一種軸類表面規則可控分布的雷射刻蝕方法與流程
2023-06-07 10:10:46
本發明涉及雷射加工領域，特別是涉及一種在軋輥的圓周表面進行精確規則圖像的雷射刻蝕加工方法。
背景技術：
現有雷射對軋輥的處理方面，沒有一種精確到點對點的刻蝕方法，這會導致雷射刻蝕的精度下降，降低刻蝕效果。
技術實現要素：
本發明目的是提供一種在軋輥的圓周表面進行精確規則圖像的雷射刻蝕加工方法。
特別地，本發明提供一種軸輥表面規則可控分布的雷射刻蝕方法，包括如下步驟：
步驟100，在工具機的主軸上安裝同軸編碼器，將軋輥沿圓周方向等分成距離相等的系列點；
步驟200，控制單元根據工具機的轉速及一周的加工點數確定軋輥表面雷射刻蝕加工頻率；
步驟300，在控制單元中設計一個與軋輥加工頻率相同但佔空比為50％的方波信號；
步驟400，設置預刻蝕的規則圖像形狀，然後以方波信號的上升沿和/或下降沿作為觸發雷射加工的信號，控制雷射對軋輥表面進行規則刻蝕。
在本發明的一個實施方式中，在步驟100中，所述編碼器等分軋輥圓周表面的系列點，是通過設置佔空比為50％的方波基準信號進行劃分的。
在本發明的一個實施方式中，在所述編碼器上設置有調節所述控制單元的方波信號與所述編碼器的方波信號同步的鎖相電路。
在本發明的一個實施方式中，所述鎖相電路包括依次連接的鑑相器、低通濾波器、壓控脈衝發生器。
在本發明的一個實施方式中，還包括倍頻電路，所述倍頻電路接收所述鎖相電路輸出的方波信號後進行倍頻相乘，並使輸出結果與軋輥的加工頻率保持一致的同時作為雷射加工時的觸發信號。
在本發明的一個實施方式中，所述規則形狀包括矩形和菱形，其中所述矩形是以每個所述振蕩方波信號的上升沿或下降沿作為觸發信號；所述菱形是以所述振蕩方波信號的上升沿和下降沿交替作為每周的觸發信號。
在本發明的一個實施方式中，軋輥表面軸向螺距的控制是通過調整工具機絲槓的運轉速度來實現。
在本發明的一個實施方式中，軋輥沿圓周方向系列點的數量與所述控制單元的存儲器的精度有關，精度越高所述系列點的數量越多。
在工具機主軸安裝同軸編碼器，經過鎖相電路，將軋輥沿圓周方向等分成距離相等的系列點，根據工具機的轉速及加工點數計算出軋輥表面雷射刻蝕加工頻率，以工具機絲槓移動速度確定雷射加工點的螺距，實現螺距和點距的精確可控。同時以方波信號源的上升沿或下降沿作為雷射器發出的脈衝雷射的觸發信號，來實現圓周方向加工點位置的規則變化，從而實現軋輥表面矩形和菱形規則分布的脈衝雷射加工。
本發明通過位置信號精確同步控制，達到在軋輥表面進行矩形和菱形等規則分布的雷射刻蝕加工，實現了軋輥表面高精度規則分布的脈衝雷射刻蝕，為脈衝雷射與物質相互作用的理論及加工實驗提供必要的依據和手段。
附圖說明
圖1是本發明一個實施方式的雷射刻蝕方法的步驟示意圖；
圖2是圖1雷射刻蝕方法所涉及的裝置示意圖；
圖3是本發明一個實施方式中鎖相電路的連接示意圖；
圖4是本發明一個實施方式的倍頻電路示意圖；
圖5是本發明一個實施方式的矩形圖像刻蝕時的方波信號示意圖；
圖6是本發明一個實施方式的菱形圖像刻蝕時的方波信號示意圖。
具體實施方式
如圖1、2所示，本發明一個實施方式的軋輥表面規則可控分布的雷射刻蝕方法一般性地包括如下步驟：
步驟100，在工具機的主軸上安裝同軸編碼器，將軋輥沿圓周方向等分成距離相等的系列點；
編碼器11與軋輥為1：1的同步轉動，通過編碼器11可以實現軋輥圓周的位置定位，實現對軋輥的表面進行的等分劃分，劃分後的各點之間距離相等，本步驟相當於是將軋輥的表面設置成點陣結構，以方便雷射器30在刻蝕時能夠根據設置的點進行定位。
編碼器11對軋輥的圓周劃分是通過輸出編碼信號的方式實現的，輸出的編碼信號為佔空比為50％的方波信號。
步驟200，控制單元根據工具機的轉速及一周的加工點數確定軋輥表面雷射刻蝕加工頻率；
這裡的控制單元可以是工控機20，該加工頻率可以通過鎖相電路進行計算，以得到一個與編碼器11的編碼信號相同頻率的方波信號。軋輥表面軸向螺距的控制是通過調整工具機絲槓的運轉速度來實現。
步驟300，在控制單元中設計一個與軋輥加工頻率相同但佔空比為50％的方波信號；
工控機20以方波信號的上升沿或下降沿作為雷射器30發出的脈衝雷射的觸發信號，同時結合絲杆的運轉速度來實現軋輥圓周方向和軸向加工點位置的規則變化。
工控機20記錄軋輥沿圓周方向的每一個點的位置信號。定位精度由工控機20的存儲器位數決定，如果採用4位精度的存儲器，假設加工直徑為500mm的軋輥，加工點距為60微米，則一個圓周方向需要加工的點數為3.14*500/(0.06)＝26166個。精度到第四位，也就是實際加工26160個點，則誤差為6/26166＝0.02％，如果使用5位精度的存儲器，則定位精度到第五位，也就是實際加工26166個點，因此，通過選擇不同位數的存儲器能夠實現無誤差的精確定位。
