專利名稱：射頻激勵脈沖co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種輥類表面激光毛化處理加工裝置，特別是涉及一種用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置。
背景技術(shù)：
毛化鋼板具有優(yōu)良的沖壓性能和表面涂鍍性能，是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的重要原材料，毛化鋼板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是軋輥表面毛化，激光軋輥毛化技術(shù)是現(xiàn)在使用的幾種毛化技術(shù)包括噴丸毛化、電火花毛化以及電子束毛化中實用而又先進的一種毛化技術(shù)。
激光軋輥毛化技術(shù)主要分為兩大類一類是采用氣體CO2激光器的CO2激光毛化，另一類是采用固體ND:YAG激光器的YAG激光毛化。
目前，已經(jīng)研制成功并且用于生產(chǎn)的CO2激光毛化裝置是，將CO2激光器射出的高能激光束用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤(斬光盤)變換成脈沖激光束，通過聚焦透鏡聚焦后照射在被加工的軋輥表面，加工過程中軋輥旋轉(zhuǎn)，同時激光頭和光學(xué)發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)平移，在軋輥表面加工出螺旋形規(guī)則分布的微小毛化坑，如華中科技大學(xué)激光院研制的大型CO2激光軋輥毛化加工成套系統(tǒng)。但該系統(tǒng)由于采用光調(diào)制盤技術(shù)后，只能利用很少一部分輸出激光能量，能量利用效率不高，且機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備體積龐大，相對造價較高；同時，光脈沖的發(fā)射不能隨時控制，因此只能進行規(guī)則點毛化。
YAG激光毛化設(shè)備是中國科學(xué)院力學(xué)研究所在九十年代研究開發(fā)的冷軋輥激光加工裝置。該裝置是采用聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器作為脈沖激光發(fā)生源，脈沖激光束經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后作用于軋輥表面，通過控制調(diào)Q頻率和軋輥轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。如專利號ZL00264774.5，發(fā)明名稱“用于輥類表面毛化的具有可控分布毛化點的激光加工裝置”。該激光加工裝置就是采用聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器作為加工光源，其缺點是由于YAG激光泵浦燈使用壽命有限，需要定期進行泵浦燈的更換等維護工作，影響生產(chǎn)效率；另外，該裝置所使用激光的平均功率較低，毛化效果有限，生產(chǎn)效率低，難以滿足大型鋼廠的生產(chǎn)需要。盡管該裝置設(shè)計兩臺激光器通過光路轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)生產(chǎn)中激光器輪換使用，來解決持續(xù)生產(chǎn)這一問題，但這種設(shè)計增加了機械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和光路系統(tǒng)的復(fù)雜程度，對于加工裝置的工作可靠性、耐久性有影響。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述激光毛化裝置的不足之處，提供一種射頻激勵脈沖CO2激光輥類表面毛化加工裝置。該裝置激光能量利用效率高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低。
本實用新型采用的技術(shù)方案是一種射頻激勵脈沖CO2激光輥類表面毛化加工裝置，包括二維機床，軋輥由卡盤和頂尖裝夾，由縱向和橫向伺服電機帶動激光頭作縱向和橫向的平移，激光器輸出的激光通過激光頭聚焦后作用在加工輥面上，在激光頭上裝有雙氣路結(jié)構(gòu)的輔助氣體噴射裝置，其特征在于所述激光器為射頻激勵脈沖CO2激光器；軋輥的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置、射頻激勵脈沖CO2激光器的輸出功率和輸出脈沖頻率，以及激光頭的縱向和橫向平移均由工控機控制。
