高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法及装置的制作方法

专利名称：高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于辊类表面激光毛化处理技术领域，特别涉及一种高功率激光辊类表面 集成聚焦毛化加工方法及装置。
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工件表面毛化，激光轧辊工件 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。目前激光轧辊工件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，已经研制成功且用于生产的CO2激光毛化装置的基本原理是C02激光器发 射出的高能连续激光束经光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束；利用聚焦透镜将变换 后的脉冲激光束聚焦于被加工的轧辊工件表面进行毛化；加工过程中，轧辊工件旋转的同 时，激光头与光学发射调制系统沿轧辊工件长度方向移动，在轧辊工件表面加工出螺旋形 规则分布的微小毛化坑。例如华中科技大学激光院研制的大型0)2激光轧辊工件毛化加工 成套系统。但由于该系统采用了光调制转盘技术，只有很少一部分激光输出能量能够得到 有效地利用，因而其能量利用效率不高；且机械结构复杂、设备体积庞大、相对造价较高。上 述CO2激光毛化设备由于能量利用率比较低，因此其加工效率与电火花毛化设备相比有一 定差距。近年来，基于斩光盘光束调制原理的此类激光毛化技术，其主要发展集中体现在 通过设计不同结构形式的光调制转盘(斩光盘)，以提高激光能量利用率。例如中国专利 “一种用于激光调制的转盘”(专利号ZL94218749. 0)与中国专利“分光式激光毛化调制装 置，，(专利号 ZL200710041118. 9)。YAG激光毛化装置的基本原理是采用声光调Q的Nd: YAG激光器作为脉冲激光发 生源，由激光器发射出的脉冲激光束经光路系统聚焦后，直接作用于被加工的轧辊工件表 面进行毛化；通过控制调Q频率与轧辊工件的转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分 布。例如中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的“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”(专利号ZL00264774. 5)，就是采用声光调Q的Nd: YAG激光器 作为加工光源的。其缺点是由于所使用的声光调Q脉冲Nd:YAG激光器的平均功率较低， 毛化效果有限，生产效率低，难以满足大型钢厂的生产需要。为了克服上述激光毛化技术的不足，本实用新型专利申请人发明了一种高功率激 光辊类表面多头毛化加工方法及装置，其方法的基本特征是利用高功率连续激光器输出 连续激光束；通过多棱镜分光机构对该连续激光束进行调制，使其分成K(>2)路脉冲激光 束；利用K个独立的聚焦头分别对K路脉冲激光束进行聚焦后输出，对辊类表面同时进行多 头(K个聚焦头)毛化加工，在辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。基于此方法 的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置可以同时实现多头毛化加工，加工效率高；激光能量利用效率高，且对激光功率没有限制；但所述方法及其装置若要进一步提高加工效率，则必须进一步增加聚焦头的数量，这会使得所述方法流程及其装置的结构变得较为复杂。上述发明已于2006年申报国家发明专利(申请号200610018261. 1)与实用新型 专利(申请号200620095100.8)。目前，发明专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方 法及其装置”已获授权(专利号ZL200610018261. 1)，且实用新型专利“高功率激光辊类表 面多头毛化加工装置”已获授权(专利号ZL200620095100. 8)。

发明内容
