CN1111110C - 激光雕刻版辊的系统及雕刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用激光加工版辊的雕刻系统及方法。它包括支撑转动待刻版辊的机构、两台激光器输出光路上有-45°反射镜固定在各导光筒的两端，一导光筒45°反射镜与聚焦镜组通过导光筒固定，聚焦输出的光聚焦到待刻制版辊上；另一导光筒再安一反射镜通过导光筒固定聚焦镜组，并安有回转调整机构由伺服电机来驱动。计算机对各自独立的激光加工系统进行组合控制加工，以不同的加工参数在版辊表面进行深度不同的三维雕刻加。

Description

激光雕刻版辊的系统及雕刻方法

本发明涉及激光加工系统及方法，特别涉及一种在版辊上用激光加工的方法进行图形雕刻的激光雕刻版辊系统及雕刻方法。

在纺织品、皮革、金属板、装饰及印刷品上印制各种不同的图形花纹，首先需将所要印制的图案在工作辊上制成模版，传统的工艺首先需照相制版，而后在辊上涂布抗蚀剂(光敏)，干燥后再用酸蚀刻，这种方法不但要耗费很多工时，而且需要再暗室中操作，并且也难以解决辊幅的闭合。

近年来，在纺织、印刷业出现了较为先进的金刚石刀雕刻技术，该技术通过使用电脑图形处理系统，可以很方便地生成各种不同的图形，然后通过控制金刚石刻刀在版辊上刻制图案而制成版辊，但该技术仅能对一些质地较软的工作辊进行雕刻。中国专利CN1075278A公开了一种激光刻花系统较好的解决了以上一些问题，但由于电机工作的稳定性差和缺少有效的定位措施使该技术还存在难以保证加工精度、速度和雕刻深度不易满足用户要求等问题。

中国专利CN2247070A公开了一种用于冶金、印刷、皮革等行业中加工工作版辊的数控激光图形加工系统，该系统包括用于支撑待制辊并使其转动的转动装置，激光雕刻装置，图形处理装置，控制装置和移动激光刀头的移动装置，控制装置中设置一辊轴转动角度的检测装置，根据检测装置给出的辊轴位置信息和图形处理装置给出的图形信息，通过激光雕刻装置对板辊进行加工。该装置虽然比较准确地在辊上加工预先设定图形，改善了图形辊幅的闭合问题，但仍然存在下述缺陷：

1，由于其控制采用的是主轴母线定位、定时控制，所有的控制计算均是以最初测定的主轴转速、版辊直径为基准的，图形的闭合效果完全取决于主轴转速的精确测重、转速的恒定及版辊直径测量的准确，而准确测量这些数据和保证转速的恒定有一定的难度，所以图形闭合效果仍然不理想；

2，由于工件运动方式是“旋转”+“步进”的方式，在步进时，工件轴向移动过程中仍在旋转，在步进到位时，母线定位点已离开激光加工点；因此在“步进”运动过程中无法进行雕刻加工，所以加工效率低；

3，由于其控制系统包括三大部分：

(1)计算机图形数据处理(上微机)；

(2)处理后的二进制编码作为激光加工点的控制信号传送给单片机(下微机)，单片机将控制信号送至声光调制器；

(3)简易数控机床控制系统

数控机床为单独的控制系统，其旋转和步进控制不受计算机控制，即机床主轴转速和轴向位移的控制由机床数控系统单独设定和控制；因实际的转速和设定值会有误差，而计算机图形加工信号处理的依据是设定值，且由于轴向位移由步进电机控制，为达到精确定位，解决步进电机的控制精度和可靠性，轴向必须增加光栅尺进行定位；所以控制系统不仅复杂，而且可靠性差。

另外，目前市场上销售的YAG激光打标机只能进行平面图形雕刻加工；国内仅有的两台CO₂激光刻花设备(上海的一台从德国引进，柳州的一台从英国引进)主要加工对象是橡胶辊，不能加工铝、铜、钢等金属以及陶瓷类的硬质版辊。

