领域中的激光毛化加工技术，特别涉及一种轧辊激光毛化加工设备及其加工方法。

背景技术

冷轧板表面的一定形貌参数对钢板的冲压性和表面涂镀性能有重要影响，而冷轧板的表面形貌在很大程度上又取决于冷轧生产过程中轧机工作辊及光整机组工作辊的表面形貌。实质上，冷轧板表面形貌是轧辊表面形貌的衰减性“拷贝”。为使带钢表面达到满足需要的表面形貌，一般采用轧辊表面毛化的办法。不同种类冷轧板，对毛化形貌的种类、形貌微观尺寸存在不同要求；毛化形貌的保持性、一致性、均匀性，对同一批次冷轧板表面质量一致性影响显著；毛化形貌排列的无序程度，与冷轧板后续涂装处理表面质量呈正相关。

目前，用于轧辊毛化的主流方法有喷丸毛化、电火花毛化、激光毛化。喷丸毛化靠硬质微粒冲击轧辊表面，形成凹陷毛化形貌，该技术明显缺陷有：1)形成的毛化形貌单一，且毛化形貌微观尺寸调节困难，不能适应不同类别钢板轧制需求；2)加工过程环境恶劣，并入冷轧板生产线难度大。电火花毛化是在绝缘液中电极与轧辊表面之间产生脉冲性的火花放电，靠局部放电产生的瞬时高温刻蚀轧辊表面，形成毛化形貌，形貌排列具有随机性，该技术的缺陷有：1)通过热效应烧蚀轧辊表面形成的毛化形貌，具有重铸层、重淬层、热影响层和基材四层，其中使得轧辊表面糙化的重铸层易剥落，形貌保持性差、寿命短，严重影响同一批次轧制钢板表面质量一致性；2)毛化加工中电极损耗，虽有电极补偿反馈，但难以保证轧辊表面毛化形貌微观尺寸一致和可控；3)加工过程中电极等损耗件，设备使用中存在持续成本；4)设备投入成本较大。

激光毛化，通过激光热效应在轧辊表面激光烧蚀或激光熔凝加工出毛化形貌，毛化形貌种类较多，形貌微观尺寸通过改变激光参数调节方便，但依然存在以下几个问题：1)通过激光烧蚀加工出的毛化形貌，形貌表层凸起部分为重铸层，冷轧板过程中易剥落，形貌保持性差；2)激光加工过程中激光作用点(焦点)位置固定，加工无序排列的毛化形貌难度大；3)毛化形貌随机分布时，总是会出现毛化形貌出现大批量重叠，分布的均匀性无法得到保证。

中国专利公开了一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，通过随机信号对每个激光脉冲进行随机延时和随机偏转，在轧辊表面加工较疏的毛化形貌分布，再通过多激光头多道次提高效率和面积占有率。虽然解决了激光毛化有序性的问题，但激光脉冲的随机延时、随机偏转和多道次的加工方法都会导致毛化形貌出现大批量重叠，导致形貌分布的均匀性较差，直接影响后续涂装性能。同时形貌的多次重叠区域多次受到激光作用，相当于对轧辊局部区域进行回火处理，影响甚至破坏轧辊表层金相组织，极大地降低了轧辊使用寿命。

中国专利公开了一种无规则偏转毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法，通过由正弦波精确控制变化得来的伪随机信号，控制伪随机偏转装置对每次向辊类工件表面发射的激光进行随机偏转，实现毛化点无规则分布。该方案在面积占有率较大的分布中，分布的均匀性问题依然存在，形貌会出现扎堆和重叠，分布的均匀性不佳。

中国专利公开了一种聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，在激光聚焦前布置压电陶瓷偏转系统，使得聚焦光点做二维摆动，从而加工无规则分布的毛化点。该专利并未公开控制形貌分布均匀性的方法，均匀性问题并未得到解决。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轧辊激光毛化加工设备及其加工方法，在轧辊表面待加工区域，选用合适的织构形貌并配合特定的输出激光参数，通过多个激光末端输出模块同步加工每个加工单元，设计可首尾相连的无序均匀分布点阵方案，检测同轴编码器瞬时位置信号与激光出光位置信号一致性，在激光末端输出模块处于确定位置时发出确定参数激光，同时给每个激光末端输出模块的光束能量调节单元不同的信号，完成能量衰减调节，并给每个激光末端输出模块的一维光束偏转单元同样的信号，完成光束一维偏转，使得各个激光末端输出模块的激光焦点按所设计可首尾相连的无序均匀分布点阵方案，采用不同的激光能量依次加工毛化硬质点。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工区域划分：将轧辊表面加工区域均匀划分为若干轧辊加工单元；

确定分布方案：根据所述轧辊加工单元参数和形貌参数，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法得出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；

确定输出信号：根据所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案、机床参数和激光参数，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号；

轧辊激光毛化加工：所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元。

进一步，加工区域划分具体为：

确定轧辊表面加工区域；所述轧辊加工区域为长度L₀₁和宽度πd的方形区域，其中，L₀₁＝5％～100％L₀，L_0-01为距轧辊端面距离，L_0-01＝0～90％L₀；L₀为轧辊表面展开长度，d为轧辊直径；

将轧辊加工区域均匀划分为m个轧辊加工单元，任一轧辊加工单元长度为L₁，任一轧辊加工单元宽度为πd；其中，m∈{1，2，3...m_max}，m_max＝1～30。

进一步，所述激光末端输出模块包括光束折返单元、光束能量调节单元和一维光束偏转单元；所述光源模块入射的激光依次经过光束折返单元、光束能量调节单元和一维光束偏转单元后入射轧辊加工单元；

所述光束折返单元用于将光源模块入射的激光分光为垂直于轧辊轴线方向的反射激光和平行于轧辊轴线方向的透射激光；所述反射激光射入所述光束能量调节单元，所述透射激光射入下一个激光末端输出模块；

所述光束能量调节单元用于改变所述反射激光的能量；

所述一维光束偏转单元用于偏移所述反射激光的角度。

进一步，所述光束折返单元通过各半反镜片镀膜性质不同，使反射激光和透射激光能量比例为：

其中，P_m为第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元分光的反射激光功率；

P_m-为第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元分光的透射激光功率；

P_input为光源模块输出的激光光源功率；

P_output为激光末端输出模块输入激光功率；

所述光束能量调节单元根据输入的电信号ψ使光束能量衰减固定值，即P_focus＝(1-Damp(ψ))P_output，其中，ψ为光束能量调节单元驱动电源输入电信号，ψ∈[ψ_min，ψ_max]，对应能量衰减比例Damp(ψ)从0～100％变化；ψ_min为最小输入电信号；ψ_max为最大输入电信号；Damp(ψ)为激光能量衰减比例；P_focus为所述光束能量调节单元输出的激光功率；