本发明目的是提供一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法，该方法能 够将连续激光束变换成为密集排布的多路聚焦脉冲激光输出，以实现高效的毛化加工；同 时本发明提供一种实现上述毛化加工方法的高功率激光辊类表面多头集成聚焦毛化加工 装置，具有加工效率高，且激光能量利用率高、结构简单的特点。本发明的技术方案如下一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法，其利 用高功率连续激光器输出连续激光束，将该连续激光束通过一个多棱镜分光机构分成K路 脉冲激光束，再分别由K个集成聚焦头聚焦后输出，每个集成聚焦头对应输出N个聚焦光 点，从而总共在轧辊工件表面形成K X N个密集排布的聚焦光点，对轧辊工件表面同时进行 毛化加工，在轧辊工件表面形成KXN条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中K > 1，而N彡2。本发明方法进一步按下述具体步骤对轧辊工件表面实施毛化加工1)由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹轧辊工件；2)启动数控机床，使轧辊工件按设定的转速旋转；3)使高功率连续激光器输出的连续激光束进入安装在数控机床工作平台上的多 棱镜分光机构，经第一聚焦镜聚焦于高速旋转的多棱镜的某个工作面上；4)多棱镜的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束依次扫过K个分光头， K ^ 1 ；每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当连续激光束依次扫过所有分光头时相 当于给每个分光头分配一个激光脉冲；多棱镜重复扫描时便将连续激光束分成K路脉冲激 光输出；5)上述由多棱镜分光机构内输出的K路脉冲激光束分别经K个集成聚焦头聚焦后 输出，在轧辊工件表面形成密集排布的KXN个聚焦光点，N为单个集成聚焦头对应输出的 聚焦光点数，N≥ 2 ；6)在数控机床对轧辊工件转速、多棱镜转速、工作平台平移速度的集中控制下，所 述KXN个聚焦光点对轧辊工件同时进行毛化加工，在轧辊工件表面形成KXN条螺旋扫描 线点阵毛化坑分布。本发明同时提供一种能够实现上述加工方法的高功率激光辊类表面集成聚焦毛 化加工装置，该装置包括激光器和数控机床，所述数控机床的床身上装有通过平移导轨驱 动的工作平台及与平移导轨平行的用于安装轧辊工件的轧辊转轴和顶尖；所述工作平台上 装有多棱镜分光机构和集成聚焦机构；所述多棱镜分光机构由第一聚焦镜、多棱镜、驱动多 棱镜旋转的高速电机和K个分光头共同组成；所述集成聚焦机构是由呈斜线或其它形式排 列的K个集成聚焦头组成的集成聚焦头阵列，K个集成聚焦头的输入端与K个分光头的输 出端一一相对，每个集成聚焦头均可对应输出N个聚焦光点，K个集成聚焦头则可在轧辊工件表面同时形成KXN条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中K > 1，N > 2。本发明的上述高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置中，所述第一聚焦镜为 透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。本发明的上述高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置的核心在于对所述集 成聚焦机构中的集成聚焦头的结构设计，以实现将高功率连续激光束分成密集排布的多路 聚焦脉冲激光束输出。所述单个集成聚焦头的结构具体可采用如下这几种技术方案第一种集成聚焦头结构设计方案在每个集成聚焦头内设置第二 聚焦镜以及与第 二聚焦镜相对布置的N个紧密排列的聚焦透镜，N > 2。相应的集成聚焦工作原理如下高 功率连续输出的连续激光束经光学变换机构分光后，进入多棱镜分光机构，通过第一聚焦 镜聚焦于旋转式多棱镜的某个工作面上，多棱镜的高速旋转形成具有一定角度θ的扇形 反射扫描光束；该发散的反射扫描光束经第二聚焦镜变换后，形成具有一定扫描宽度AL 的平行扫描光束；当该平行扫描光束依次扫过N个紧密排列的聚焦透镜时，将形成N个密集 排布的脉冲式聚焦光点输出。第二种集成聚焦头结构设计方案在每个集成聚焦头内设置第二聚焦镜以及与第 二聚焦镜相对布置的多焦点聚焦镜，该多焦点聚焦镜具有N个焦点，N > 2。相应的集成聚 焦工作原理如下高功率连续输出的连续激光束经光学变换机构分光后，进入多棱镜分光 机构，通过第一聚焦镜聚焦于旋转式多棱镜的某个工作面上，多棱镜的高速旋转形成具有 一定角度θ的扇形反射扫描光束；该发散的反射扫描光束经第二聚焦镜变换后，形成具有 一定扫描宽度AL的平行扫描光束；当该平行扫描光束扫过具有N个焦点的多焦点聚焦镜 时，将形成N个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。第三种集成聚焦头结构设计方案在每个集成聚焦头内设置第二聚焦镜、位于第 二聚焦镜出射光路上的N个紧密排列且相互之间成一定角度布置的反射镜，以及位于所述 N个反射镜的反射光路上的第三聚焦镜，N >2。相应的集成聚焦工作原理如下高功率连续 激光器输出的连续激光束经光学变换机构分光后，进入多棱镜分光机构，通过第一聚焦镜 聚焦于旋转式多棱镜的某个工作面上，多棱镜的高速旋转形成具有一定角度θ的扇形反 射扫描光束；该发散的反射扫描光束经第二聚焦镜变换后，形成具有一定扫描宽度AL的 平行扫描光束；当该平行扫描光束依次扫过N个紧密排列且相互之间成一定小角度的反射 镜时，光束被重新导向并分成N束相互成一定小角度的脉冲激光束；利用第三聚焦镜对该N 束脉冲激光束进行聚焦，形成N个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。