步驟400，設置預刻蝕的規則圖像形狀，然後以方波信號的上升沿和/或下降沿作為觸發雷射加工的信號，控制雷射對軋輥表面進行規則刻蝕。
這裡的規則圖像形狀包括矩形和菱形，其中矩形是以方波信號的上升沿或下降沿作為觸發信號；而菱形則是以方波信號的上升沿和下降沿交替作為每周的觸發信號。
本發明在工具機的主軸上安裝同軸編碼器11，根據鎖相原理，將軋輥沿圓周方向等分成距離相等的系列點，點與點之間的距離即為點距，根據工具機的轉速及軋輥一周所需要加工的雷射脈衝數計算出軋輥脈衝雷射刻蝕加工頻率，以工具機絲槓移動速度確定雷射加工點的螺距，同時在工控機中設計一個相同頻率佔空比為50％的振蕩方波信號源，以方波信號的上升沿或下降沿作為雷射器30發出的脈衝雷射的觸發信號，來實現圓周方向加工點位置的規則變化，從而實現軋輥表面矩形和菱形規則分布的脈衝雷射加工。
本發明通過位置信號精確同步控制，達到在軋輥表面進行矩形和菱形等規則分布的雷射刻蝕加工，實現了軋輥表面高精度規則分布的脈衝雷射刻蝕，為脈衝雷射與物質相互作用的理論及加工實驗提供必要的依據和手段。
如圖3所示，在本發明的一個實施方式中，還設置有調節工控機輸出的方波信號與編碼器11的方波信號同步的鎖相電路40。
該鎖相電路40包括依次連接的鑑相器41、低通濾波器42、壓控脈衝發生器43。
工作時，由主軸上同軸編碼器11中輸出基準信號為佔空比為50％的方波信號，通過工控機20對軋輥加工頻率經過電路運算，得到與基準信號相同頻率的方波信號，經過鑑相器41輸出為窄脈寬的觸發信號，再經過低通濾波器42變成電壓信號，之後經過壓控脈衝發生器43輸出與主軸編碼器11基準頻率信號同步的方波信號。
如果，工控機20輸出的方波信號的相位與編碼器輸出的基準信號不同步，則反饋回鑑相器41，相應調整工控機20輸出的方波信號的頻率，再通過低通濾波器42，由於輸入信號的頻率改變，增加或降低電壓信號的電壓幅值，最後經過壓控脈衝發生器43後，從而相應調整最終輸出方波信號的頻率，重複上述過程，直至確保工控機20輸出的方波信號與編碼器11輸出的方波信號精確同步。
如圖4所示，在本發明的一個實施方式中，還包括倍頻電路44，倍頻電路44接收鎖相電路40輸出的經過精確同步後的方波信號，然後進行倍頻相乘，並使輸出結果與軋輥的加工頻率保持一致的同時作為雷射加工時的觸發信號。具體的倍頻電路使用的是3位半數字倍頻器。本實施方式最後獲得的加工頻率是通過基頻與倍頻器乘法來獲得，精確可控，不會由於除法不可避免得出餘數所造成的精度誤差。
如，採用2000線同軸編碼器，通過電路運算，得到編碼器的基準頻率為100hz的方波信號。而針對選定軋輥的實際脈衝雷射加工頻率，為了與編碼器基準頻率的信號相位同步，將此實際加工頻率除以一個係數，得到100hz的軋輥位置信號，並通過鎖相電路後，此位置信號與編碼器的基準信號嚴格同步，此時輸出的信號在軋輥每一周都能精確可控，將此信號通過倍頻器倍頻後得到實際加工頻率，此時的實際加工頻率信號則可以在軋輥每一圓周精確可控，從而實現規則點距分布的脈衝雷射刻蝕加工。
假設所需要的雷射加工頻率為20khz，則在鎖相同步電路上，需要將此頻率除以200，得到100hz的信號，並將此100hz的信號與編碼器的基準信號嚴格相位同步，再將同步後的信號通過電路運算，再乘以200，得到位置信號可控的20khz的雷射脈衝加工信號。
以下以具體的例子來說明矩形和菱形的加工過程。
如圖5所示，以經過倍頻電路輸出的方波信號的上升沿作為雷射器發出的脈衝雷射的觸發信號，在軋輥圓周方向刻蝕一周後，圖中的①、②、③、④為加工中相鄰的周數，通過鎖相同步電路，編碼器與軋輥主軸同步，記錄圓周方向每個需要加工的位置信號，由於絲槓的軸向運動，一個螺距距離後的第二個圓周方向同一位置進行刻蝕加工，以此類推，這樣軋輥圓周方向，來實現軋輥表面按規定螺距與點距的規則「矩形」分布的雷射刻蝕加工。
如圖6所示，軋輥表面規則「菱形」分布的實現方式如下：軋輥圓周方向第一周使用經過倍頻電路輸出的方波信號的上升沿作為脈衝雷射的觸發信號，通過工具機絲槓的運動一個螺距位移後，在下一周使用該方波信號的下降沿作為脈衝雷射的觸發信號，這樣第二個圓周方向上每個加工點都會較前一周錯開半個點距的位置，第三周則改回用上升沿作為觸發信號，此時與第一周加工點圓周方向上的位置相同，以此類推，因此完成軋輥表面雷射微坑點陣規則分布的雷射刻蝕。
至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。