所述一维光束偏转单元根据输入电信号ξ使光束一维偏转固定角度α，经过聚焦镜片作用在待加工区域，使得焦点相对于光轴偏移确定距离σ，

σ＝f(α，L₂，f)＝f(α(ξ)，L₂，f)，

σ_min＝f(α_min，L₂，f)＝f(0，L₂，f)

σ_max＝f(η*α_max，L₂，f)

其中，L₂为所述一维光束偏转单元距工件表面距离；.f为所述一维光束偏转单元不发生偏转时的焦距；α为一维光束偏转单元使光束偏转角度，即α＝α(ξ)；α_min为所述一维光束偏转单元使光束最小偏转角度；α_max为一维光束偏转单元使光束最大偏转角度；η为一维光束偏转单元安全使用系数；σ为焦点位置偏移量；σ_min为焦点位置偏移量最小值；σ_max为焦点位置偏移量最大值。

进一步，所述可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法具体包括如下步骤：

根据形貌参数分布建立均匀点阵分布毛化点圆心集A₀，具体为：

其中：A₀为均匀点阵分布毛化点圆心坐标位置集；(x_0i，y_0j)为第i行第j列均匀点阵分布毛化点圆心坐标；i为行序号；i_max为最大行序号，i_max＝πd/b；j为列序号，j_max为最大列序号；a为形貌分布点距，x方向两个毛化硬质点之间距离；b为形貌分布线距，y方向两个毛化硬质点之间距离；

建立均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合ΔX，具体如下：

其中：ΔX为均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合；(δx_i，δy_j)为均匀点阵分布中第i行、第j列均匀点阵分布毛化点圆心坐标(x_0i，y_0j)的随机位移向量；ε_a为列偏移常量；ε_b为行偏移常量；

建立无序均匀分布毛化点圆心集A：将均匀点阵分布毛化点圆心坐标位置集A₀和均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合ΔX叠加：

其中：A，无序均匀分布毛化点圆心集；(x_i，y_j)，无序均匀分布毛化点圆心坐标；

查找坏点：按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集SP，具体如下：

其中：SP为无序均匀分布坏点行序列、列序列的集；A(i，j)为无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；(u_q，w_q)为第q个坏点坐标行序列、列序列；q为坏点排序号；ζ为无序均匀分布毛化点重叠容忍常量；

判断是否存在坏点：当时，则存在坏点，则根据无序均匀分布坏点集SP，调整随机位移向量集合ΔX，重复建立无序均匀分布毛化点圆心集A和查找坏点，直至当时，则不存在坏点；

建立无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集Aex：当时，对无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调，以便多个激光末端输出模块加工区域的搭接：

其中：Aex为对无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集；(xex_i，yex_j)为左右对调后第i、j个毛化点圆心坐标；

查找中心线附近区域坏点：在左右对调过程后的中心线附近区域，按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集SPex，具体为：

其中：SPex为对左右对调过程后的中心线附近区域按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集；(uex_qex，wex_qex)为第qex个坏点坐标行序列、列序列；qex为坏点排序号；Aex(i，j)为对调后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；Center为左右对调过程后的中心线附近区域：

为输入的中心线附近区域比例；

判断中心线附件区域是否存在坏点：当则存在坏点，则根据中心线附近区域无序均匀分布坏点集SPex，调整中心线附近区域坏点位置，重复建立无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集Aex和查找中心线附近区域坏点，直至

当时，则不存在坏点，即Aex为所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案。

进一步，所述根据无序均匀分布坏点集SP，调整随机位移向量集合ΔX，具体为：

式中：

其中：ΔXre为调整后的随机位移向量集；(δxre_i，δyre_j)为调整后的随机位移向量；λ为坏点的随机位移向量的调整比例；

所述根据中心线附近区域无序均匀分布坏点集SPex，调整中心线附近区域坏点位置，具体为：

式中：

其中：Are为中心线附近区域坏点位置调整后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集；(xre_i，yre_j)为中心线区域坏点位置调整后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；为中心线附近区域坏点坐标调整比例。

进一步，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号具体为如下步骤：

确定焦点运动轨迹与轧辊轴向夹角：当一维光束偏转单元不工作时即α＝0时，焦点运动轨迹与轧辊轴向夹角θ：

其中：n为轧辊转速；v为激光末端输出模块的运行速度；

确定焦点运动轨迹序号集K和计算每个焦点运动轨迹绕金属圆柱体圈数集P，

k∈K＝{1，2，3，...k_max}，式中：

p∈P＝{1，2，3...p_max}，式中：

其中：K为焦点运动轨迹序号集；k为第k个焦点运动轨迹，即第k次加工过程；P为每个焦点运动轨迹绕金属圆柱体圈数集；p为焦点运动轨迹绕金属圆柱体第p圈；

确定一维光束偏转单元偏转角度α∈[0，η*α_max]时，激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k的集合Λ，具体为：

式中，

其中：Λ为激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围的集合；Λ_k为激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围；xk_min(y，p)＝xk(y，p，σ＝0)为偏转角度α＝0即偏转量σ＝0时，第k条第p圈焦点运动轨迹方程；xk_max(y，p)＝xk(y，p，σ＝σ_max)为偏转角度α＝η*α_max即偏转量σ＝σ_max时，第k条第p圈焦点运动轨迹方程；

统计激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围中的无序均匀毛化点圆心坐标的集合Φ，具体如下：

Φ＝{Φ_k|k＝1，2，3...k_max)，

式中：

其中，Φ为激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围中的无序均匀毛化点圆心坐标集的集合；Φ_k为激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标集，即圆心坐标落在xk_min＝xk(y，σ＝0)、xk_max＝xk(y，σ＝σ_max)两条轨迹线之间的毛化点圆心坐标集；(x_rk，y_rk)为第k次加工过程中包含的第rk个无序均匀毛化点圆心坐标；rk为第k次加工过程中包含的无序均匀毛化点统计次序；