本发明的目的在于克服已有技术中存在的图形辊幅的闭合差、加工效率低和控制系统不仅复杂，而且可靠性差的问题；为了提高加工图形精确和效率高，以及不仅适用于一般的材料的版辊，而且还适用于金属和陶瓷材料的版辊上加工，从而提供一种控制系统简单，易于操作的，用于冶金、纺织、印刷等行业的激光版辊的雕刻系统及雕刻方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的激光版辊的雕刻系统包括：激光版辊的雕刻装置、用于观察和记录的CCD摄像头、计算机控制部分和用于激光器的循环水冷和辅助气体装置；其中用于激光器的循环水冷和辅助气体装置通过管道与激光器的循环水冷进出口相通；其中激光版辊的雕刻装置包括：激光器、反射镜、一用于支撑待刻制版辊并使待刻制版辊作轴向转动的支撑转动机构、支撑转动机构的主轴与伺服电机机械连接，主轴编码器与机床主轴机械连接，支撑转动机构由伺服电机驱动从而带动待刻制版辊作轴向旋转，支撑转动机构可以是简易数控车床；支撑转动机构的大拖板与伺服电机通过传动机构机械连接，伺服电机用来驱动大拖板左右移动；其特征在于：所述的激光器可以是两台以上，激光器可以固定在机床床身上或单独固定；所述的反射镜是将激光光束引导到一导光筒内的45°反射镜，安置在每一个激光器输出光路上；两块45°反射镜分别固定在各自的导光筒端，其每一导光筒的另一端安装有45°反射镜，分别接收安装在激光器上的45°反射镜反射的激光，其中两块45°反射镜固定在反射镜座上，反射镜座与连接板连接，两根导光筒的另一端再安装一45°反射镜，其中一输出激光被45°反射镜反射到聚焦镜组，聚焦输出的光聚焦到待刻制版辊上的加工点上；另一45°反射镜上在安装有一导光筒，导光筒的另一端安装有45°反射镜，该45°反射镜输出光路上安装一聚焦镜组，聚焦输出的光分别聚焦到特刻制版辊上同一加工点上，该聚焦镜组连接有一回转调整机构，该回转调整机构安装在与支撑转动机构的大拖板相连接的移动伸缩板上，并由伺服电机来驱动，以使聚焦镜组转动从而使被它聚焦的激光转动达到改变该激光在待刻制版辊上的聚焦位置，使它与另一激光的聚焦点重合或分离；聚焦镜组与移动伸缩板连接，固定连接板与移动伸缩板安装在大拖板上，通过手摇推进器装置或伺服电机驱动可使移动伸缩板前后移动；计算机控制系统包括计算机、显示器和键盘以及主轴编码器，计算机内增加一块控制伺服电机转速的伺服电机控制卡和控制激光输出的脉冲信号控制卡，控制支撑转动机构的主轴旋转的、以及控制走刀机构作轴向位移的伺服电机分别通过导线与伺服电机控制卡连接，声光调制器电源与激光器内部的声光盒电连接，声光调制器通过导线与脉冲信号控制卡电连接，主轴编码器通过传动装置与主轴伺服电机连接；CCD摄像头安装在与聚焦镜组相连接的45°反射镜上。

