雷射雕刻版輥的系統及雕刻方法
2023-09-15 17:10:30 2
專利名稱：雷射雕刻版輥的系統及雕刻方法
技術領域：
本發明涉及雷射加工系統及方法，特別涉及一種在版輥上用雷射加工的方法進行圖形雕刻的雷射雕刻版輥系統及雕刻方法。
在紡織品、皮革、金屬板、裝飾及印刷品上印製各種不同的圖形花紋，首先需將所要印製的圖案在工作輥上製成模版，傳統的工藝首先需照相製版，而後在輥上塗布抗蝕劑(光敏)，乾燥後再用酸蝕刻，這種方法不但要耗費很多工時，而且需要再暗室中操作，並且也難以解決輥幅的閉合。
近年來，在紡織、印刷業出現了較為先進的金剛石刀雕刻技術，該技術通過使用電腦圖形處理系統，可以很方便地生成各種不同的圖形，然後通過控制金剛石刻刀在版輥上刻製圖案而製成版輥，但該技術僅能對一些質地較軟的工作輥進行雕刻。中國專利92113223.9公開了一種雷射刻花系統較好的解決了以上一些問題，但由於電機工作的穩定性差和缺少有效的定位措施使該技術還存在難以保證加工精度、速度和雕刻深度不易滿足用戶要求等問題。
中國專利CN95227602.X公開了一種用於冶金、印刷、皮革等行業中加工工作版輥的數控雷射圖形加工系統，該系統包括用於支撐待制輥並使其轉動的轉動裝置，雷射雕刻系統，圖形處理裝置，控制裝置和移動雷射刀頭的移動裝置，控制裝置中設置一輥軸轉動角度的檢測裝置，根據檢測裝置給出的輥軸位置信息和圖形處理裝置給出的圖形信息，通過雷射雕刻系統對板輥進行加工。該裝置雖然比較準確地在輥上加工預先設定圖形，改善了圖形輥幅的閉合問題，但仍然存在下述缺陷1，由於其控制採用的是主軸母線定位、定時控制，所有的控制計算均是以最初測定的主軸轉速、版輥直徑為基準的，圖形的閉合效果完全取決於主軸轉速的精確測量、轉速的恆定及版輥直徑測量的準確，而準確測量這些數據和保證轉速的恆定有一定的難度，所以圖形閉合效果仍然不理想；2，由於工件運動方式是「旋轉」+「步進」的方式，在步進時，工件軸向移動過程中仍在旋轉，在步進到位時，母線定位點已離開雷射加工點；因此在「步進」運動過程中無法進行雕刻加工，所以加工效率低；
3，由於其控制系統包括三大部分(1)計算機圖形數據處理(上微機)；(2)處理後的二進位編碼作為雷射加工點的控制信號傳送給單片機(下微機)，單片機將控制信號送至聲光調製器；(3)簡易數控工具機控制系統數控工具機為單獨的控制系統，其旋轉和步進控制不受計算機控制，即工具機主軸轉速和軸向位移的控制由工具機數控系統單獨設定和控制；因實際的轉速和設定值會有誤差，而計算機圖形加工信號處理的依據是設定值，且由於軸向位移由步進電機控制，為達到精確定位，解決步進電機的控制精度和可靠性，軸向必須增加光柵尺進行定位；所以控制系統不僅複雜，而且可靠性差。
另外，目前市場上銷售的YAG雷射打標機只能進行平面圖形雕刻加工；國內僅有的兩臺CO2雷射刻花設備(上海的一臺從德國引進，柳州的一臺從英國引進)主要加工對象是橡膠輥，不能加工鋁、銅、鋼等金屬以及陶瓷類的硬質版輥。
本發明的目的在於克服已有技術中存在的圖形輥幅的閉合差、加工效率低和控制系統不僅複雜，而且可靠性差的問題；為了提高加工圖形精確和效率高，以及不僅適用於一般的材料的版輥，而且還適用於金屬和陶瓷材料的版輥上加工，從而提供一種控制系統簡單，易於操作的，用於冶金、紡織、印刷等行業的雷射版輥的雕刻系統及雕刻方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的雷射版輥的雕刻系統包括雷射版輥的雕刻裝置、用於觀察和記錄的CCD攝像頭、計算機控制部分和用於雷射器的循環水冷和輔助氣體裝置；其中用於雷射器的循環水冷和輔助氣體裝置通過管道與雷射器的循環水冷進出