确定第k次加工过程中排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k：按照毛化点加工先后顺序对(x_rk，y_rk)进行排序得到排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k，具体排序规则如下：

其中：Ω_k为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标，按照毛化点加工顺序进行排序后形成的圆心坐标集；(x_τk，y_τk)为第k次加工过程中第τk个加工的毛化点坐标；τk为第k次加工过程中毛化点加工顺序排序；rk_max为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中包含的无序均匀毛化点数量统计值最大值；(y_rk)_max为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标(x_rk，y_rk)的y轴坐标最大值；(y_rk)_min为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标(x_rk，y_rk)的y轴坐标最小值；

查找Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k：根据加工系统响应频率查找Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k，具体查找方式如下：

式中：

其中：MSP_k为Ω_k中的加工奇点的集合；msp_mk为第k次加工过程中加工奇点的加工顺序序号；F为加工系统综合响应频率；MaxfLas_mor为加工第mor种形貌的输出激光最大出光频率；MaxfP_res为光束能量调节单元最高响应频率；MaxfEX_res为一维光束偏转单元最高响应频率；R_encoder为轧辊旋转同轴安装的编码器分辨率；为系统响应频率安全系数；

判断是否存在加工奇点：当且k∈K，则存在加工奇点，根据Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k对第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集Ω_k进行调整，重复确定第k次加工过程中排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k和查找Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k，直至当时，则不存在坏点；

当且k∈K，计算激光末端输出模块的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集的集合ΓLine_m：

式中：

其中：ΓLine_m为每次加工过程中第m个激光末端输出模块的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集的集合；为加工第k次加工过程中焦点覆盖范围中的按加工顺序排列的无序均匀毛化点第m个激光末端输出模块所需的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集；(β_τk，ψm_τk，ξ_τk)为第k次加工过程中加工第τk个毛化点给加工系统发出的同样的激光出光位置信号、第m个激光末端输出模块的光束能量调节信号和同样的一维光束偏转单元偏转信号；p_τk为第k次加工过程中加工第τk个毛化点所在圈数；为光束能量调节单元激光能量最大衰减比例常量。

进一步，根据Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k对第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集Ω_k进行调整具体为：

式中，

其中：Ωre_k为调整后第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集；(xre_τk，yre_τk)为调整后的第k次加工过程中第τk个加工的毛化点圆心坐标；Δ_τk为第k次加工过程中第τk个加工的毛化点的圆心坐标y轴坐标调整量；γ为y轴坐标调整量的调整比例。

进一步，所述形貌分布点距a和形貌分布线距b的确定方法如下：

确定激光毛化硬质点形貌种类；

根据面积占有率初始值ρ0，计算形貌点距a0的初始值和线距的初始值b0，具体如下：

其中：ρ0为设定的形貌面积占有率初始值；a0为形貌分布点距初始值，x方向两个毛化硬质点之间距离初始值；b0为形貌分布线距初始值，y方向两个硬质点之间距离初始值；D_mor为第mor种形貌的直径；

修正形貌分布点距、线距和面积占有率，具体如下：

其中：ρ为形貌面积占有率；a为形貌分布点距，x方向两个毛化硬质点之间距离；b为形貌分布线距，y方向两个毛化硬质点之间距离。

一种轧辊激光毛化加工设备，包括计算机、光源模块和激光末端输出模块；所述计算机包括可首尾相连无序均匀点阵分布设计模块和信号处理模块；根据轧辊加工单元参数和形貌参数，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计模块输出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；根据所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案、机床参数和激光参数，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号；

所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；

所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元；

每个所述激光末端输出模块在对应的轧辊加工单元区域轴向往复移动，所述往复运动起始线为终止线为x＝L₁。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的轧辊激光毛化加工方法，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法，保证毛化点无序程度的同时也能确保形貌分布的均匀性，生产的冷轧板表面在后续涂装处理中一致性更好。

2.本发明所述的轧辊激光毛化加工方法，能够精确准确加工所设计的毛化点无序均匀分布方案，实现所制造即所设计。

3.本发明所述的轧辊激光毛化加工方法，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法得出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案，为多个激光末端输出模块加工模式提供了可能。

4.本发明采用激光熔凝加工技术获得毛化形貌，形貌硬度高于基材，形貌使用寿命更长，能够保证生产的同批次冷轧板表面稳定性更好；同时毛化加工过程相当于对轧辊表面进行激光淬火，能够有效延长轧辊使用寿命。

5.本发明所提供的毛化形貌种类多，且形貌的微观尺寸可通过改变激光参数精确调控，能够满足各种类别不同要求冷轧板生产。

6.本发明所加工的毛化形貌为凹凸复合形貌，形貌的微凹陷部分在冷轧板过程中，能够储存润滑油改善润滑条件，微凸起部分在冷轧板过程中，能够钉扎入冷轧板表面，减小冷轧板与轧辊间相对运动，有效防止冷轧板表面划伤和轧辊磨损；同时形貌复印至冷轧板表面后，能够在冷轧板与涂覆层之间形成机械锚固群，解决了涂覆层剥落问题，为冷轧板和涂覆层热敏感度不一致问题提供了解决方案。

7.本发明的毛化点分布方案和激光出光控制信号通过计算机计算，再将控制信号集发送给机床加工控制系统，有效地简化了生产过程，方便企业应对各种类别不同要求冷轧板生产，能有效保证计算效率、计算精度，同时不影响机床正常生产任务，还能有效降低机床制造成本。

附图说明

图1为本发明所述的激光末端输出模块安装位置图。

图2为本发明所述的轧辊激光毛化加工设备控制原理图。

图3为本发明所述的无序均匀激光毛化点阵方案设计方法流程图。

图4为本发明所述的信息处理模块流程图。

图5为本发明所述的加工区域划分示意图。

图6为本发明所述的毛化形貌图。

图7为本发明所述的均匀点阵方案图

图8为本发明所述的均匀点阵方案随机位移方案图。

图9为本发明所述的无序点阵方案坏点处理方案图。

图10为本发明所述的每个加工单元点阵分布以中心线为分割左右对调示意图。

图11为本发明所述的第k次加工过程中焦点覆盖范围图。

图12为本发明所述的第k(奇数)次加工过程中焦点覆盖范围中毛化点加工先后排序规则图。

图13为本发明所述的第k(偶数)次加工过程中焦点覆盖范围中毛化点加工先后排序规则图。

图14为本发明所述的第k次加工过程中加工奇点判断。

图15为本发明所述的第k次加工过程中加工奇点处理图。

图中：

1-待加工金属圆柱体；2-同轴编码器；3-激光聚焦装置；4-一维光束偏转单元；5-光束能量调节单元；6-光束折返单元；7-激光末端输出模块安装座。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的轧辊激光毛化加工设备，包括计算机、光源模块和激光末端输出模块；所述计算机包括可首尾相连无序均匀点阵分布设计模块和信号处理模块；根据轧辊加工单元参数和形貌参数，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计模块输出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；根据所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案、机床参数和激光参数，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号；所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元；每个所述激光末端输出模块在对应的轧辊加工单元区域轴向往复移动。