上述三种集成聚焦头结构设计方案中，所述第二聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射 式聚焦镜。本发明的上述高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置中，所述K个集成聚焦 头呈斜线或其它形式的排列，且所述相邻两个集成聚焦头之间的横向距离为NX ΔΧ，ΔΧ =50 500 μ m，纵向距离为Δ Y。本发明的上述高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置中，所述高功率连续激 光器可采用CO2激光器，其输出功率从500 6000瓦连续可调，激光输出波长为10. 6μ m ； 也可以根据实际需要选择其它种类的激光器，例如Nd:YAG激光器。本发明的上述高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置在具体工作时，待加工 的轧辊工件由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上的工作平台可作三维运动，其平移速度由数控机床控制。同样地，驱 动多棱镜旋转的高速电机，其转速也由数控机床控制。所述数控机床采用现有的设备，例如 XL9数控机床。本发明的上述高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置中，所述多棱镜的面数 M ^ 5，并且每个工作面均为全反射面。多棱镜的一侧与高速电机相连，在高速电机的带动 下高速旋转，其转速由数控机床控制。高速电机的转速为η = 0.3 5万转/分。而所述 K个分光头紧密排列，对应多棱镜一个工作面的反射区域呈扇形分布。本发明的优点是本发明与已授权的发明专利(专利号ZL200610018261. 1)相比较，主要区别如 下已授权的专利采用K( ^ 2)个独立的聚焦头，每个聚焦头对应一路脉冲激光输出，因而 在轧辊工件表面形成K个聚焦光点，对其同时进行毛化加工；而本发明采用集成聚焦头技 术，利用K个独立的集成聚焦头便能够对应输出KXN(K ^ 1, N^ 2)路脉冲激光对轧辊工 件进行毛化加工，故在提高了加工效率的同时，也使得装置整体的结构得到大大简化。具体 优点如下1.利用K个集成聚焦头输出KXN个聚焦光点，可以同时实现多聚焦光点毛化加 工，并且在技术上对激光功率没有限制，同时由于目前连续激光器已经能够获得非常高的 功率输出，这样加工速度也没有限制，可以获得非常高的加工速度。2.采用多棱镜分光技术与集成聚焦头技术相结合，将连续高功率激光束分成密集 排布的多路聚焦脉冲激光束输出，不需要采用光调制转盘或进行声光调Q以获得脉冲激光 输出，因此激光能量利用率高，并且结构简单、体积小、成本低，使用寿命长，生产维护容易。3.由于采用连续高功率激光器(例如高功率连续CO2激光器或YAG激光器)作为 加工光源，激光功率能够充分利用，且技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠 运行。4.多棱镜分光机构中可进一步采用抛物面反射式聚焦镜进行聚焦，散热快，热变 形小，聚焦光斑无像差、球差，工作稳定。5.由于数控机床采用的是三轴联动的数控系统与激光输出功率和脉冲频率的计 算机控制相结合，所以能够在线调节，实现毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可实 现辊面毛化坑的多种分布，产品质量好。总之，本发明所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置激光能量利用率 高、整体结构简单、使用寿命长，并且工作稳定，加工效率高、产品质量好。


下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明装置的通用外部结构示意图；图2为本发明一种具体实施例的多棱镜分光机构的结构示意图；图3为本发明一种具体实施例的集成聚焦头阵列排布结构示意图；图4为本发明装置第一种具体实施例中的多棱镜分光机构与单个集成聚焦头的 实现原理图；图5为本发明装置第二种具体实施例中的多棱镜分光机构与单个集成聚焦头的实现原理图；图6为本发明装置第三种具体实施例中的多棱镜分光机构与单个集成聚焦头的实现原理图；图7为本发明装置第四种具体实施例中的多棱镜分光机构与单个集成聚焦头的实现原理图；图8为本发明装置第五种具体实施例中的多棱镜分光机构结构示意图；图9为本发明装置第五种具体实施例中单个集成聚焦头的聚焦原理图；图10为图9的A-A向视图；图11为本发明在轧辊工件表面产生的毛化坑分布示意图。
