CN2761341Y - 射频激励脉冲co2激光辊类表面毛化加工装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种射频激励脉冲CO2激光辊类表面毛化加工装置。该装置包括二维机床，轧辊由卡盘和顶尖装夹，由纵向和横向伺服电机带动激光头作纵向和横向的平移，激光器输出的激光通过激光头聚焦后作用在加工辊面上，激光器为射频激励脉冲CO2激光器，轧辊的转速和旋转位置、射频激励脉冲CO2激光器的输出功率和输出脉冲频率，以及激光头的纵向和横向平移均由工控机控制，激光头包括反射镜和金属抛物面聚焦镜，由射频激励脉冲CO2激光器产生的激光束经扩束镜，反射镜反射、金属抛物面聚焦镜聚焦后，聚焦光束与激光束成平行、反向输出。本实用新型能量利用效率高，结构简单、体积小、成本低，维护少，设备长期可靠运行。

Description

射频激励脉冲CO2激光辊类表面毛化加工装置
技术领域
本实用新型涉及一种辊类表面激光毛化处理加工装置，特别是涉及一种用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置。
背景技术
毛化钢板具有优良的冲压性能和表面涂镀性能，是汽车、家电、电子和轻工业生产中广泛应用的重要原材料，毛化钢板生产的关键技术是轧辊表面毛化，激光轧辊毛化技术是现在使用的几种毛化技术包括喷丸毛化、电火花毛化以及电子束毛化中实用而又先进的一种毛化技术。
激光轧辊毛化技术主要分为两大类：一类是采用气体CO2激光器的CO2激光毛化，另一类是采用固体ND:YAG激光器的YAG激光毛化。
目前，已经研制成功并且用于生产的CO2激光毛化装置是，将CO2激光器射出的高能激光束用光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束，通过聚焦透镜聚焦后照射在被加工的轧辊表面，加工过程中轧辊旋转，同时激光头和光学发射调制系统平移，在轧辊表面加工出螺旋形规则分布的微小毛化坑，如华中科技大学激光院研制的大型CO2激光轧辊毛化加工成套系统。但该系统由于采用光调制盘技术后，只能利用很少一部分输出激光能量，能量利用效率不高，且机械结构复杂、设备体积庞大，相对造价较高；同时，光脉冲的发射不能随时控制，因此只能进行规则点毛化。
YAG激光毛化设备是中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的冷轧辊激光加工装置。该装置是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为脉冲激光发生源，脉冲激光束经光路系统聚焦后作用于轧辊表面，通过控制调Q频率和轧辊转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。如专利号：ZL00264774.5，发明名称：“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”。该激光加工装置就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源，其缺点是：由于YAG激光泵浦灯使用寿命有限，需要定期进行泵浦灯的更换等维护工作，影响生产效率；另外，该装置所使用激光的平均功率较低，毛化效果有限，生产效率低，难以满足大型钢厂的生产需要。尽管该装置设计两台激光器通过光路转换，实现生产中激光器轮换使用，来解决持续生产这一问题，但这种设计增加了机械系统、冷却系统和光路系统的复杂程度，对于加工装置的工作可靠性、耐久性有影响。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述激光毛化装置的不足之处，提供一种射频激励脉冲CO2激光辊类表面毛化加工装置。该装置激光能量利用效率高，结构简单、体积小、成本低。
本实用新型采用的技术方案是：一种射频激励脉冲CO2激光辊类表面毛化加工装置，包括二维机床，轧辊由卡盘和顶尖装夹，由纵向和横向伺服电机带动激光头作纵向和横向的平移，激光器输出的激光通过激光头聚焦后作用在加工辊面上，在激光头上装有双气路结构的辅助气体喷射装置，其特征在于：所述激光器为射频激励脉冲CO2激光器；轧辊的转速和旋转位置、射频激励脉冲CO2激光器的输出功率和输出脉冲频率，以及激光头的纵向和横向平移均由工控机控制。
所述激光头包括反射镜和金属抛物面聚焦镜，由射频激励脉冲CO2激光器产生的激光束经扩束镜，反射镜反射、金属抛物面聚焦镜聚焦后，聚焦光束与激光束成平行、反向输出。
在射频激励脉冲CO2激光器到激光头之间的光路上装有防护套。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
(1)本实用新型采用射频激励脉冲CO2激光器作为加工光源，激光脉冲频率直接由射频电源激励获得脉冲激光输出，不需采用光调制转盘或进行声光调Q以获得脉冲激光输出，激光能量利用效率高，结构简单、体积小、成本低，使用寿命长，生产维护容易。
(2)由于采用射频激励脉冲CO2激光器，其无故障使用时间达几万小时，工作中无需维护，保证设备长期可靠运行。
(3)采用金属抛物面聚焦系统，散热快，热变形小，聚焦光斑无像散、球差，工作稳定。
(4)三轴联动数控系统结合激光输出功率和脉冲频率的计算机控制，在线调节，毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可实现辊面毛化坑矩形、菱形和三角形等多种分布。