所述激光末端输出模块包括光束折返单元6、光束能量调节单元5和一维光束偏转单元4；所述光源模块入射的激光依次经过光束折返单元6、光束能量调节单元5、一维光束偏转单元4和激光聚焦装置3后入射轧辊加工单元；所述光束折返单元6用于将光源模块入射的激光分光为垂直于轧辊轴线方向的反射激光和平行于轧辊轴线方向的透射激光；所述反射激光射入所述光束能量调节单元5，所述透射激光射入下一个激光末端输出模块；所述光束能量调节单元5用于改变所述反射激光的能量；所述一维光束偏转单元4用于偏移所述反射激光的角度。所述激光聚焦装置3用于将偏移后的反射激光聚焦到待加工金属圆柱体1上，由于激光聚焦装置3为现有的装置在此不再介绍结构和原理。所述激光末端输出模块安装在激光末端输出模块安装座7上，所述激光末端输出模块安装座7可以沿轧辊加工单元区域轴向往复移动。

所述激光末端输出模块按与激光光源由近及远的顺序标号，标号为：

分别加工第1个、第2个...第m个...第m_max个单元：

所述光束折返单元6，利用多个半反镜片将入射激光均分为多个能量相等的输出激光，具有以下特征：光束折返单元6中各半反镜片镀膜性质不同，可将入射激光能量分光为特定能量的反射激光和透射激光；光束折返单元6可将平行于轧辊轴线方向的入射激光分光为垂直于轴线方向的反射激光和平行于轴线方向的透射激光，其中第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元6分光能量比例为：通过此方法，能够使得每个激光末端输出模块中的输入激光能量一致，即

其中：P_m为第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元分光的反射激光功率；P_m-为第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元6分光的透射激光功率；P_input为激光光源功率；P_output为激光末端输出模块输入激光功率。

所述光束能量调节单元5可通过对光束能量调节单元驱动电源输入电信号无极改变通过激光的能量，具有以下特征：可根据电信号ψ使光束能量衰减固定值，即P_focus＝(1-DampψPoutput；电信号ψ可连续变化，具有固定范围，即ψ∈ψmin，ψmax，对应能量衰减比例Damp(ψ)从0-100％变化；

其中：ψ为光束能量调节单元5驱动电源输入电信号；ψ_min为最小输入电信号；ψ_max为最大输入电信号；Damp(ψ)为激光能量衰减比例；P_focus为激光末端输出模块聚焦激光输出功率。

所述一维光束偏转单元4，具有以下特性：可根据电信号ξ使光束一维偏转固定角度α，即α＝α(ξ)；使光束一维偏转角度α具有固定范围，且α_max为一维光束偏转单元4固有属性；具有固定的最高响应频率Maxf_res，Maxf_res≥10Khz；使光束一维偏转固定角度α，经过聚焦镜片作用在待加工区域，使得焦点相对于光轴偏移确定距离σ，即σ∝α，σ∝L₂，σ∝f，即σ＝f(α，L₂，f)＝f(α(ξ)，L₂，f)；故当加工系统中L₂、f固定时，可得到焦点位置偏移量σ与电信号ξ的关系如下：

σ＝f(α)＝f(α(ξ))

σ_min＝f(α＝α_min＝0)＝0

σ_max＝f(α＝η*α_max)

式中：α_max＝0.1～1rad；α∈[0，η*α_max]；η∈[50％，80％]；

其中，L₂为所述一维光束偏转单元4距工件表面距离；f为所述一维光束偏转单元4不发生偏转时的焦距；α为一维光束偏转单元4使光束偏转角度，即α＝α(ξ)；α_min为所述一维光束偏转单元4使光束最小偏转角度；α_max为一维光束偏转单元4使光束最大偏转角度；η为一维光束偏转单元4安全使用系数；σ为焦点位置偏移量；σ_min为焦点位置偏移量最小值；σ_max为焦点位置偏移量最大值；Maxf_res为一维光束偏转单元最高响应频率。

如图2、图3和图4所示，本发明所述的轧辊激光毛化加工方法，包括如下步骤：

S01加工区域划分：将轧辊表面加工区域均匀划分为若干轧辊加工单元；如图5所示，具体为：

确定轧辊表面加工区域；所述轧辊加工区域为长度L₀₁和宽度πd的方形区域，其中，L₀₁＝5％～100％L₀，L_0-01为距轧辊端面距离，L_0-01＝0～90％L₀；L₀为轧辊表面展开长度，d为轧辊直接；

将轧辊加工区域均匀划分为m个轧辊加工单元，任一轧辊加工单元长度为L₁，任一轧辊加工单元宽度为πd；其中，m∈{1，2，3...m_max}，m_max＝1～30。

S02确定分布方案：根据所述轧辊加工单元参数和形貌参数，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法得出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；具体为：

如图6所示，设定毛化硬质点为激光熔凝加工形貌，根据形貌截面可分为球冠状毛化点、墨西哥帽状毛化点、火山口状毛化点，形貌具体参数为：

式中：

B₁＝(30～200，0～5，3～30)μm

B₂＝(30～300，1～15，3～30)μm

B₃＝(30～300，1～30，1～10)μm

其中所述毛化硬质点加工所采用的输出激光参数，有激光脉冲宽度、激光功率、最高出光频率、辅助气体，具体如下：

其中：Morphology为形貌参数集合；B_mor为第mor种形貌的形貌参数；D_mor为第mor种形貌的直径；Depth_mor为第mor种形貌的深度；H_mor为第mor种形貌的高度；mor为形貌次序，mor＝1，2，3分别表示激光熔凝形貌的火山口状毛化点、球冠状毛化点、墨西哥帽状毛化点；Laser为形貌的激光加工参数集合；laser_mor为第mor种形貌的激光加工参数；PluseWidth_mor为第mor种形貌的激光加工脉宽；为第mor种形貌的激光加工功率；MaxfLas_mor为第mor种形貌的激光加工最高出光频率；Gas_mor为第mor种形貌的激光加工辅助气体种类。