所述激光頭包括反射鏡和金屬拋物面聚焦鏡，由射頻激勵脈沖CO2激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)擴束鏡，反射鏡反射、金屬拋物面聚焦鏡聚焦后，聚焦光束與激光束成平行、反向輸出。
在射頻激勵脈沖CO2激光器到激光頭之間的光路上裝有防護套。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點
(1)本實用新型采用射頻激勵脈沖CO2激光器作為加工光源，激光脈沖頻率直接由射頻電源激勵獲得脈沖激光輸出，不需采用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤或進行聲光調(diào)Q以獲得脈沖激光輸出，激光能量利用效率高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，使用壽命長，生產(chǎn)維護容易。
(2)由于采用射頻激勵脈沖CO2激光器，其無故障使用時間達幾萬小時，工作中無需維護，保證設(shè)備長期可靠運行。
(3)采用金屬拋物面聚焦系統(tǒng)，散熱快，熱變形小，聚焦光斑無像散、球差，工作穩(wěn)定。
(4)三軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合激光輸出功率和脈沖頻率的計算機控制，在線調(diào)節(jié)，毛化輥面粗糙度和毛化坑分布密度可變，并可實現(xiàn)輥面毛化坑矩形、菱形和三角形等多種分布。
(5)激光器安裝在二維移動架上，加工過程長距離移動時光程不變，保證輥面聚焦光斑大小一致，使毛化坑大小均勻。


圖1為本實用新型一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中機床頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1中二維移動架上各部件的布置示意圖。
圖4為圖3中橫向移動調(diào)節(jié)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖3中激光頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本實用新型控制部分的方框圖。
具體實施方式
由圖1所示，本實用新型采用一通常的二維機床，射頻激光電源9和工控機10可裝在控制柜11內(nèi)，二維移動架3裝在機床縱向?qū)к?上，激光頭2裝在二維移動架3上。在機床床身上裝有機床頭12和床尾頂尖座5，在床尾頂尖座5上裝有頂尖4，軋輥1由卡盤13和頂尖4裝夾，由卡盤13帶動旋轉(zhuǎn)?？v向伺服電機8可裝在機床床身上，縱向伺服電機8驅(qū)動縱向滾珠絲桿7帶動二維移動架3在縱向?qū)к?上縱向平移，其平移連續(xù)移動時，則軋輥1表面毛化坑分布為螺旋形。其平移步進移動時，則軋輥1表面毛化坑分布為環(huán)形。
由圖2所示，機床頭12包括與機床主軸14相連的增量編碼器17、主軸電機16、變速箱15，機床主軸14由主軸電機16通過變速箱15帶動?？ūP13與機床主軸14相連，軋輥1的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置由增量編碼器17測控。
由圖3所示，在二維移動架3上裝有射頻激勵脈沖CO2激光器18、擴束鏡19、橫向移動調(diào)節(jié)機構(gòu)20。所述激光頭2裝在橫向移動調(diào)節(jié)機構(gòu)20上，雙氣路結(jié)構(gòu)的輔助氣體噴射裝置21固定在激光頭2上，在射頻激勵脈沖CO2激光器18到激光頭2之間的光路上裝有防護套22。
由圖4所示，橫向移動調(diào)節(jié)機構(gòu)20由橫向伺服電機23、橫向滾珠絲桿24、橫向滑座25和橫向?qū)к?6構(gòu)成一傳動副。橫向?qū)к?6安裝在二維移動架3上，橫向滑座25安裝在橫向?qū)к?6上，由橫向伺服電機23驅(qū)動橫向滾珠絲桿24帶動橫向滑座25在橫向?qū)к?6上產(chǎn)生橫向平移，所述激光頭2安裝在橫向滑座25上，達到橫向調(diào)節(jié)激光頭2和軋輥1表面的距離。
由圖5所示，激光頭2包括反射鏡28和金屬拋物面聚焦鏡29。由射頻激勵脈沖CO2激光器18產(chǎn)生的激光束27，經(jīng)擴束鏡19、反射鏡28反射、金屬拋物面聚焦鏡29聚焦后，聚焦光束與激光束27呈平行、反向輸出。