还包括一微调螺母，安装在聚焦镜组与导光筒之间，每个聚焦镜组均可沿其轴线方向通过微调螺母自由调节以保证精确的加工焦点。

所述的回转调整机构可以是蜗轮蜗杆部件，或者是锥齿轮等可做圆周运动的传动机构，该回转调整机构可以由伺服电机来控制，也可用手动调节。

其中导光筒由2节以上套筒套装，具有伸缩功能；

用本发明提供的激光版辊的雕刻系统进行激光加工雕刻版辊的方法，按以下步骤进行：

1)将表面符合加工要求的待制版辊水平地夹持在支撑转动机构上，支撑转动机构由伺服电机驱动作水平轴向旋转；

2)待制版辊表面上喷涂专用激光粉料；

3a)利用绘图软件或扫描仪生成Bmp图形，通过计算机键盘送至数据处理系统

3b)同时将支撑转动装置的运动参数、待制辊加工参数、激光器的激光输出参数分别通过键盘送至数据处理系统；

3c)将上述送至数据处理系统的参数经点阵图形处理器进行点阵图形处理成可加工电信号；

4a)同时计算机接受控制轴向移动的伺服电机的轴向位置信号及主轴编码器的主轴编码信号(周向位置信号)；

4b)这样计算机把经数据处理系统生成的的可加工电信号送至脉冲信号控制卡，通过声光调制器控制激光器发出光束至特制辊，并开始加工。

所述的支撑转动机构的运动参数包括：主轴转速；

所述的待制版辊加工参数包括：直径、长度及轴向、周向点间隔；

所述的激光器的激光输出参数包括：声光调制频率，组脉冲数和组间隔和功率。

本发明的优点在于：1，由于本发明采用了多束激光聚焦合束，将多束光汇聚集中加工一点，可增加加工深度，也可每个光束独立加工，提高加工效率，还可将各束光以不同加工参数同时进行加工，在同一板辊面上实现不同深度加工；

2，本发明采用了角度细分的编码控制，有效地解决了普通刻花方法难以克服的因电网波动和机械精度带来的加工误差，实现精确版辊图形闭合加工。

3，本发明将雕刻加工由原来的“步进”改成“旋进”。在“步进”方式下，图形加工是通过激光刀头的圆周加工和平移完成的，其工作方法是：以各圆周的第一加工起始点所在的工件的母线作为基准线，激光刀头在完成一个完整的圆周(即工件旋转360°)加工时，激光刀头不平移，待回到基准线时即停止加工，(但被加工工件仍保持匀速旋转)，进行一个步长(即构成图形的均匀点阵间距)的平移，平移完成后，激光刀头须在以新圆周的位置上等待基准线重新出现才开始工作。因此，步进加工方式的工作效率较低。在“旋进”方式下，激光加工是螺旋运动的，即激光刀头在完成一个完整的圆周(即工件旋转360°)加工时，激光刀头同时在平移，由于在整个图形加工过程中激光刀头的工作不停顿，其加工效率因此可提高一倍以上。

4，本发明将加工位置控制方式由“速度控制”改为“角度控制”。在“速度控制”的方式下，加工点的位置根据测得的工件直径和设定的加工点间距，通过选定并控制工件的转动速度和激光刀头的平移距离来确定。因此，其控制精度易受加工工件的不圆度、尺寸测量精度甚至电网波动的影响。“角度控制”由于采用了高精度的角度测量和专门编制的图形闭合加工软件，加工点的位置不受被加工工件尺寸误差和支撑转动机构转速变化的影响，加工精度因而大大提高。

5，本发明采用多台激光器联合加工的方式，由“合束聚焦”改为“聚焦合束”。由于单台YAG激光器经声光调制后单脉冲能量较小，为提高加工效率，必须采用多脉冲重复作用，实践证明，这种方法不仅加工效率低，其加工效果提高也很有限。为进一步提高加工效率和加工效果，在中国专利95227602.X中，提出采用“合束聚焦”方式来增强加工效果。由于目前的激光关学系统硬件(如聚焦和反射镜片表面膜层)在更高强度激光作用下长期、稳定工作尚存在一定的问题，本发明的“聚焦合束”方式：各激光器及其光路完全独立工作，既可将各束激光汇聚一点以提高加工效率和加工效果，又可令各束激光按不同的加工参数分别进行单独加工或同时加工以增加图形的三维效果。