步骤1-1：建立笛卡尔坐标系，将待加工单元区域沿轴向展开，形成长、宽分别为L₁、πd的方形表面，以起始毛化点为坐标原点，轴向为x轴，圆周方向为y轴，根据形貌分布建立均匀点阵分布毛化点圆心集A₀，详细步骤如下，步骤1-1-S1至步骤1-1-S4：

步骤1-1-S1：确定激光毛化硬质点形貌种类，确定mor值。

步骤1-1-S2：根据面积占有率初始值ρ0，计算形貌点距和线距的初始值a0、b0，具体如下：

其中：ρ0为设定的形貌面积占有率初始值，一般ρ0＝50％；a0为形貌分布点距初始值，x方向两个毛化硬质点之间距离初始值；b0为形貌分布线距初始值，y方向两个硬质点之间距离初始值；D_mor为第mor种形貌的直径；

步骤1-1-S3：修正形貌分布点距、线距和面积占有率，具体如下：

其中：ρ为形貌面积占有率；a为形貌分布点距，x方向两个毛化硬质点之间距离；b为形貌分布线距，y方向两个毛化硬质点之间距离。

步骤1-1-S4：如图7所示，根据点距、线距建立均匀点阵分布毛化点圆心集A₀，具体为：

其中：A₀为均匀点阵分布毛化点圆心坐标位置集；(x_0i，y_0j)为第i行第j列均匀点阵分布毛化点圆心坐标；i为行序号；i_max为最大行序号，i_max＝πd/b；j为列序号，j_max为最大列序号；a为形貌分布点距，x方向两个毛化硬质点之间距离；b为形貌分布线距，y方向两个毛化硬质点之间距离；

步骤1-2：如图8所示，建立均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合ΔX，具体如下：

其中：ΔX为均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合；(δx_i，δy_j)为均匀点阵分布中第i行、第j列均匀点阵分布毛化点圆心坐标(x_0i，y_0j)的随机位移向量；ε_a为列偏移常量，一般ε_a∈(0，2a]；ε_b为行偏移常量，一般ε_b∈(0，2b]，ε_a＝ε_b。

步骤1-3：由均匀点阵分布毛化点圆心坐标位置集A₀和均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合ΔX，计算无序均匀分布毛化点圆心集A，具体如下：

其中：A，无序均匀分布毛化点圆心集；(x_i，y_j)，无序均匀分布毛化点圆心坐标；

步骤1-4：按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集SP，具体如下：

其中：SP为无序均匀分布坏点行序列、列序列的集；A(i，j)为无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；(u_q，w_q)为第q个坏点坐标行序列、列序列；q为坏点排序号；ζ为无序均匀分布毛化点重叠容忍常量，一般ζ∈[0.5，1.5]。

步骤1-5：判断是否存在坏点，决定下一步，从而获得无序均匀分布毛化点圆心集，具体如下：

若存在坏点，则按以下进行计算，步骤1-5-S1至步骤1-5-S2：

步骤1-5-S1：根据无序均匀分布坏点集SP，调整随机位移向量集合ΔX，如图9所示，具体如下：

式中：

其中：ΔXre为调整后的随机位移向量集；(δxre_i，δyre_j)为调整后的随机位移向量；λ为坏点的随机位移向量的调整比例，一般λ∈(0，1)。

步骤1-5-S2：重复步骤1-3到步骤1-4，直至

若不存在坏点，则进行步骤1-6。

步骤1-6：对无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准，进行左右对调，以便多个激光末端输出模块加工区域的搭接，如图10所示，具体对调规则如下：

其中：Aex为对无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集；(xex_i，yex_j)为左右对调后第i、j个毛化点圆心坐标；

步骤1-7：在左右对调过程后的中心线附近区域，按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集SPex，具体如下：

其中：SPex为对左右对调过程后的中心线附近区域按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集；(uex_qex，wex_qex)为第qex个坏点坐标行序列、列序列；qex为坏点排序号；Aex(i，j)为对调后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；Center为左右对调过程后的中心线附近区域：

为输入的中心线附近区域比例，一般

步骤1-8：判断中心线附件区域是否存在坏点，决定下一步，从而最终获得无序均匀分布毛化点圆心集，具体如下：

若存在坏点，则按以下进行计算，步骤1-8-S1至步骤1-8-S2：

步骤1-8-S1：根据中心线附近区域无序均匀分布坏点集SPex，调整中心线附近区域坏点位置，具体如下：

式中：

其中：Are为中心线附近区域坏点位置调整后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集；(xre_i，yre_j)为中心线区域坏点位置调整后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；为中心线附近区域坏点坐标调整比例，一般

步骤1-8-S2：执行步骤1-6和1-7，直至

若不存在坏点，则Aex为所设计的无序均匀分布毛化点阵分布方案。

S03确定输出信号：根据所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案、机床参数和激光参数，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号，具体如下，步骤2-1至步骤2-8：

步骤2-1：计算激光末端输出模块相对于金属圆柱体表面的运动方向与圆柱体轴线方向的夹角，当一维光束偏转单元(4)不工作时即α＝0时也就是偏转量σ＝0时，焦点运动轨迹与x轴夹角θ，具体如下：

其中：n为轧辊转速；v为激光末端输出模块的运行速度；

步骤2-2：对激光末端输出模块往复运动按加工顺序进行编号，即焦点运动轨迹序号集K，计算每个焦点运动轨迹绕金属圆柱体圈数集P，具体如下：

k∈K＝{1，2，3，...k_max}，式中：

p∈P＝{1，2，3...p_max}，式中：

其中：K为焦点运动轨迹序号集；k为第k个焦点运动轨迹，即第k次加工过程；P为每个焦点运动轨迹绕金属圆柱体圈数集；p为焦点运动轨迹绕金属圆柱体第p圈；

步骤2-3：如图11所示，计算激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k的集合Λ，一维光束偏转单元(4)偏转角度α∈[0，η*α_max]时，激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k的集合Λ，具体为：