具体实施例方式实施例1 如图1所示为本发明高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置的一 种具体实施方式
，它由高功率连续激光器1、光学变换机构2、数控机床3、多棱镜分光机构4 和集成聚焦机构这几个部分组成。本实施例中所述高功率连续激光器1采用CO2激光器，其 输出功率从500 6000瓦连续可调，激光输出波长为10. 6 μ m(当然也可以根据实际需要 选择其它种类的激光器，例如Nd:YAG激光器)。所述光学变换机构2由半透半反镜201和 两个全反镜202组成，所述数控机床3采用常规的XL9型数控机床，其床身上装有通过平移 导轨303驱动的工作平台12和用于安装轧辊工件13的轧辊转轴301和顶尖302，并且所述 轧辊转轴301和顶尖302与平移导轨303平行。所述工作平台12上装有所述多棱镜分光 机构4和集成聚焦机构。进一步结合图2所示，本实施例中所述多棱镜分光机构4由第一反射式聚焦镜 403、多棱镜401、驱动多棱镜401旋转的高速电机408和四个分光头404、405、406、407共 同组成。本实施例中的多棱镜401面数M= 7，每个工作面均为全反射面，多棱镜401—侧 与高速电机408相连，在高速电机408带动下高速旋转，其转速由数控机床3控制，高速电 机408的转速为η = 0. 3 5万转/分。所述四个分光头404、405、406、407紧密排列，对 应多棱镜401 —个工作面的反射区域呈扇形分布。再结合图3所示，本实施例中所述集成聚焦机构由K = 4个集成聚焦头(分别是 第一集成聚焦头601、第二集成聚焦头602、第三集成聚焦头603和第四集成聚焦头604)组 成；并且这四个集成聚焦头601、602、603、604呈斜线形排布组成阵列，各集成聚焦头的输 入端与前述四个分光头404、405、406、407的输出端一一对应。所述每个集成聚焦头的内 部结构均相同，以第一集成聚焦头601为例，结合图4所示，可知其内部设置有第二透射式 聚焦镜7、位于第二透射式聚焦镜7出射光路上的N = 3个紧密排列且相互之间成一定角 度布置的反射镜801、802、803以及位于所述3个反射镜的反射光路上的第三透射式聚焦 镜10。依旧如图4所示，本实施例的集成聚焦机构中相邻两个集成聚焦头间的横向间距为 NX ΔΧ, N = 3，而纵向间距为Δ Y ；其中，ΔΧ = 50 500μπι。结合图1、图2、图3、图4和图11所示，对采用上述实施例装置对轧辊工件进行毛 化加工的方法及原理进行说明，所述方法具体分成下述几个步骤1)由数控机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹轧辊工件13，具体如图1所示。2)启动数控机床3，使轧辊工件13按设定的转速旋转。同常规技术一样，所述轧辊工件13由轧辊转轴301带动旋转，转速由数控机床3控制；而所述工作平台12可作三维 运动，其运动也由数控机床3控制，多棱镜分光机构4和集成聚焦机构随工作平台12 —起 移动，且四个集成聚焦头601、602、603、604的光轴均与轧辊工件13的表面垂直。3)使高功率连续激光器1输出的连续激光束11经光学变换机构2分光后进入安 装在数控机床3工作平台12上的多棱镜分光机构4内，并经第一反射式聚焦镜403聚焦于 高速旋转的多棱镜401的某个工作面上，具体结合图1、图2所示。4)多棱镜401的该工作面在高速旋转过程中使经分光后输出的连续激光束形成 具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过K = 4个分光头404、405、406、407 ；每 个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当激光束依次扫过所有分光头时相当于给所有的 分光头分配一个激光脉冲。多棱镜401重复扫描时便将连续激光束分成K = 4路脉冲激光 输出，具体如图2所示。5)结合图3、图4 (图4中省略连接在多棱镜401 —侧的高速电机408及四个分光 头404、405、406、407)所示，上述由多棱镜分光机构4内输出的K = 4路脉冲激光束分别经 4个集成聚焦头601、602、603、604进行聚焦，以第一集成聚焦头601为例，并结合图4所示 对所述聚焦过程进行说明如下进入第一集成聚焦头601内的激光脉冲首先经第二透射式 聚焦镜7变换后，形成具有一定扫描宽度AL的平行扫描光束(所述第二透射式聚焦镜7 的焦点到多棱镜401工作面上的聚焦点0的距离L = f，f为所述第二透射式聚焦镜7的焦 距)，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列且互成一定角度的N = 3 个反射镜801、802、803，使得平行光束被重新导向分成N=3束相互成一定角度的脉冲激光 束；上述N = 3束脉冲激光束经第三透射式聚焦镜10聚焦后形成N = 3个密集排布的脉冲 式聚焦光点输出。