口相通；其中雷射版輥的雕刻裝置包括雷射器、反射鏡、一用於支撐待刻製版輥並使待刻製版輥作軸向轉動的支撐轉動機構、支撐轉動機構的主軸與伺服電機機械連接，主軸編碼器與工具機主軸機械連接，支撐轉動機構由伺服電機驅動從而帶動待刻製版輥作軸向旋轉，支撐轉動機構可以是簡易數控車床；支撐轉動機構的大拖板與伺服電機通過傳動機構機械連接，伺服電機用來驅動大拖板左右移動；其特徵在於所述的雷射器可以是兩臺以上，雷射器可以固定在工具機床身上或單獨固定；所述的反射鏡是將雷射光束引導到一導光筒內的45°反射鏡，安置在每一個雷射器輸出光路上；兩塊45°反射鏡分別固定在各自的導光筒端，其每一導光筒的另一端安裝有45°反射鏡，分別接收安裝在雷射器上的45°反射鏡反射的雷射，其中兩塊45°反射鏡固定在反射鏡座上，反射鏡座與連接板連接，兩根導光筒的另一端再安裝一45°反射鏡，其中一輸出雷射被45°反射鏡反射到聚焦鏡組，聚焦輸出的光聚焦到待刻製版輥上的加工點上；另一45°反射鏡上在安裝有一導光筒，導光筒的另一端安裝有45°反射鏡，該45°反射鏡輸出光路上安裝一聚焦鏡組，聚焦輸出的光分別聚焦到待刻製版輥上同一加工點上，該聚焦鏡組連接有一迴轉調整機構，該迴轉調整機構安裝在與支撐轉動機構的大拖板相連接的移動伸縮板上，並由伺服電機來驅動，以使聚焦鏡組轉動從而使被它聚焦的雷射轉動達到改變該雷射在待刻製版輥上的聚焦位置，使它與另一雷射的聚焦點重合或分離；聚焦鏡組與移動伸縮板連接，固定連接板與移動伸縮板安裝在大拖板上，通過手搖推進器裝置或伺服電機驅動可使移動伸縮板前後移動；計算機控制系統包括計算機、顯示器和鍵盤以及主軸編碼器，計算機內增加一塊控制伺服電機轉速的伺服電機控制卡和控制雷射輸出的脈衝信號控制卡，控制支撐轉動機構的主軸旋轉的、以及控制走刀機構作軸向位移的伺服電機分別通過導線與伺服電機控制卡連接，聲光調製器電源與雷射器內部的聲光盒電連接，聲光調製器通過導線與脈衝信號控制卡電連接，主軸編碼器通過傳動裝置與主軸伺服電機連接；CCD攝像頭安裝在與聚焦鏡組相連接的45°反射鏡上。
還包括一微調螺母，安裝在聚焦鏡組與導光筒之間，每個聚焦鏡組均可沿其軸線方向通過微調螺母自由調節以保證精確的加工焦點。
所述的迴轉調整機構可以是蝸輪蝸杆部件，或者是錐齒輪等可做圓周運動的傳動機構，該迴轉調整機構可以由伺服電機來控制，也可用手動調節。
其中導光筒由2節以上套筒套裝，具有伸縮功能；用本發明提供的雷射版輥的雕刻系統進行雷射加工雕刻版輥的方法，按以下步驟進行1)將表面符合加工要求的待製版輥水平地夾持在支撐轉動機構上，支撐轉動機構由伺服電機驅動作水平軸向旋轉；2)待製版輥表面上噴塗專用雷射粉料；3a)利用繪圖軟體或掃描儀生成Bmp圖形，通過計算機鍵盤送至數據處理系統3b)同時將支撐轉動裝置的運動參數、待制輥加工參數、雷射器的雷射輸出參數分別通過鍵盤送至數據處理系統；3c)將上述送至數據處理系統的參數經點陣圖形處理器進行點陣圖形處理成可加工電信號；
4a)同時計算機接受控制軸向移動的伺服電機的軸向位置信號及主軸編碼器的主軸編碼信號(周向位置信號)；4b)這樣計算機把經數據處理系統生成的的可加工電信號送至脈衝信號控制卡，通過聲光調製器控制雷射器發出光束至待制輥，並開始加工。
所述的支撐轉動機構的運動參數包括主軸轉速；所述的待製版輥加工參數包括直徑、長度及軸向、周向點間隔；所述的雷射器的雷射輸出參數包括聲光調製頻率，組脈衝數和組間隔和功率。
本發明的優點在於1，由於本發明採用了多束雷射聚焦合束，將多束光匯聚集中加工一點，可增加加工深度，也可每個光束獨立加工，提高加工效率，還可將各束光以不同加工參數同時進行加工，在同一板輥面上實現不同深度加工；2，本發明採用了角度細分的編碼控制，有效地解決了普通刻花方法難以克服的因電網波動和機械精度帶來的加工誤差，實現精確版輥圖形閉合加工。