式中，

其中：Λ为激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围的集合；Λ_k为激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围；xk_min(y，p)＝xk(y，p，σ＝0)为偏转角度α＝0即偏转量σ＝0时，第k条第p圈焦点运动轨迹方程；xk_max(y，p)＝xk(y，p，σ＝σ_max)为偏转角度α＝η*α_max即偏转量σ＝σ_max时，第k条第p圈焦点运动轨迹方程；

步骤2-4：统计激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围中的无序均匀毛化点圆心坐标的集合Φ，具体如下：

Φ＝{Φ_k|k＝1，2，3...k_max}，

式中：

其中，Φ为激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围中的无序均匀毛化点圆心坐标集的集合；Φ_k为激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标集，即圆心坐标落在xk_min＝xk(y，σ＝0)、xk_max＝xk(y，σ＝σ_max)两条轨迹线之间的毛化点圆心坐标集；(x_rk，y_rk)为第k次加工过程中包含的第rk个无序均匀毛化点圆心坐标；rk为第k次加工过程中包含的无序均匀毛化点统计次序；

步骤2-5：如图12和图13所示，对统计来的第k次加工过程中的焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标，按照毛化点加工先后顺序进行排序，得到排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k，具体排序规则如下：

其中：Ω_k为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标，按照毛化点加工顺序进行排序后形成的圆心坐标集；(x_τk，y_τk)为第k次加工过程中第τk个加工的毛化点坐标；τk为第k次加工过程中毛化点加工顺序排序；rk_max为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中包含的无序均匀毛化点数量统计值最大值；(y_rk)_max为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标(x_rk，y_rk)的y轴坐标最大值；(y_rk)_min为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标(x_rk，y_rk)的y轴坐标最小值；

步骤2-6：以加工系统响应频率为依据，查找在第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k，具体查找方式如下：

式中：

其中：MSP_k为Ω_k中的加工奇点的集合；msp_mk为第k次加工过程中加工奇点的加工顺序序号；F为加工系统综合响应频率；MaxfLas_mor为形貌加工的最大输出激光出光频率；MaxfP_res为光束能量调节单元5最高响应频率；MaxfEX_res为一维光束偏转单元4最高响应频率；R_encoder为轧辊旋转同轴编码器2分辨率；为系统响应频率安全系数，一般

步骤2-7：如图14所示，判断是否存在加工奇点，若且k∈K，则存在加工奇点，进行步骤2-7-S1～S2：

步骤2-7-S1：如图15所示，根据Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k对第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集Ω_k进行调整，具体如下：

式中，

其中：Ωre_k为调整后第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集；(xre_τk，yre_τk)为调整后的第k次加工过程中第τk个加工的毛化点圆心坐标；Δ_τk为第k次加工过程中第τk个加工的毛化点的圆心坐标y轴坐标调整量；γ为y轴坐标调整量的调整比例，一般γ∈(0，1)；

步骤2-7-S2：重复步骤2-5和步骤2-6，直至

若k∈K，不存在加工奇点，则进行步骤2-8。

步骤2-8：根据每次加工过程中焦点覆盖范围中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点坐标，计算每次加工过程中各个激光末端输出模块的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集的集合ΓLine_m，具体如下：

式中：

其中：ΓLine_m为每次加工过程中第m个激光末端输出模块的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集的集合；为加工第k次加工过程中焦点覆盖范围中的按加工顺序排列的无序均匀毛化点第m个激光末端输出模块所需的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集；(β_τk，ψm_τk，ξ_τk)为第k次加工过程中加工第τk个毛化点给加工系统发出的同样的激光出光位置信号、第m个激光末端输出模块的光束能量调节信号和同样的一维光束偏转单元偏转信号；p_τk为第k次加工过程中加工第τk个毛化点所在圈数；为光束能量调节单元5激光能量最大衰减比例常量，一般

S04轧辊激光毛化加工：所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元。

所述精确控制方法为：待加工金属圆柱体1与激光末端输出模块同步运动，确定了加工形貌种类后，计算机自动的确定加工激光的参数，激光光源多次分光后分别进入各激光末端输出模块，根据计算机计算得到的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转信号的信号集，检测同轴编码器2瞬时位置信号与激光出光位置信号一致性，在激光末端输出模块处于确定位置时发出确定参数输入激光，同时给每个激光末端输出模块的光束能量调节单元不同的信号，完成能量衰减调节，并给每个激光末端输出模块的一维光束偏转单元同样的信号，完成光束一维偏转，使得各个激光末端输出模块的激光焦点按所设计无序均匀分布点阵方案，采用不同的激光能量依次加工毛化硬质点。

其中所述轧辊与激光末端输出模块的同步运动为轧辊即待加工金属圆柱体1沿轴线方向匀速旋转，同轴编码器2与轧辊同轴同步旋转，转速为n，参数范围为n＝200rpm，各激光末端输出模块在轧辊自转的同时沿轧辊轴线方向匀速直线往复运动，往复运动范围为所述往复运动起始线为终止线为x＝L₁，运动速度v，范围为v＝200mm/s，激光末端输出模块匀速往返运动过程中，每次运动速度方向改变时，在原地等待时间Δt。

其中所述同轴编码器2，具有如下特性：具有固定的同轴编码器分辨率R_encoder，是同轴编码器固有属性，范围为R_encoder∈[2¹⁶，2²⁰]。

上述方案中，所述激光末端输出模块匀速往返运动过程中，每次运动速度方向改变时，在原地等待时间Δt，

上述方案中，所述激光末端输出模块沿待加工圆柱体轴线匀速水平往返运动，通过位置传感器或光栅尺，实时监控激光头相对于起始加工点x周方向位移Δx_t，对照同轴编码器2瞬时旋转角度β_t，β_t∈[0，2π]，保证适时调整激光头位置。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

加工区域划分：将轧辊表面加工区域均匀划分为若干轧辊加工单元；

确定分布方案：根据所述轧辊加工单元参数和形貌参数，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法得出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；

确定输出信号：根据所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案、机床参数和激光参数，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号；

轧辊激光毛化加工：所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元。

2.根据权利要求1所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，加工区域划分具体为：

确定轧辊表面加工区域；所述轧辊加工区域为长度L₀₁和宽度πd的方形区域，其中，L₀₁＝5％～100％L₀，L_0-01为距轧辊端面距离，L_0-01＝0～90％L₀；L₀为轧辊表面展开长度，d为轧辊直接；

