CN116833572A - 一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统及方法，包括：底板，沿轧辊的母线方向平移运动；驱动单元，设于所述底板上；位移传感器，设于所述底板上，用于测量所述轧辊旋转时的偏心距离；激光头，设于所述驱动单元上，用于激光的聚焦；编码器，与所述轧辊的旋转主轴相连，用于测量所述轧辊旋转时的角位置信号；上位机，其输出端与所述驱动单元的输入端连接，输入端与所述编码器的输出端、所述位移传感器的输出端连接。本发明解决激光毛化过程中因轧辊偏心而造成的表面粗糙度不均匀问题。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊激光毛化处理技术，更具体地说，涉及一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统及方法。
背景技术
激光毛化通过激光头将高能量激光脉冲聚焦于轧辊表面，从而在工件表面产生大量烧蚀坑，形成表面毛化效果。通常轧辊在数控车床的驱动下，做匀速旋转运动，激光头沿轧辊母线方向做匀速平移运动。而由于机床自身精度、轧辊制造精度、轧辊使用过程中磨损、夹具的磨损等方面的原因，在实际加工过程中，轧辊中心线和机床回转中心线并不能完全重合，存在一定的偏心，这种偏心会导致在轧辊毛化加工过程中，激光头距离轧辊表面的距离会忽远忽近，影响毛化加工后轧辊表面粗糙度在圆周上的均匀性。
现有专利申请中，如中国专利CN104439694B公开了CVC轧辊光纤激光焦距实时控制毛化方法及其装置，其主要解决了轧辊CVC轧辊的焦距跟随问题，虽然其技术方案也可以实现一定程度上对激光焦距的实时控制，但其是通过测量信号反馈再执行调整的，时间上具有滞后性，而激光毛化加工中轧辊转速较快，这种滞后会显著影响焦距跟随效果。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统及方法，解决激光毛化过程中因轧辊偏心而造成的表面粗糙度不均匀问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，包括：
底板，沿轧辊的母线方向(即为轧辊的轴向方向)平移运动；
驱动单元，设于所述底板上；
位移传感器，设于所述底板上，用于测量所述轧辊旋转时的偏心距离；
激光头，设于所述驱动单元上，用于将激光的聚焦于轧辊表面；
编码器，与所述轧辊的旋转主轴相连，用于测量所述轧辊旋转时的角位置信号；
上位机，其输出端与所述驱动单元的输入端连接，输入端与所述编码器的输出端、所述位移传感器的输出端连接。
较佳的，所述底板为数控轧辊车床的大拖板。
较佳的，所述位移传感器为电涡流传感器，输出信号范围为-10V～10V，灵敏度为4V/mm。
较佳的，所述编码器为增量型编码器，分辨率为1024脉冲/圈。
较佳的，所述上位机为PLC(可编程逻辑控制器)。
较佳的，所述激光头垂直指向所述轧辊的表面。
另一方面，一种基于所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统的预补偿系统方法，包括以下步骤：
S1、移动所述激光头至毛化起始点，并完成激光头焦距的调节，使焦点落在轧辊表面；
S2、使所述轧辊保持匀速旋转，所述底板拖动所述激光头沿所述轧辊的母线方向匀速移动，所述激光头发射激光开始对所述轧辊毛化加工；
S3、所述上位机采集所述位移传感器和所述编码器的信号，并记录所述轧辊的圆周上各个角位置上的偏心距离；
S4、根据所采集的轧辊在各个角位置上的偏心距离、系统循环周期时间常数和当前时刻所述轧辊的旋转角位置信号，确定所述激光头的下一目标运动位置并下发至所述驱动单元；
S5、所述驱动单元移动所述激光头到目标位置，实现对所述轧辊的偏心补偿。
较佳的，所述步骤S4中，所述系统循环周期时间常数为所述上位机从信号采集、处理再到电机动作执行的一个循环周期的时间常数。
本发明所提供的一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统及方法，对轧辊偏心进行预先补偿，从而保持激光头与轧辊表面距离的恒定，改善了激光毛化因轧辊偏心造成的圆周粗糙度不均匀问题。
附图说明
图1是本发明预补偿系统的结构示意图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
结合图1所示，本发明所提供的一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，包括：
底板5，沿轧辊1的母线方向平移运动，轧辊1可在数控轧辊车床的驱动下做旋转运动；
驱动单元4，固定在底板5上；
位移传感器3，固定在底板5上，用于测量轧辊1旋转时的偏心距离；
激光头2，安装在驱动单元4上，用于激光的聚焦，可在驱动单元4的驱动下进行前后移动，调节激光头与轧辊表面的间距；
编码器7，与轧辊1的旋转主轴相连，用于测量轧辊1旋转时的角位置信号；
上位机6，其输出端与驱动单元4的输入端连接，输入端与编码器7的输出端、位移传感器3的输出端连接。
原理是基于轧辊1的偏心距离变化具有周期性的，因此可以使用预先采集的轧辊1圆周偏心距离来进行激光头2位置的预先调节，实现偏心距离的预补偿。
本发明还提供了一种基于激光毛化轧辊偏心的预补偿系统的预补偿系统方法，包括以下步骤：
S1、移动激光头2至毛化起始点，并完成激光头焦距的调节，使焦点落在轧辊表面；
S2、使轧辊1保持匀速旋转，底板5拖动激光头2沿轧辊1的母线方向匀速移动，激光头2发射激光开始对轧辊1毛化加工；
S3、上位机6采集位移传感器3和编码器7的信号，并记录轧辊1的圆周上各个角位置上的偏心距离；
S4、根据所采集的轧辊1在各个角位置上的偏心距离、系统循环周期时间常数和当前时刻轧辊1的旋转角位置信号，确定激光头2的下一目标运动位置并下发至驱动单元4；
S5、驱动单元4移动激光头2到目标位置，实现对轧辊1的偏心补偿。
上述步骤S4中，系统循环周期时间常数为上位机从信号采集、处理再到电机动作执行的一个循环周期的时间常数，通常在几个毫秒量级，主要根据设备性能来设定的一个程序运行固定周期，通常范围在几毫秒到几十毫秒之间。
实施例