K = 4个集成聚焦头则一共输出KXN= 12个聚焦光点。6)在数控机床3对轧辊工件13转速、多棱镜401转速、工作平台12平移速度的集 中控制下，所述KXN = 12个聚焦光点对轧辊工件13同时进行毛化加工，在轧辊工件13表 面形成KXN = 12条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体如图11所示，该螺旋扫描线点阵的 纵向点间距b = 50 500μπι，螺距P = KXNX ΔΧ，其中K = 4，Ν = 3，ΔΧ为轧辊工件13 表面毛化点之间的横向点间距，其根据轧辊表面粗糙度要求为50 500μπι。本实施例利 用四个集成聚焦头601、602、603、604来实现多聚焦光点输出，加工速度等同于已授权专利 “高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”(专利号ZL200610018261. 1)中十二 头的加工速度，但装置结构却得到了大大简化。实施例2 如图1所示，本实施例提供的这种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜分光机构4中的第一 反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜402，并且同时对四个集成聚焦头601、602、 603、604的内部结构均进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601为例，本实施例在其内 部设置了第二透射式聚焦镜7和与第二透射式聚焦镜7相对布置的N = 3个紧密排列的聚 焦透镜901、902、903，如图5所示(图5中省略连接在多棱镜401 —侧的高速电机408及 四个分光头404、405、406、407)。本实施例的工作原理结合图1、图5所示说明如下高功 率连续激光器1输出的连续激光束11经光学变换机构2分光后进入多棱镜分光机构4，通 过第一透射式聚焦镜402聚焦于高速旋转的多棱镜401的某个工作面上形成具有一定角度 θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过K = 4个分光头(图中省略)，从而输出K = 4路脉冲激光，这4路脉冲激光束分别经K = 4个集成聚焦头601、602、603、604进行聚焦。本实施 例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下进入第一集成聚焦头601内的激 光脉冲经第二透射式聚焦镜7变换后，形成具有一定扫描宽度AL的平行扫描光束(所述 第二透射式聚焦镜7的焦点到多棱镜401工作面上的聚焦点O的距离L = f，f为所述第二 透射式聚焦镜7的焦距)，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列的N =3个聚焦透镜901、902、903，并经它们聚焦后形成N = 3个密集排布的脉冲式聚焦光点输 出。同实施例1 一样，K = 4个集成聚焦头则一共输出KXN= 12个聚焦光点。在数控机床 3对轧辊工件13转速、多棱镜401转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述KXN = 12个聚焦光点对轧辊工件13同时进行毛化加工，最终在轧辊工件13表面形成KXN = 12 条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体如图11所示。本实施例的加工速度同样等同于已授权 专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”(专利号ZL200610018261. 1)中 十二头的加工速度，但装置结构却得到了大大简化。实施例3 如图1所示，本实施例提供的这种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化 加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜分光机构4中的第一 反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜402，并且同时对四个集成聚焦头601、602、 603、604的内部结构均进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601为例，本实施例在其内 部设置了第二抛物面反射式聚焦镜14和与第二抛物面反射式聚焦镜14相对布置的N = 3 个紧密排列的聚焦透镜901、902、903，如图6所示(图6中省略连接在多棱镜401 —侧的高 速电机408及四个分光头404、405、406、407)。