3，本發明將雕刻加工由原來的「步進」改成「旋進」。在「步進」方式下，圖形加工是通過雷射刀頭的圓周加工和平移完成的，其工作方法是以各圓周的第一加工起始點所在的工件的母線作為基準線，雷射刀頭在完成一個完整的圓周(即工件旋轉360°)加工時，雷射刀頭不平移，待回到基準線時即停止加工，(但被加工工件仍保持勻速旋轉)，進行一個步長(即構成圖形的均勻點陣間距)的平移，平移完成後，雷射刀頭須在以新圓周的位置上等待基準線重新出現才開始工作。因此，步進加工方式的工作效率較低。在「旋進」方式下，雷射加工是螺旋運動的，即雷射刀頭在完成一個完整的圓周(即工件旋轉360°)加工時，雷射刀頭同時在平移，由於在整個圖形加工過程中雷射刀頭的工作不停頓，其加工效率因此可提高一倍以上。
4，本發明將加工位置控制方式由「速度控制」改為「角度控制」。在「速度控制」的方式下，加工點的位置根據測得的工件直徑和設定的加工點間距，通過選定並控制工件的轉動速度和雷射刀頭的平移距離來確定。因此，其控制精度易受加工工件的不圓度、尺寸測量精度甚至電網波動的影響。「角度控制」由於採用了高精度的角度測量和專門編制的圖形閉合加工軟體，加工點的位置不受被加工工件尺寸誤差和支撐轉動機構轉速變化的影響，加工精度因而大大提高。
5，本發明採用多臺雷射器聯合加工的方式，由「合束聚焦」改為「聚焦合束」。由於單臺YAG雷射器經聲光調製後單脈衝能量較小，為提高加工效率，必須採用多脈衝重複作用，實踐證明，這種方法不僅加工效率低，其加工效果提高也很有限。為進一步提高加工效率和加工效果，在中國專利95227602.X中，提出採用「合束聚焦」方式來增強加工效果。由於目前的雷射關學系統硬體(如聚焦和反射鏡片表面膜層)在更高強度雷射作用下長期、穩定工作尚存在一定的問題，本發明的「聚焦合束」方式各雷射器及其光路完全獨立工作，既可將各束雷射匯聚一點以提高加工效率和加工效果，又可令各束雷射按不同的加工參數分別進行單獨加工或同時加工以增加圖形的三維效果。
6，本發明的控制部分比較簡化，一臺計算機統一工作，主軸的轉速和軸向位移受計算機閉環控制，這樣，設備體積大大減小，接口減少，其可靠性和穩定性顯著提高。
下面結合附圖及實施例進一步描述本發明。
附
圖1為本發明的雷射雕刻版輥的系統結構示意圖；附圖2為本發明提供的加工方法的加工流程示意圖；附圖3為本發明的雷射雕刻版輥的系統的控制系統框圖；實施例1圖面說明如下聚焦鏡組1、2；待刻版輥3； 伺服電機4、5、6；迴轉調整機構7； 雷射器8；聲光調製器電源9；固定連接板10；反射鏡11、12、13、14；導光筒15、16；伸縮調整板17；計算機18；顯示器19；鍵盤20； 支撐轉動裝置21；微調螺母22； 主軸編碼器23；CCD攝像頭24；本實施例的雷射版輥的雕刻系統按圖1製作，其控制系統如圖3框圖所示，其中該雕刻系統包括採用2臺YAG雷射器(8)單獨垂直固定在工具機(21)旁邊，二臺雷射器(8)的二束輸出光各通過一塊固定在雷射器(8)輸出光窗口上的45°反射鏡被引入各自的導光筒內，該導光筒的另一端固定另一45°反射鏡(13)及(14)，該兩塊45°反射鏡(13)及(14)輸出光面又各自固定在導光筒15及16的端，其中一束輸出雷射被45°反射鏡(12)反射到聚焦鏡組(2)後，聚焦到待刻製版輥(3)的加工點上；另一束輸出雷射被45°反射鏡(11)反射到由反射鏡(12)和蝸輪蝸杆調整機構組成的反射鏡組後，經反射鏡(11)反射到聚焦鏡組(1)，聚焦輸出的光聚焦到待刻製版輥(3)上的同一加工點上，經蝸輪蝸杆調整機構使聚焦鏡組(1)轉動從而使被它聚焦的雷射轉動達到改變該雷射在待刻製版輥(3)上的聚焦位置，使它與另一雷射的聚焦點重合或分離。