一种轴类表面规则可控分布的激光刻蚀方法与流程

本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种在轧辊的圆周表面进行精确规则图像的激光刻蚀加工方法。

背景技术：

现有激光对轧辊的处理方面，没有一种精确到点对点的刻蚀方法，这会导致激光刻蚀的精度下降，降低刻蚀效果。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种在轧辊的圆周表面进行精确规则图像的激光刻蚀加工方法。

特别地，本发明提供一种轴辊表面规则可控分布的激光刻蚀方法，包括如下步骤：

步骤100，在机床的主轴上安装同轴编码器，将轧辊沿圆周方向等分成距离相等的系列点；

步骤200，控制单元根据机床的转速及一周的加工点数确定轧辊表面激光刻蚀加工频率；

步骤300，在控制单元中设计一个与轧辊加工频率相同但占空比为50％的方波信号；

步骤400，设置预刻蚀的规则图像形状，然后以方波信号的上升沿和/或下降沿作为触发激光加工的信号，控制激光对轧辊表面进行规则刻蚀。

在本发明的一个实施方式中，在步骤100中，所述编码器等分轧辊圆周表面的系列点，是通过设置占空比为50％的方波基准信号进行划分的。

在本发明的一个实施方式中，在所述编码器上设置有调节所述控制单元的方波信号与所述编码器的方波信号同步的锁相电路。

在本发明的一个实施方式中，所述锁相电路包括依次连接的鉴相器、低通滤波器、压控脉冲发生器。

在本发明的一个实施方式中，还包括倍频电路，所述倍频电路接收所述锁相电路输出的方波信号后进行倍频相乘，并使输出结果与轧辊的加工频率保持一致的同时作为激光加工时的触发信号。

在本发明的一个实施方式中，所述规则形状包括矩形和菱形，其中所述矩形是以每个所述振荡方波信号的上升沿或下降沿作为触发信号；所述菱形是以所述振荡方波信号的上升沿和下降沿交替作为每周的触发信号。

在本发明的一个实施方式中，轧辊表面轴向螺距的控制是通过调整机床丝杠的运转速度来实现。

在本发明的一个实施方式中，轧辊沿圆周方向系列点的数量与所述控制单元的存储器的精度有关，精度越高所述系列点的数量越多。

在机床主轴安装同轴编码器，经过锁相电路，将轧辊沿圆周方向等分成距离相等的系列点，根据机床的转速及加工点数计算出轧辊表面激光刻蚀加工频率，以机床丝杠移动速度确定激光加工点的螺距，实现螺距和点距的精确可控。同时以方波信号源的上升沿或下降沿作为激光器发出的脉冲激光的触发信号，来实现圆周方向加工点位置的规则变化，从而实现轧辊表面矩形和菱形规则分布的脉冲激光加工。

本发明通过位置信号精确同步控制，达到在轧辊表面进行矩形和菱形等规则分布的激光刻蚀加工，实现了轧辊表面高精度规则分布的脉冲激光刻蚀，为脉冲激光与物质相互作用的理论及加工实验提供必要的依据和手段。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的激光刻蚀方法的步骤示意图；

图2是图1激光刻蚀方法所涉及的装置示意图；

图3是本发明一个实施方式中锁相电路的连接示意图；

图4是本发明一个实施方式的倍频电路示意图；

图5是本发明一个实施方式的矩形图像刻蚀时的方波信号示意图；

图6是本发明一个实施方式的菱形图像刻蚀时的方波信号示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一个实施方式的轧辊表面规则可控分布的激光刻蚀方法一般性地包括如下步骤：

步骤100，在机床的主轴上安装同轴编码器，将轧辊沿圆周方向等分成距离相等的系列点；

编码器11与轧辊为1：1的同步转动，通过编码器11可以实现轧辊圆周的位置定位，实现对轧辊的表面进行的等分划分，划分后的各点之间距离相等，本步骤相当于是将轧辊的表面设置成点阵结构，以方便激光器30在刻蚀时能够根据设置的点进行定位。

编码器11对轧辊的圆周划分是通过输出编码信号的方式实现的，输出的编码信号为占空比为50％的方波信号。

步骤200，控制单元根据机床的转速及一周的加工点数确定轧辊表面激光刻蚀加工频率；

这里的控制单元可以是工控机20，该加工频率可以通过锁相电路进行计算，以得到一个与编码器11的编码信号相同频率的方波信号。轧辊表面轴向螺距的控制是通过调整机床丝杠的运转速度来实现。

步骤300，在控制单元中设计一个与轧辊加工频率相同但占空比为50％的方波信号；

工控机20以方波信号的上升沿或下降沿作为激光器30发出的脉冲激光的触发信号，同时结合丝杆的运转速度来实现轧辊圆周方向和轴向加工点位置的规则变化。

工控机20记录轧辊沿圆周方向的每一个点的位置信号。定位精度由工控机20的存储器位数决定，如果采用4位精度的存储器，假设加工直径为500mm的轧辊，加工点距为60微米，则一个圆周方向需要加工的点数为3.14*500/(0.06)＝26166个。精度到第四位，也就是实际加工26160个点，则误差为6/26166＝0.02％，如果使用5位精度的存储器，则定位精度到第五位，也就是实际加工26166个点，因此，通过选择不同位数的存储器能够实现无误差的精确定位。