本实施例的工作原理结合图1、图6所示说 明如下高功率连续激光器1输出的连续激光束11经光学变换机构2分光后进入多棱镜分 光机构4，通过第一透射式聚焦镜402聚焦于高速旋转的多棱镜401的某个工作面上形成具 有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过K = 4个分光头(图中省略)，从而输出K =4路脉冲激光，所述K = 4路脉冲激光束分别经K = 4个集成聚焦头601、602、603、604进 行聚焦。本实施例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下进入第一集成聚 焦头601内的激光脉冲经第二抛物面反射式聚焦镜14变换后，形成具有一定扫描宽度AL 的平行扫描光束(所述第二抛物面反射式聚焦镜14的焦点与多棱镜401工作面上的聚焦 点0重合)，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列的N = 3个聚焦透 镜901、902、903，并经它们聚焦后形成N = 3个密集排布的脉冲式聚焦光点输出。同实施例 1 一样，K = 4个集成聚焦头则一共输出KXN= 12个聚焦光点。在数控机床3对轧辊工件 13转速、多棱镜401转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述KXN = 12个聚焦光点 对轧辊工件13同时进行毛化加工，最终在轧辊工件13表面形成KXN = 12条螺旋扫描线 点阵毛化坑分布，具体如图11所示。本实施例的加工速度同样等同于已授权专利“高功率 激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”(专利号ZL200610018261. 1)中十二头的加工 速度，但装置结构却得到了大大简化。实施例4 如图1所示，本实施例提供的这种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化 加工装置，其外部结构同实施例1，而区别在于它将实施例1的多棱镜分光机构4中的第一 反射式聚焦镜403替换成了第一透射式聚焦镜402，并且同时对四个集成聚焦头601、602、 603、604的内部结构均进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601为例，本实施例在其内 部设置了第二抛物面反射式聚焦镜14和与第二抛物面反射式聚焦镜14相对布置的多焦点聚焦镜15，所述多焦点聚焦镜15具有N = 2个焦点，如图7所示(图7中省略连接在多棱 镜401 —侧的高速电机408及四个分光头404、405、406、407)。本实施例的工作原理结合 图1、图7所示说明如下高功率连续激光器1输出的连续激光束11经光学变换机构2分 光后进入多棱镜分光机构4，通过第一透射式聚焦镜402聚焦于高速旋转的多棱镜401的 某个工作面上形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过K = 4个分光头(图 中省略)，从而输出K = 4路脉冲激光，这4路脉冲激光束分别经K = 4个集成聚焦头601、 602、603、604进行聚焦。本实施例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下进 入第一集成聚焦头601内的激光脉冲经第二抛物面反射式聚焦镜14变换后，形成具有一定 扫描宽度AL的平行扫描光束(所述第二抛物面反射式聚焦镜14的焦点与多棱镜401工 作面上的聚焦点O重合)，所述平行扫描光束经多焦点聚焦镜15聚焦后形成N = 2个密集 排布的脉冲式聚焦光点输出。同实施例1有所区别的是本实施例中的K = 4个集成聚焦头 一共输出KXN = S个聚焦光点。在数控机床3对轧辊工件13转速、多棱镜401转速、工作 平台12平移速度的集中控制下，所述KXN = 8个聚焦光点对轧辊工件13同时进行毛化加 工，最终在轧辊工件13表面形成KXN = 8条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体如图11所 示。本实施例的加工速度等同于已授权专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其 装置”(专利号ZL200610018261. 1)中八头的加工速度，但装置结构却得到了大大简化。实施例5 参考图1所示，本实施例提供的这种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其外部结构基本同实施例1，而区别在于它的多棱镜分光机构4中仅采用两个分 光头404、405，如图8所示，相应的集成聚焦机构内也仅采用两个集成聚焦头601、602。并 且这两个集成聚焦头601、602的内部结构也进行了重新设计。