本实施例提供的一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，参照图1，其中轧辊1为冷轧机工作辊，装夹在数控轧辊车床上，可在数控轧辊车床的控制下做旋转运动；底板5为数控轧辊车床的大拖板，可在数控轧辊车床的控制下沿机床Z轴(轧辊2母线方向)做平移运动；编码器7与轧辊1的旋转主轴连接，用于测量轧辊1的旋转角位置，所选择的编码器型号为增量型编码器，分辨率为1024脉冲/圈；位移传感器3为电涡流传感器，包括探头和前置信号放大器，输出信号范围为-10V～10V，灵敏度为4V/mm，固定安装在底板5上；上位机6为PLC，具有数字输入输出接口和模拟量输入接口，可采集位移传感器3的模拟量信号和编码器7的脉冲信号，并可输出脉冲信号控制驱动单元4的运动；激光头2用于激光的聚焦，垂直指向轧辊1表面；驱动单元4以驱动激光头2前后移动，驱动单元4由电机、电机驱动器、滑台组成。
本实施例提供的一种激光毛化轧辊偏心的预补偿方法，包括以下步骤：
S1、通过数控机床控制大拖板的移动，从而将激光头2移动到轧辊1的一端起始点，并调整激光头2的前后距离，完成激光头焦距的调节，使焦点落在轧辊表面；
S2、数控机床驱动轧辊1做匀速旋转运动，在本实施例中设定的转速为250rpm，大拖板匀速向轧辊1的另一端匀速移动，在本实施例中设定的移动速度为12mm/min，激光头2发射脉冲激光开始轧辊1毛化加工；
S3、上位机6通过编码器7的脉冲信号作为中断源，采集对应时刻的位移传感器3的电压信号，即在该编码器7角位置下的轧辊1偏心距离，并将结果储存在一个长度为1024(编码器7的分辨率大小)的数组中，即形成编码器7各个角位置上的偏心距离曲线；
S4、根据上位机6性能和考虑系统从信号采集到指令发出执行的所需时间，在本实施例中设定的系统循环周期时间常数为5ms，因此需以5ms后的角位置为参考，通过该角位置所对应的偏心距离来确定激光头2的目标运动位置，并下发至驱动单元4；
具体的在本实施例中，如某时刻轧辊1旋转脉冲编码器7的角位置计数值为249，根据转速250rpm，5ms时间后，轧辊1旋转脉冲编码器7的脉冲计数值应为0.005s*(250rpm÷60)*1024个/r＝21.3个，因此需要以编码器7角位置计数值为270时对应的偏心距离来确定激光头2的目标运动位置，并下发至驱动单元4。
S5、驱动单元4执行相应动作，移动激光头2到目标运动位置，实现对轧辊1的偏心补偿。
本发明通过上位机实时采集编码器角度信号和位移传感器距离信号生成轧辊偏心曲线，同时考虑系统执行响应时间常数，将偏心曲线预处理为驱动单元控制信号，然后再根据编码器采集的轧辊旋转角度预先调节激光头的位置，实现对轧辊偏心曲线的精确补偿。本方案可以有效解决激光毛化过程中因工件偏心而导致的毛化不均匀现象，改善加工质量。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (8)
1.一种激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，其特征在于，包括：
底板，沿轧辊的母线方向平移运动；
驱动单元，设于所述底板上；
位移传感器，设于所述底板上，用于测量所述轧辊旋转时的偏心距离；
激光头，设于所述驱动单元上，用于将激光的聚焦于轧辊表面；
编码器，与所述轧辊的旋转主轴相连，用于测量所述轧辊旋转时的角位置信号；
上位机，其输出端与所述驱动单元的输入端连接，输入端与所述编码器的输出端、所述位移传感器的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，其特征在于：所述底板为数控轧辊车床的大拖板。
3.根据权利要求1所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，其特征在于：所述位移传感器为电涡流传感器，输出信号范围为-10V～10V，灵敏度为4V/mm。
4.根据权利要求1所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，其特征在于：所述编码器为增量型编码器，分辨率为1024脉冲/圈。
5.根据权利要求1所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，其特征在于：所述上位机为PLC。
6.根据权利要求1所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统，其特征在于：所述激光头垂直指向所述轧辊的表面。
7.一种基于权利要求1-6之一所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿系统的预补偿系统方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、移动所述激光头至毛化起始点，并完成所述激光头焦距的调节，使焦点落在所述轧辊表面；
S2、使所述轧辊保持匀速旋转，所述底板拖动所述激光头沿所述轧辊的母线方向匀速移动，所述激光头发射激光开始对所述轧辊毛化加工；
S3、所述上位机采集所述位移传感器和所述编码器的信号，并记录所述轧辊的圆周上各个角位置上的偏心距离；
S4、根据系统循环周期时间常数和所述轧辊的旋转角位置信号，确定所述激光头的下一目标运动位置并下发至所述驱动单元；
S5、所述驱动单元移动所述激光头到目标位置，实现对所述轧辊的偏心补偿。
8.根据权利要求7所述的激光毛化轧辊偏心的预补偿方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述系统循环周期时间常数为所述上位机从信号采集、处理再到电机动作执行的一个循环周期的时间常数。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117066600A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-11-17 | 江苏凯达重工股份有限公司 | 一种轧辊外圆沟槽加工装置 |
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2022
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