6，本发明的控制部分比较简化，一台计算机统一工作，主轴的转速和轴向位移受计算机闭环控制，这样，设备体积大大减小，接口减少，其可靠性和稳定性显著提高。

下面结合附图及实施例进一步描述本发明。

附图1为本发明的激光雕刻版辊的系统结构示意图；

附图2为本发明提供的加工方法的加工流程示意图；

附图3为本发明的激光雕刻版辊的系统的控制系统框图；

实施例1：图面说明如下：

聚焦镜组1、2；        待刻版辊3；               伺服电机4、5、6；

回转调整机构7；       激光器8；                 声光调制器电源9；

固定连接板10；        反射镜11、12、13、14；

导光筒15、16；        伸缩调整板17；            计算机18；

显示器19；            键盘20；                  支撑转动装置21；

微调螺母22；          主轴编码器23；            CCD摄像头24；

本实施例的激光版辊的雕刻系统按图1制作，其控制系统如图3框图所示，其中该雕刻系统包括：采用2台YAG激光器(8)单独垂直固定在机床(21)旁边，二台激光器(8)的二束输出光各通过一块固定在激光器(8)输出光窗口上的45°反射镜被引入各自的导光筒内，该导光筒的另一端固定另一45°反射镜(13)及(14)，该两块45°反射镜(13)及(14)输出光面又各自固定在导光筒15及16的端，其中一束输出激光被45°反射镜(12)反射到聚焦镜组(2)后，聚焦到待刻制版辊(3)的加工点上；另一束输出激光被45°反射镜(11)反射到由反射镜(12)和蜗轮蜗杆调整机构组成的反射镜组后，经反射镜(11)反射到聚焦镜组(1)，聚焦输出的光聚焦到待刻制版辊(3)上的同一加工点上，经蜗轮蜗杆调整机构使聚焦镜组(1)转动从而使被它聚焦的激光转动达到改变该激光在待刻制版辊(3)上的聚焦位置，使它与另一激光的聚焦点重合或分离。导光筒分别与两个45°反射镜座连接，其中反射镜(13)，(14)与固定连接板(10)连接，分别接收安装在激光器(8)上的45°反射镜反射的激光，聚焦镜组(1)、(2)与移动伸缩板(17)连接，固定连接板(10)与移动伸缩板(17)安装在大拖板上，通过手摇推进器装置或伺服电机驱动可使移动伸缩板(17)前后移动；待刻制版辊3被夹在支撑转动装置上。连接反射镜(11)和(12)之间的回转调整机构(7)可以是涡轮涡杆或者是锥齿轮传动结构，或者是一可做圆周运动的机构，该回转调整机构(7)可以由伺服电机来控制，也可用手动调节。伺服电机(4)与支撑转动机构(21)的主轴机械相连，受计算机(18)控制主轴的转向和转速；主轴编码器(23)与机床机械连接，传送主轴周向位置信息给计算机(18)，伺服电机6与机床大拖板通过传动机构机械相连，伺服电机(6)受计算机(18)控制用来驱动大拖板左右移动。声光调制器电源(9)与激光器(8)的声光盒电连接，接受计算机(18)控制激光的输出和关闭。CCD摄像(24)安装在与聚焦镜组(1)相连接的45°反射镜上。其中计算机控制部分包括显示器(19)、计算机主机(18)和键盘(20)，计算机(18)内增加一块控制伺服电机转速的伺服电机控制卡和控制激光输出的脉冲信号控制卡，控制支撑转动机构(21)主轴旋转的、以及控制走刀机构作轴向位移的伺服电机分别通过导线与伺服电机控制卡脉连接，声光调制器通过导线与脉冲信号控制卡电连接，主轴编码器(23)通过传动装置与主轴伺服电机(5)连接；循环水冷和辅助气体部分(在图中未有标出)通过管道与激光器(8)相连通。

实施例2：

在实施例1提供的激光版辊的雕刻系统上，按图2所示的流程进行，使用本发明提供的加工激光版辊的方法加工一种印染花布用的金属版辊具体过程如下：

1.将表面符合加工要求的待制金属版辊水平地夹持在支撑转动机构(21)上，金属版辊表面上喷涂专用激光粉料；支撑转动机构(21)使用的是数控机床，它由伺服电机(4)驱动作水平轴向旋转；

2.a.从计算机(18)数据处理系统中调入由Photoshop绘图软件绘制成的Bmp图形文件；

b.输入如下转动装置的运动参数，并存储在计算机(18)主机内：

  主轴转速：

  待制辊加工参数；直径、长度及轴向、周向点间隔；所述的激光器的激光输出参数为声光调制频率，组脉冲数和组间隔和功率；

c.将上述送至数据处理系统的参数经点阵图形处理器进行点阵图形处理成可加工电信号；

3a)同时计算机接受控制轴向移动的伺服电机的轴向位置信号及主轴编码器的主轴编码信号(周向位置信号)；

3b)这样计算机把经数据处理系统生成的的可加工电信号送至脉冲信号控制卡，通过声光调制器控制激光器发出光束至待制版辊，并开始加工。

4.待数据处理系统处理完上述加工参数后即可进入实际加工过程；在加工过程中，数据处理系统将上述输入的加工参数和运动参数经点阵图形处理后，生成与加工运动轨迹相匹配的可加工电信号；同时接收由主轴编码器反馈回送的周向位置信号和由控制待制辊轴向位移的伺服电机编码器反馈回送的轴向位置信号，这样，可加工电信号就可以根据特制辊的轴向和周向定位信号控制激光的输出，激光输出的每个点的加工特征由激光输出参数确定，从而实现在待制辊表面的雕刻加工。