(5)激光器安装在二维移动架上，加工过程长距离移动时光程不变，保证辊面聚焦光斑大小一致，使毛化坑大小均匀。
附图说明
图1为本实用新型一种实施例的结构示意图。
图2为图1中机床头的结构示意图。
图3为图1中二维移动架上各部件的布置示意图。
图4为图3中横向移动调节机构的结构示意图。
图5为图3中激光头的结构示意图。
图6为本实用新型控制部分的方框图。
具体实施方式
由图1所示，本实用新型采用一通常的二维机床，射频激光电源9和工控机10可装在控制柜11内，二维移动架3装在机床纵向导轨6上，激光头2装在二维移动架3上。在机床床身上装有机床头12和床尾顶尖座5，在床尾顶尖座5上装有顶尖4，轧辊1由卡盘13和顶尖4装夹，由卡盘13带动旋转。纵向伺服电机8可装在机床床身上，纵向伺服电机8驱动纵向滚珠丝杆7带动二维移动架3在纵向导轨6上纵向平移，其平移连续移动时，则轧辊1表面毛化坑分布为螺旋形。其平移步进移动时，则轧辊1表面毛化坑分布为环形。
由图2所示，机床头12包括与机床主轴14相连的增量编码器17、主轴电机16、变速箱15，机床主轴14由主轴电机16通过变速箱15带动。卡盘13与机床主轴14相连，轧辊1的转速和旋转位置由增量编码器17测控。
由图3所示，在二维移动架3上装有射频激励脉冲CO2激光器18、扩束镜19、横向移动调节机构20。所述激光头2装在横向移动调节机构20上，双气路结构的辅助气体喷射装置21固定在激光头2上，在射频激励脉冲CO2激光器18到激光头2之间的光路上装有防护套22。
由图4所示，横向移动调节机构20由横向伺服电机23、横向滚珠丝杆24、横向滑座25和横向导轨26构成一传动副。横向导轨26安装在二维移动架3上，横向滑座25安装在横向导轨26上，由横向伺服电机23驱动横向滚珠丝杆24带动横向滑座25在横向导轨26上产生横向平移，所述激光头2安装在横向滑座25上，达到横向调节激光头2和轧辊1表面的距离。
由图5所示，激光头2包括反射镜28和金属抛物面聚焦镜29。由射频激励脉冲CO2激光器18产生的激光束27，经扩束镜19、反射镜28反射、金属抛物面聚焦镜29聚焦后，聚焦光束与激光束27呈平行、反向输出。
在激光毛化过程中，激光头2发出的脉冲激光作用在轧辊1表面，轧辊1表面的金属在激光作用下，产生熔化与部分气化，为了使轧辊1表面达到一定的粗糙度，必须使轧辊1表面毛化坑周围形成凸缘，这种凸缘是由熔化的金属流出凹坑凝固形成。因此，安装了一通常的双气路结构的辅助气体喷射装置21，辅助气体喷射装置21的一路气路喷嘴与光轴成30°～45°夹角安装，喷出一定流量、压力和成分的气体，将激光作用点处的熔融金属吹向一侧，使毛化点形成设计所需的凹坑和凸台形貌；双气路喷射装置21中的另一路喷射气体与光轴同轴，其作用是喷出气流阻隔激光与金属作用产生的粉尘及飞溅物，以保护镜头不被污染。
由图6所示，在工控机10内总线上装有一块D/A接口卡和一块可控分布接口卡。
工控机10内的D/A接口卡发出一路信号给变频器30，变频器30驱动机床主轴电机16，主轴电机16通过变速箱15带动机床主轴14，从而带动轧辊1旋转，且转速无级可调。由增量编码器17测得反映轧辊1的转速和旋转位置的脉冲信号输入到工控机10内的可控分布接口卡，经工控机10处理后，控制射频激光电源9的输出脉冲频率和纵向伺服驱动器31，射频激励脉冲CO2激光器18由射频激光电源9激励获得脉冲激光输出，纵向伺服驱动器31驱动纵向伺服电机8。
由工控机10内的D/A接口卡设定跟踪间距，D/A接口卡发出另一路信号给位置PID调节器33，位移传感器32可装在横向滑座25上，位移传感器32检测实际间距，将检测到的间距信号传给位置PID调解器33，位置PID调节器33接横向伺服驱动器34，横向伺服驱动器34工作在速度控制方式，来控制横向伺服电机26。
横向移动调节机构20与位移传感器32、位置PID调解器33及横向伺服驱动器34构成间距自动跟踪器。激光与轧辊1表面间距的自动跟踪由工控机10、横向移动调节机构20组成的系统完成，它是一个闭环控制系统。
上述变频器30、纵向伺服驱动器31、位置PID调解器33、横向伺服驱动器34等均可装在控制柜11内。
用于激光器冷却的冷却系统可采用通常的冷却系统，包括水箱、水泵、管道及温控装置。润滑系统采用通常的机床润滑系统，由润滑油泵、油管及油箱等组成，对整个数控加工系统进行润滑。

Claims (3)

1.一种射频激励脉冲CO2激光辊类表面毛化加工装置，包括二维机床，轧辊由卡盘和顶尖装夹，由纵向和横向伺服电机带动激光头作纵向和横向的平移，激光器输出的激光通过激光头聚焦后作用在加工辊面上，在激光头上装有双气路结构的辅助气体喷射装置，其特征在于：
所述激光器为射频激励脉冲CO2激光器(18)；
轧辊(1)的转速和旋转位置、射频激励脉冲CO2激光器(18)的输出功率和输出脉冲频率，以及激光头(2)的纵向和横向平移均由工控机(10)控制。
2.根据权利要求1所述的毛化加工装置，其特征在于：所述激光头(2)包括反射镜(28)和金属抛物面聚焦镜(29)，由射频激励脉冲CO2激光器(18)产生的激光束(27)经扩束镜(19)，反射镜(28)反射、金属抛物面聚焦镜(29)聚焦后，聚焦光束与激光束(27)成平行、反向输出。
3.根据权利要求2所述的毛化加工装置，其特征在于：在射频激励脉冲CO2激光器(18)到激光头(2)之间的光路上装有防护套(22)。
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