導光筒分別與兩個45°反射鏡座連接，其中反射鏡(13)，(14)與固定連接板(10)連接，分別接收安裝在雷射器(8)上的45°反射鏡反射的雷射，聚焦鏡組(1)、(2)與移動伸縮板(17)連接，固定連接板(10)與移動伸縮板(17)安裝在大拖板上，通過手搖推進器裝置或伺服電機驅動可使移動伸縮板(17)前後移動；待刻製版輥3被夾在支撐轉動裝置上。連接反射鏡(11)和(12)之間的迴轉調整機構(7)可以是渦輪渦杆或者是錐齒輪傳動結構，或者是一可做圓周運動的機構，該迴轉調整機構(7)可以由伺服電機來控制，也可用手動調節。伺服電機(4)與支撐轉動機構(21)的主軸機械相連，受計算機(18)控制主軸的轉向和轉速；主軸編碼器(23)與工具機機械連接，傳送主軸周向位置信息給計算機(18)，伺服電機6與工具機大拖板通過傳動機構機械相連，伺服電機(6)受計算機(18)控制用來驅動大拖板左右移動。聲光調製器電源(9)與雷射器(8)的聲光盒電連接，接受計算機(18)控制雷射的輸出和關閉。CCD攝像(24)安裝在與聚焦鏡組(1)相連接的45°反射鏡上。其中計算機控制部分包括顯示器(19)、計算機主機(18)和鍵盤(20)，計算機(18)內增加一塊控制伺服電機轉速的伺服電機控制卡和控制雷射輸出的脈衝信號控制卡，控制支撐轉動機構(21)主軸旋轉的、以及控制走刀機構作軸向位移的伺服電機分別通過導線與伺服電機控制卡脈連接，聲光調製器通過導線與脈衝信號控制卡電連接，主軸編碼器(23)通過傳動裝置與主軸伺服電機(5)連接；循環水冷和輔助氣體部分(在圖中未有標出)通過管道與雷射器(8)相連通。
實施例2在實施例1提供的雷射版輥的雕刻系統上，按圖2所示的流程進行，使用本發明提供的加工雷射版輥的方法加工一種印染花布用的金屬版輥具體過程如下1．將表面符合加工要求的待制金屬版輥水平地夾持在支撐轉動機構(21)上，金屬版輥表面上噴塗專用雷射粉料；支撐轉動機構(21)使用的是數控工具機，它由伺服電機(4)驅動作水平軸向旋轉；2．a．從計算機(18)數據處理系統中調入由Photoshop繪圖軟體繪製成的Bmp圖形文件；b．輸入如下轉動裝置的運動參數，並存儲在計算機(18)主機內主軸轉速待制輥加工參數；直徑、長度及軸向、周向點間隔；所述的雷射器的雷射輸出參數為聲光調製頻率，組脈衝數和組間隔和功率；c．將上述送至數據處理系統的參數經點陣圖形處理器進行點陣圖形處理成可加工電信號；3a)同時計算機接受控制軸向移動的伺服電機的軸向位置信號及主軸編碼器的主軸編碼信號(周向位置信號)；3b)這樣計算機把經數據處理系統生成的的可加工電信號送至脈衝信號控制卡，通過聲光調製器控制雷射器發出光束至待製版輥，並開始加工。
4．待數據處理系統處理完上述加工參數後即可進入實際加工過程；在加工過程中，數據處理系統將上述輸入的加工參數和運動參數經點陣圖形處理後，生成與加工運動軌跡相匹配的可加工電信號；同時接收由主軸編碼器反饋回送的周向位置信號和由控制待制輥軸向位移的伺服電機編碼器反饋回送的軸向位置信號，這樣，可加工電信號就可以根據待制輥的軸向和周向定位信號控制雷射的輸出，雷射輸出的每個點的加工特徵由雷射輸出參數確定，從而實現在待制輥表面的雕刻加工。
權利要求