Claims (5)

1.一种激光雕刻版辊的雕刻系统包括：激光版辊的雕刻装置、用于观察和记录的CCD摄像头、计算机控制部分和用于激光器的循环水冷和辅助气体装置；其中用于激光器的循环水冷和辅助气体装置通过管道与激光器的循环水冷进出口和进出气口相通；其中激光版辊的雕刻装置包括：激光器、反射镜、一用于支撑待刻制版辊并使待刻制版辊作轴向转动的支撑转动机构、支撑转动机构的主轴与伺服电机机械连接，主轴编码器与机床主轴机械连接，支撑转动机构的大拖板与伺服电机通过传动机构机械连接，其特征在于：所述的激光器是两台以上，激光器可以固定在机床床身上或单独固定；所述的反射镜是将激光光束引导到一导光筒内的45°反射镜，安置在激光器的输出光前方的导光筒一端，在两根导光筒另一端分别将两块45°反射镜固定，在该两块45°反射镜光路上再分别固定一导光筒，其每一导光筒的另一端安装有45°反射镜，其两块45°反射镜固定在反射镜座上，反射镜座与连接板连接，其中一导光筒输出激光被45°反射镜反射到聚焦镜组，聚焦输出的光聚焦到待刻制版辊上的加工点上；在另一个导光筒的端部安装的45°反射镜上再固定一导光筒，其另一端再安装45°反射镜和一聚焦镜组，聚焦输出的光聚焦到待刻制版辊上同一加工点上，该聚焦镜组连接有一回转调整机构，该回转调整机构安装在与支撑转动机构的大拖板相连接的移动伸缩板上，并与伺服电机连接；聚焦镜组与移动伸缩板连接，固定连接板与移动伸缩板安装在大拖板上；还包括计算机控制部分，其中计算机内增加一块控制伺服电机转速的伺服电机控制卡和控制激光输出的脉冲信号控制卡，控制支撑转动机构的主轴旋转的、以及控制走刀机构作轴向位移的伺服电机分别通过导线与伺服电机控制卡连接，声光调制器电源与激光器内部的声光盒电连接，声光调制器通过导线与脉冲信号控制卡电连接，主轴编码器通过传动装置与主轴伺服电机连接；CCD摄像安装在与聚焦镜组相连接的45°反射镜上。

2.按权利要求1所述的一种激光雕刻版辊的雕刻系统，其特征在于：还包括一每个聚焦镜组均可沿其轴线方向自由调节以保证精确的加工焦点的微调螺母，其安装在聚焦镜组与导光筒之间。

3.按权利要求1所述的一种激光雕刻版辊的雕刻系统，其特征在于：所述的回转调整机构可以是蜗轮蜗杆机构、锥齿轮、或者是可做圆周运动的传动机构，该回转调整机构与伺服电机电连接或机械连接。

4.按权利要求1所述的一种激光雕刻版辊的雕刻系统，其特征在于：所述的具有伸缩功能导光筒由2节以上套筒套装。

5.一种使用权利要求1所述的激光雕刻版辊的系统进行激光雕刻版辊的方法，其特征在于按以下步骤进行：

1)将表面符合加工要求的待制辊水平地夹持在支撑转动机构上，支撑转动机构

  由伺服电机驱动作水平轴向旋转；

2)待制版辊表面上喷涂专用激光粉料；

3a)利用绘图软件或扫描仪生成Bmp图形，通过计算机键盘送至数据处理系统

3b)同时将支撑转动装置的运动参数、待制辊加工参数、激光器的激光输出参数分别通过键盘送至数据处理系统；

3c)将上述送至数据处理系统的参数经点阵图形处理器进行点阵图形处理成可加工电信号；

4a)同时计算机接受控制轴向移动的伺服电机的轴向位置信号及主轴编码器的主轴编码信号；

4b)这样计算机把经数据处理系统生成的的可加工电信号送至脉冲信号控制卡，通过声光调制器控制激光器发出光束至待制辊，并开始加工。

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