将轧辊加工区域均匀划分为m个轧辊加工单元，任一轧辊加工单元长度为L₁，任一轧辊加工单元宽度为πd；其中，m∈{1，2，3...m_max}，m_max＝1～30。

3.根据权利要求1所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，所述激光末端输出模块包括光束折返单元(6)、光束能量调节单元(5)和一维光束偏转单元(4)；所述光源模块入射的激光依次经过光束折返单元(6)、光束能量调节单元(5)和一维光束偏转单元(4)后入射轧辊加工单元；

所述光束折返单元(6)用于将光源模块入射的激光分光为垂直于轧辊轴线方向的反射激光和平行于轧辊轴线方向的透射激光；所述反射激光射入所述光束能量调节单元(5)，所述透射激光射入下一个激光末端输出模块；

所述光束能量调节单元(5)用于改变所述反射激光的能量；

所述一维光束偏转单元(4)用于偏移所述反射激光的角度。

4.根据权利要求3所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，所述光束折返单元(6)通过各半反镜片镀膜性质不同，使反射激光和透射激光能量比例为：

其中，P_m为第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元(6)分光的反射激光功率；

P_m-为第Line_m个激光末端输出模块中光束折返单元(6)分光的透射激光功率；

P_input为光源模块输出的激光光源功率；

P_output为激光末端输出模块输入激光功率；

所述光束能量调节单元(5)根据输入的电信号ψ使光束能量衰减固定值，即P_focus＝(1-Damp(ψ))P_output，其中，ψ为光束能量调节单元(5)驱动电源输入电信号，ψ∈[ψ_min，ψ_max]，对应能量衰减比例Damp(ψ)从0～100％变化；ψ_min为最小输入电信号；ψ_max为最大输入电信号；Damp(ψ)为激光能量衰减比例；P_focus为所述光束能量调节单元(5)输出的激光功率；

所述一维光束偏转单元(4)根据输入电信号ξ使光束一维偏转固定角度α，经过聚焦镜片作用在待加工区域，使得焦点相对于光轴偏移确定距离σ，

σ＝f(α，L₂，f)＝f(α(ξ)，L₂，f)，

σ_min＝f(α_min，L₂，f)＝f(0，L₂，f)

σ_max＝f(η*α_max，L₂，f)

其中，L₂为所述一维光束偏转单元(4)距工件表面距离；f为所述一维光束偏转单元(4)不发生偏转时的焦距；α为一维光束偏转单元(4)使光束偏转角度，即α＝α(ξ)；α_min为所述一维光束偏转单元(4)使光束最小偏转角度；α_max为一维光束偏转单元(4)使光束最大偏转角度；η为一维光束偏转单元(4)安全使用系数；σ为焦点位置偏移量；σ_min为焦点位置偏移量最小值；σ_max为焦点位置偏移量最大值。

5.根据权利要求1所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，所述可首尾相连无序均匀点阵分布设计方法具体包括如下步骤：

根据形貌参数分布建立均匀点阵分布毛化点圆心集A₀，具体为：

其中：A₀为均匀点阵分布毛化点圆心坐标位置集；(x_0i，y_0j)为第i行第j列均匀点阵分布毛化点圆心坐标；i为行序号；i_max为最大行序号，i_max＝πd/b；j为列序号，j_max为最大列序号；a为形貌分布点距，x方向两个毛化硬质点之间距离；b为形貌分布线距，y方向两个毛化硬质点之间距离；

建立均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合ΔX，具体如下：

其中：ΔX为均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合；(δx_i，δy_j)为均匀点阵分布中第i行、第j列均匀点阵分布毛化点圆心坐标(x_0i，y_0j)的随机位移向量；ε_a为列偏移常量；ε_b为行偏移常量；

建立无序均匀分布毛化点圆心集A：将均匀点阵分布毛化点圆心坐标位置集A₀和均匀点阵分布中每个毛化点随机位移向量集合ΔX叠加：

其中：A，无序均匀分布毛化点圆心集；(x_i，y_j)，无序均匀分布毛化点圆心坐标；

查找坏点：按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集SP，具体如下：

其中：SP为无序均匀分布坏点行序列、列序列的集；A(i，j)为无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；(u_q，w_q)为第q个坏点坐标行序列、列序列；q为坏点排序号；为无序均匀分布毛化点重叠容忍常量；

判断是否存在坏点：当时，则存在坏点，则根据无序均匀分布坏点集SP，调整随机位移向量集合ΔX，重复建立无序均匀分布毛化点圆心集A和查找坏点，直至当时，则不存在坏点；

建立无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集Aex：当时，对无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调，以便多个激光末端输出模块加工区域的搭接：

其中：Aex为对无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集；(xex_i，yex_j)为左右对调后第i、j个毛化点圆心坐标；

查找中心线附近区域坏点：在左右对调过程后的中心线附近区域，按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集SPex，具体为：

其中：SPex为对左右对调过程后的中心线附近区域按毛化点重叠容忍度查找无序均匀分布坏点行序列、列序列的集；(uex_qex，wex_qex)为第qex个坏点坐标行序列、列序列；qex为坏点排序号；Aex(i，j)为对调后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；Center为左右对调过程后的中心线附近区域：

为输入的中心线附近区域比例；

判断中心线附件区域是否存在坏点：当则存在坏点，则根据中心线附近区域无序均匀分布坏点集SPex，调整中心线附近区域坏点位置，重复建立无序均匀分布毛化点圆心集A以轴向中心线为基准进行左右对调后的无序均匀分布毛化点圆心集Aex和查找中心线附近区域坏点，直至

当时，则不存在坏点，即Aex为所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案。

6.根据权利要求5所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，所述根据无序均匀分布坏点集SP，调整随机位移向量集合ΔX，具体为：

式中：

其中：ΔXre为调整后的随机位移向量集；(δxre_i，6_yre_j)为调整后的随机位移向量；λ为坏点的随机位移向量的调整比例；

所述根据中心线附近区域无序均匀分布坏点集SPex，调整中心线附近区域坏点位置，具体为：

式中：

其中：Are为中心线附近区域坏点位置调整后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集；(xre_i，yre_j)为中心线区域坏点位置调整后的无序均匀分布毛化点圆心坐标集中第i、j个毛化点圆心坐标；为中心线附近区域坏点坐标调整比例。