具体以第一集成聚焦头601 为例，结合图9、图10所示，本实施例在其内部设置了第二透射式聚焦镜7、位于第二聚焦镜 7出射光路上的N = 2个紧密排列且相互之间成一定角度布置的反射镜801、802及位于所 述2个反射镜的反射光路上的第三透射式聚焦镜10。本实施例的工作原理结合图1、图8、 图9和图10所示说明如下高功率激光器1输出的连续激光束11经光学变换机构2分光 后进入多棱镜扫描机构4，通过反射式聚焦镜403聚焦于高速旋转的多棱镜401的某个工作 面上形成具有一定角度θ的扇形反射扫描光束，并依次扫过K = 2个分光头404、405，从而 输出K = 2路脉冲激光，所述K = 2路脉冲激光束分别经K = 2个集成聚焦头601、602进 行聚焦。本实施例中同样以第一集成聚焦头601为例说明聚焦过程如下进入第一集成聚 焦头601内的激光脉冲经第二透射式聚焦镜7变换后，形成具有一定扫描宽度AL的平行 扫描光束，所述平行扫描光束依次扫过第一集成聚焦头601内紧密排列且互成一定角度的 N = 2个反射镜801、802，使得平行光束被重新导向分成N = 2束相互成一定角度的脉冲激 光束；所述N = 2束脉冲激光束经第三透射式聚焦镜10聚焦后形成N = 2个脉冲式聚焦光 点输出。K = 2个集成聚焦头则一共输出KXN = 4个聚焦光点。在数控机床3对轧辊工 件13转速、多棱镜401转速、工作平台12平移速度的集中控制下，所述KXN = 4个聚焦光 点对轧辊工件13同时进行毛化加工，最终在轧辊工件13表面形成KXN = 4条螺旋扫描线 点阵毛化坑分布，具体如图11所示。本实施例的加工速度同样等同于已授权专利“高功率 激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”(专利号ZL200610018261. 1)中四头的加工速 度，但装置结构却得到了大大简化。已申报专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”中的双头毛化加工(即K = 2，N = 1)时，30分钟内以6点/mm密度毛化一根长1500mm的轧辊工件，需要 轧辊工件转速达到150转/min。一个重达数吨的冷轧辊工件以如此高的速度旋转，机床必 须采用特殊的设计，造价大大增加。但如果采用实施例5的双集成聚焦头进行四聚焦点毛 化加工(即K = 2，N = 2)时，同样在30分钟内以6点/mm密度毛化一根长1500mm的轧辊 工件，轧辊工件的转速仅仅需要75转/min。普通的机床设计就可以保证冷轧辊达到这样的 速度旋转，机床不必采用特殊的设计，例如就可以采用托瓦支撑轧辊工件。采用托瓦支撑轧 辊工件使得激光毛化时轧辊工件的定位基准与磨削时的基准相同，保证了轧辊加工精度的 一致性。
当然上述各实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技 术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本 发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。
权利要求
一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法，其特征在于将高功率连续激光器(1)输出的连续激光束通过一个多棱镜分光机构(4)分成K路脉冲激光束，再分别由K个集成聚焦头(601、602、603、604)聚焦后输出，每个集成聚焦头对应输出N个聚焦光点，从而总共在轧辊工件(13)表面形成K×N个密集排布的聚焦光点，对轧辊工件(13)表面同时进行毛化加工，在轧辊工件(13)表面形成K×N条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中K≥1，而N≥2。
2.根据权利要求1所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法，其特征在于按 下述具体步骤对轧辊工件(13)表面实施毛化加工1)由数控机床(3)上的轧辊转轴(301)和顶尖(302)装夹轧辊工件(13)；2)启动数控机床(3)，使轧辊工件(13)按设定的转速旋转；3)使高功率连续激光器(1)输出的连续激光束进入安装在数控机床(3)工作平台 (12)上的多棱镜分光机构(4)，经第一聚焦镜聚焦于高速旋转的多棱镜(401)的某个工作 面上；4)多棱镜(401)的该工作面在高速旋转过程中将连续激光束依次扫过K个分光头 (404、405、406、407)，K ≥ 1 ；每个分光头在激光扫过时接受一部分激光，当连续激光束依次 扫过所有分光头时相当于给每个分光头分配一个激光脉冲；多棱镜(401)重复扫描时便将 连续激光束分成K路脉冲激光输出；5)上述由多棱镜分光机构(4)内输出的K路脉冲激光束分别经K个集成聚焦头(601、 602,603,604)聚焦后输出，在轧辊工件(13)表面形成密集排布的KXN个聚焦光点，N为单 个集成聚焦头对应输出的聚焦光点数，N≥ 2；6)在数控机床(3)对轧辊工件(13)转速、多棱镜(401)转速、工作平台(12)平移速度 的集中控制下，所述KXN个聚焦光点对轧辊工件(13)同时进行毛化加工，在轧辊工件(13) 表面形成KXN条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。