步骤400，设置预刻蚀的规则图像形状，然后以方波信号的上升沿和/或下降沿作为触发激光加工的信号，控制激光对轧辊表面进行规则刻蚀。

这里的规则图像形状包括矩形和菱形，其中矩形是以方波信号的上升沿或下降沿作为触发信号；而菱形则是以方波信号的上升沿和下降沿交替作为每周的触发信号。

本发明在机床的主轴上安装同轴编码器11，根据锁相原理，将轧辊沿圆周方向等分成距离相等的系列点，点与点之间的距离即为点距，根据机床的转速及轧辊一周所需要加工的激光脉冲数计算出轧辊脉冲激光刻蚀加工频率，以机床丝杠移动速度确定激光加工点的螺距，同时在工控机中设计一个相同频率占空比为50％的振荡方波信号源，以方波信号的上升沿或下降沿作为激光器30发出的脉冲激光的触发信号，来实现圆周方向加工点位置的规则变化，从而实现轧辊表面矩形和菱形规则分布的脉冲激光加工。

本发明通过位置信号精确同步控制，达到在轧辊表面进行矩形和菱形等规则分布的激光刻蚀加工，实现了轧辊表面高精度规则分布的脉冲激光刻蚀，为脉冲激光与物质相互作用的理论及加工实验提供必要的依据和手段。

如图3所示，在本发明的一个实施方式中，还设置有调节工控机输出的方波信号与编码器11的方波信号同步的锁相电路40。

该锁相电路40包括依次连接的鉴相器41、低通滤波器42、压控脉冲发生器43。

工作时，由主轴上同轴编码器11中输出基准信号为占空比为50％的方波信号，通过工控机20对轧辊加工频率经过电路运算，得到与基准信号相同频率的方波信号，经过鉴相器41输出为窄脉宽的触发信号，再经过低通滤波器42变成电压信号，之后经过压控脉冲发生器43输出与主轴编码器11基准频率信号同步的方波信号。

如果，工控机20输出的方波信号的相位与编码器输出的基准信号不同步，则反馈回鉴相器41，相应调整工控机20输出的方波信号的频率，再通过低通滤波器42，由于输入信号的频率改变，增加或降低电压信号的电压幅值，最后经过压控脉冲发生器43后，从而相应调整最终输出方波信号的频率，重复上述过程，直至确保工控机20输出的方波信号与编码器11输出的方波信号精确同步。

如图4所示，在本发明的一个实施方式中，还包括倍频电路44，倍频电路44接收锁相电路40输出的经过精确同步后的方波信号，然后进行倍频相乘，并使输出结果与轧辊的加工频率保持一致的同时作为激光加工时的触发信号。具体的倍频电路使用的是3位半数字倍频器。本实施方式最后获得的加工频率是通过基频与倍频器乘法来获得，精确可控，不会由于除法不可避免得出余数所造成的精度误差。

如，采用2000线同轴编码器，通过电路运算，得到编码器的基准频率为100hz的方波信号。而针对选定轧辊的实际脉冲激光加工频率，为了与编码器基准频率的信号相位同步，将此实际加工频率除以一个系数，得到100hz的轧辊位置信号，并通过锁相电路后，此位置信号与编码器的基准信号严格同步，此时输出的信号在轧辊每一周都能精确可控，将此信号通过倍频器倍频后得到实际加工频率，此时的实际加工频率信号则可以在轧辊每一圆周精确可控，从而实现规则点距分布的脉冲激光刻蚀加工。

假设所需要的激光加工频率为20khz，则在锁相同步电路上，需要将此频率除以200，得到100hz的信号，并将此100hz的信号与编码器的基准信号严格相位同步，再将同步后的信号通过电路运算，再乘以200，得到位置信号可控的20khz的激光脉冲加工信号。

以下以具体的例子来说明矩形和菱形的加工过程。

如图5所示，以经过倍频电路输出的方波信号的上升沿作为激光器发出的脉冲激光的触发信号，在轧辊圆周方向刻蚀一周后，图中的①、②、③、④为加工中相邻的周数，通过锁相同步电路，编码器与轧辊主轴同步，记录圆周方向每个需要加工的位置信号，由于丝杠的轴向运动，一个螺距距离后的第二个圆周方向同一位置进行刻蚀加工，以此类推，这样轧辊圆周方向，来实现轧辊表面按规定螺距与点距的规则“矩形”分布的激光刻蚀加工。

如图6所示，轧辊表面规则“菱形”分布的实现方式如下：轧辊圆周方向第一周使用经过倍频电路输出的方波信号的上升沿作为脉冲激光的触发信号，通过机床丝杠的运动一个螺距位移后，在下一周使用该方波信号的下降沿作为脉冲激光的触发信号，这样第二个圆周方向上每个加工点都会较前一周错开半个点距的位置，第三周则改回用上升沿作为触发信号，此时与第一周加工点圆周方向上的位置相同，以此类推，因此完成轧辊表面激光微坑点阵规则分布的激光刻蚀。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。