1．一種雷射雕刻版輥的雕刻系統包括雷射版輥的雕刻裝置、用於觀察和記錄的CCD攝像頭、計算機控制部分和用於雷射器的循環水冷和輔助氣體裝置；其中用於雷射器的循環水冷和輔助氣體裝置通過管道與雷射器的循環水冷進出口和進出氣口相通；其中雷射版輥的雕刻裝置包括雷射器、反射鏡、一用於支撐待刻製版輥並使待刻製版輥作軸向轉動的支撐轉動機構、支撐轉動機構的主軸與伺服電機機械連接，主軸編碼器與工具機主軸機械連接，支撐轉動機構的大拖板與伺服電機通過傳動機構機械連接，其特徵在於所述的雷射器是兩臺以上，雷射器可以固定在工具機床身上或單獨固定；所述的反射鏡是將雷射光束引導到一導光筒內的45°反射鏡，安置在雷射器的輸出光前方的導光筒一端，在兩根導光筒另一端分別將兩塊45°反射鏡固定，在該兩塊45°反射鏡光路上再分別固定一導光筒，其每一導光筒的另一端安裝有45°反射鏡，其兩塊45°反射鏡固定在反射鏡座上，反射鏡座與連接板連接，其中一導光筒輸出雷射被45°反射鏡反射到聚焦鏡組，聚焦輸出的光聚焦到待刻製版輥上的加工點上；在另一個導光筒的端部安裝的45°反射鏡上再固定一導光筒，其另一端再安裝45°反射鏡和一聚焦鏡組，聚焦輸出的光聚焦到待刻製版輥上同一加工點上，該聚焦鏡組連接有一迴轉調整機構，該迴轉調整機構安裝在與支撐轉動機構的大拖板相連接的移動伸縮板上，並與伺服電機連接；聚焦鏡組與移動伸縮板連接，固定連接板與移動伸縮板安裝在大拖板上；還包括計算機控制部分，其中計算機內增加一塊控制伺服電機轉速的伺服電機控制卡和控制雷射輸出的脈衝信號控制卡，控制支撐轉動機構的主軸旋轉的、以及控制走刀機構作軸向位移的伺服電機分別通過導線與伺服電機控制卡連接，聲光調製器電源與雷射器內部的聲光盒電連接，聲光調製器通過導線與脈衝信號控制卡電連接，主軸編碼器通過傳動裝置與主軸伺服電機連接；CCD攝像安裝在與聚焦鏡組相連接的45°反射鏡上。
2．按權利要求1所述的一種雷射雕刻版輥的雕刻系統，其特徵在於還包括一每個聚焦鏡組均可沿其軸線方向自由調節以保證精確的加工焦點的微調螺母，其安裝在聚焦鏡組與導光筒之間。
3．按權利要求1所述的一種雷射雕刻版輥的雕刻系統，其特徵在於所述的迴轉調整機構可以是蝸輪蝸杆機構、錐齒輪、或者是可做圓周運動的傳動機構，該迴轉調整機構與伺服電機電連接或機械連接。
4．按權利要求1所述的一種雷射雕刻版輥的雕刻系統，其特徵在於所述的具有伸縮功能導光筒由2節以上套筒套裝。
5．一種使用權利要求1所述的雷射雕刻版輥的系統進行雷射雕刻版輥的方法，其特徵在於按以下步驟進行1)將表面符合加工要求的待制輥水平地夾持在支撐轉動機構上，支撐轉動機構由伺服電機驅動作水平軸向旋轉；2)待製版輥表面上噴塗專用雷射粉料；3a)利用繪圖軟體或掃描儀生成Bmp圖形，通過計算機鍵盤送至數據處理系統3b)同時將支撐轉動裝置的運動參數、待制輥加工參數、雷射器的雷射輸出參數分別通過鍵盤送至數據處理系統；3c)將上述送至數據處理系統的參數經點陣圖形處理器進行點陣圖形處理成可加工電信號；4a)同時計算機接受控制軸向移動的伺服電機的軸向位置信號及主軸編碼器的主軸編碼信號(周向位置信號)；4b)這樣計算機把經數據處理系統生成的的可加工電信號送至脈衝信號控制卡，通過聲光調製器控制雷射器發出光束至待制輥，並開始加工。
全文摘要
本發明涉及用雷射加工版輥的雕刻系統及方法。它包括支撐轉動待刻版輥的機構、兩臺雷射器輸出光路上有一45°反射鏡固定在各導光筒的兩端,一導光筒45°反射鏡與聚焦鏡組通過導光筒固定,聚焦輸出的光聚焦到待刻製版輥上;另一導光筒再安一反射鏡通過導光筒固定聚焦鏡組,並安有迴轉調整機構由伺服電機來驅動。計算機對各自獨立的雷射加工系統進行組合控制加工,以不同的加工參數在版輥表面進行深度不同的三維雕刻加工。
文檔編號B23K26/08GK1299723SQ0012480
公開日2001年6月20日 申請日期2000年9月12日 優先權日1999年12月14日
發明者陳光南, 紀全, 孫傳香 申請人:中國科學院力學研究所