7.根据权利要求4所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号具体为如下步骤：

确定焦点运动轨迹与轧辊轴向夹角：当一维光束偏转单元(4)不工作时即α＝0时，焦点运动轨迹与轧辊轴向夹角θ：

其中：n为轧辊转速；v为激光末端输出模块的运行速度；

确定焦点运动轨迹序号集K和计算每个焦点运动轨迹绕金属圆柱体圈数集P，

k∈K＝{1，2，3，...k_max}，式中：

p∈P＝{1，2，3...p_max}，式中：

其中：K为焦点运动轨迹序号集；k为第k个焦点运动轨迹，即第k次加工过程；P为每个焦点运动轨迹绕金属圆柱体圈数集；p为焦点运动轨迹绕金属圆柱体第p圈；

确定一维光束偏转单元(4)偏转角度α∈[0，η*α_max]时，激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k的集合Λ，具体为：

式中，

其中：Λ为激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围的集合；Λ_k为激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围；xk_min(y，p)＝xk(y，p，σ＝0)为偏转角度α＝0即偏转量σ＝0时，第k条第p圈焦点运动轨迹方程；xk_max(y，p)＝xk(y，p，σ＝σ_max)为偏转角度α＝η*α_max即偏转量σ＝σ_max时，第k条第p圈焦点运动轨迹方程；

统计激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围中的无序均匀毛化点圆心坐标的集合Φ，具体如下：

Φ＝{Φ_k|k＝1，2，3...k_max}，

式中：

其中，Φ为激光末端输出模块每次加工过程中焦点覆盖范围中的无序均匀毛化点圆心坐标集的集合；Φ_k为激光末端输出模块第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标集，即圆心坐标落在xk_min＝xk(y，σ＝0)、xk_max＝xk(y，σ＝σ_max)两条轨迹线之间的毛化点圆心坐标集；(x_rk，y_rk)为第k次加工过程中包含的第rk个无序均匀毛化点圆心坐标；rk为第k次加工过程中包含的无序均匀毛化点统计次序；

确定第k次加工过程中排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k：按照毛化点加工先后顺序对(x_rk，y_rk)进行排序得到排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k，具体排序规则如下：

其中：Ω_k为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标，按照毛化点加工顺序进行排序后形成的圆心坐标集；(x_τk，y_τk)为第k次加工过程中第τk个加工的毛化点坐标；τk为第k次加工过程中毛化点加工顺序排序；rk_max为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中包含的无序均匀毛化点数量统计值最大值；(y_rk)_max为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标(x_rk，y_rk)的y轴坐标最大值；(y_rk)_min为第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的无序均匀毛化点圆心坐标(x_rk，y_rk)的y轴坐标最小值；

查找Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k：根据加工系统响应频率查找Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k，具体查找方式如下：

式中：

其中：MSP_k为Ω_k中的加工奇点的集合；msp_mk为第k次加工过程中加工奇点的加工顺序序号；F为加工系统综合响应频率；MaxfLas_mor为加工第mor种形貌的输出激光最大出光频率；MaxfP_res为光束能量调节单元(5)最高响应频率；MaxfEX_res为一维光束偏转单元(4)最高响应频率；R_encod为轧辊旋转同轴编码器(2)分辨率；为系统响应频率安全系数；

判断是否存在加工奇点：当且k∈K，则存在加工奇点，根据Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k对第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集Ω_k进行调整，重复确定第k次加工过程中排序后的毛化点圆心坐标集Ω_k和查找Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k，直至当时，则不存在坏点；

当且k∈K，计算激光末端输出模块的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集的集合ΓLine_m：

式中：

其中：ΓLine_m为每次加工过程中第m个激光末端输出模块的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集的集合；为加工第k次加工过程中焦点覆盖范围中的按加工顺序排列的无序均匀毛化点第m个激光末端输出模块所需的激光出光位置信号-光束能量调节信号-一维光束偏转单元偏转信号的信号集；(β_τk，ψm_τk，ξ_τk)为第k次加工过程中加工第τk个毛化点给加工系统发出的同样的激光出光位置信号、第m个激光末端输出模块的光束能量调节信号和同样的一维光束偏转单元偏转信号；p_τk为第k次加工过程中加工第τk个毛化点所在圈数；为光束能量调节单元(5)激光能量最大衰减比例常量。

8.根据权利要求7所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，根据Ω_k中的加工奇点的集合MSP_k对第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集Ω_k进行调整具体为：

式中，

其中：Ωre_k为调整后第k次加工过程中焦点覆盖范围Λ_k中的按加工先后顺序排列的无序均匀毛化点圆心坐标集；(xre_τk，yre_τk)为调整后的第k次加工过程中第τk个加工的毛化点圆心坐标；Δ_τk为第k次加工过程中第τk个加工的毛化点的圆心坐标y轴坐标调整量；γ为y轴坐标调整量的调整比例。

9.根据权利要求5所述的轧辊激光毛化加工方法，其特征在于，所述形貌分布点距a和形貌分布线距b的确定方法如下：

确定激光毛化硬质点形貌种类；

根据面积占有率初始值ρ0，计算形貌点距a0的初始值和线距的初始值b0，具体如下：

其中：ρ0为设定的形貌面积占有率初始值；a0为形貌分布点距初始值，x方向两个毛化硬质点之间距离初始值；b0为形貌分布线距初始值，y方向两个硬质点之间距离初始值；D_mor为第mor种形貌的直径；

修正形貌分布点距、线距和面积占有率，具体如下：

其中：ρ为形貌面积占有率；a为形貌分布点距，x方向两个毛化硬质点之间距离；b为形貌分布线距，y方向两个毛化硬质点之间距离。

10.一种根据权利要求1所述的轧辊激光毛化加工方法的加工设备，其特征在于，包括计算机、光源模块和激光末端输出模块；所述计算机包括可首尾相连无序均匀点阵分布设计模块和信号处理模块；根据轧辊加工单元参数和形貌参数，通过可首尾相连无序均匀点阵分布设计模块输出可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案；根据所述可首尾相连的无序均匀分布毛化点阵分布方案、机床参数和激光参数，通过信息处理模块得出激光出光位置信号、光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号；

所述激光出光位置信号用于控制光源模块发出激光；

所述光束能量调节信号和一维光束偏转单元偏转信号分别输入激光末端输出模块，用于产生无序的激光点阵，每个激光末端输出模块用于加工一个轧辊加工单元；

每个所述激光末端输出模块在对应的轧辊加工单元区域轴向往复移动，所述往复运动起始线为终止线为x＝L₁。