3.一种用于实现如权利要求1所述加工方法的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加 工装置，包括激光器(1)和数控机床(3)，所述数控机床(3)的床身上装有通过平移导轨 (303)驱动的工作平台(12)及与平移导轨(303)平行的用于安装轧辊工件(13)的轧辊转 轴(301)和顶尖(302)；所述工作平台(12)上装有多棱镜分光机构(4)和集成聚焦机构； 所述多棱镜分光机构(4)由第一聚焦镜、多棱镜(401)、驱动多棱镜(401)旋转的高速电机 (408)和K个分光头(404、405、406、407)共同组成；其特征在于所述集成聚焦机构是由呈 斜线或其它形式排列的K个集成聚焦头(601、602、603、604)组成的集成聚焦头阵列，K个集 成聚焦头(601、602、603、604)的输入端与K个分光头(404、405、406、407)的输出端——相 对，每个集成聚焦头均可对应输出N个聚焦光点，K个集成聚焦头则可在轧辊工件(13)表 面同时形成KXN条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中K ≥ 1，N ≥ 2。
4.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特征在于所 述多棱镜(401)的面数M≥ 5，且每个工作面均为全反射面。
5.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特征在于所 述第一聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。
6.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特征在于所 述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜以及与第二聚焦镜相对布置的N个紧密排列的聚焦透镜(901,902,903)。
7.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特征在于所 述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜以及与第二聚焦镜相对布置的多焦点聚焦镜(15)， 该多焦点聚焦镜(15)具有N个焦点。
8.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特征在于所 述每个集成聚焦头内均设有第二聚焦镜、位于第二聚焦镜出射光路上的N个紧密排列且相 互之间成一定角度布置的反射镜(801、802、803)以及位于所述N个反射镜(801、802、803) 的反射光路上的第三聚焦镜。
9.根据权利要求6或7或8所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特 征在于所述第二聚焦镜为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。
10.根据权利要求3所述的高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工装置，其特征在于 所述K个集成聚焦头(601、602、603、604)呈斜线或其它形式排列，且所述相邻两个集成聚 焦头之间的横向距离为NX A X，AX = 50 500 iim，纵向距离为AY。
全文摘要
本发明公开了一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法及装置，所述方法利用高功率连续激光器输出连续激光束，将该连续激光束通过一个多棱镜分光机构分成K路脉冲激光束，再分别由K个集成聚焦头聚焦后输出，每个集成聚焦头对应输出N个聚焦光点，从而总共在轧辊工件表面形成K×N个密集排布的聚焦光点，对轧辊工件表面同时进行毛化加工，在轧辊工件表面形成K×N条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中K≥1，而N≥2。与现有技术相比较，本发明采用集成聚焦头技术，利用K个独立的集成聚焦头便能够对应输出K×N路脉冲激光对轧辊工件进行毛化加工，故在提高了加工效率的同时，也使得装置整体的结构得到大大简化。
文档编号B23K26/04GK101829846SQ20101016857
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者孙长东, 王焄, 罗曦, 陈培锋 申请人:苏州市博海激光科技有限公司