在激光毛化過程中，激光頭2發(fā)出的脈沖激光作用在軋輥1表面，軋輥1表面的金屬在激光作用下，產(chǎn)生熔化與部分氣化，為了使軋輥1表面達到一定的粗糙度，必須使軋輥1表面毛化坑周圍形成凸緣，這種凸緣是由熔化的金屬流出凹坑凝固形成。因此，安裝了一通常的雙氣路結(jié)構(gòu)的輔助氣體噴射裝置21，輔助氣體噴射裝置21的一路氣路噴嘴與光軸成30°～45°夾角安裝，噴出一定流量、壓力和成分的氣體，將激光作用點處的熔融金屬吹向一側(cè)，使毛化點形成設(shè)計所需的凹坑和凸臺形貌；雙氣路噴射裝置21中的另一路噴射氣體與光軸同軸，其作用是噴出氣流阻隔激光與金屬作用產(chǎn)生的粉塵及飛濺物，以保護鏡頭不被污染。
由圖6所示，在工控機10內(nèi)總線上裝有一塊D/A接口卡和一塊可控分布接口卡。
工控機10內(nèi)的D/A接口卡發(fā)出一路信號給變頻器30，變頻器30驅(qū)動機床主軸電機16，主軸電機16通過變速箱15帶動機床主軸14，從而帶動軋輥1旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速無級可調(diào)。由增量編碼器17測得反映軋輥1的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置的脈沖信號輸入到工控機10內(nèi)的可控分布接口卡，經(jīng)工控機10處理后，控制射頻激光電源9的輸出脈沖頻率和縱向伺服驅(qū)動器31，射頻激勵脈沖CO2激光器18由射頻激光電源9激勵獲得脈沖激光輸出，縱向伺服驅(qū)動器31驅(qū)動縱向伺服電機8。
由工控機10內(nèi)的D/A接口卡設(shè)定跟蹤間距，D/A接口卡發(fā)出另一路信號給位置PID調(diào)節(jié)器33，位移傳感器32可裝在橫向滑座25上，位移傳感器32檢測實際間距，將檢測到的間距信號傳給位置PID調(diào)解器33，位置PID調(diào)節(jié)器33接橫向伺服驅(qū)動器34，橫向伺服驅(qū)動器34工作在速度控制方式，來控制橫向伺服電機26。
橫向移動調(diào)節(jié)機構(gòu)20與位移傳感器32、位置PID調(diào)解器33及橫向伺服驅(qū)動器34構(gòu)成間距自動跟蹤器。激光與軋輥1表面間距的自動跟蹤由工控機10、橫向移動調(diào)節(jié)機構(gòu)20組成的系統(tǒng)完成，它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
上述變頻器30、縱向伺服驅(qū)動器31、位置PID調(diào)解器33、橫向伺服驅(qū)動器34等均可裝在控制柜11內(nèi)。
用于激光器冷卻的冷卻系統(tǒng)可采用通常的冷卻系統(tǒng)，包括水箱、水泵、管道及溫控裝置。潤滑系統(tǒng)采用通常的機床潤滑系統(tǒng)，由潤滑油泵、油管及油箱等組成，對整個數(shù)控加工系統(tǒng)進行潤滑。
權(quán)利要求1.一種射頻激勵脈沖CO2激光輥類表面毛化加工裝置，包括二維機床，軋輥由卡盤和頂尖裝夾，由縱向和橫向伺服電機帶動激光頭作縱向和橫向的平移，激光器輸出的激光通過激光頭聚焦后作用在加工輥面上，在激光頭上裝有雙氣路結(jié)構(gòu)的輔助氣體噴射裝置，其特征在于所述激光器為射頻激勵脈沖CO2激光器(18)；軋輥(1)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置、射頻激勵脈沖CO2激光器(18)的輸出功率和輸出脈沖頻率，以及激光頭(2)的縱向和橫向平移均由工控機(10)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毛化加工裝置，其特征在于所述激光頭(2)包括反射鏡(28)和金屬拋物面聚焦鏡(29)，由射頻激勵脈沖CO2激光器(18)產(chǎn)生的激光束(27)經(jīng)擴束鏡(19)，反射鏡(28)反射、金屬拋物面聚焦鏡(29)聚焦后，聚焦光束與激光束(27)成平行、反向輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的毛化加工裝置，其特征在于在射頻激勵脈沖CO2激光器(18)到激光頭(2)之間的光路上裝有防護套(22)。
專利摘要本實用新型提供了一種射頻激勵脈沖CO
文檔編號B23K26/06GK2761341SQ200520094909
公開日2006年3月1日 申請日期2005年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月12日
發(fā)明者王英, 陳培鋒, 朱明珠 申請人:華中科技大學(xué)