一种轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法

摘要

本发明提供了一种轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，包括如下步骤：根据毛化点参数和轧辊参数，确定毛化点分布坐标集；根据毛化点参数确定激光功率P和激光脉宽λ；根据轧辊转动角度RA和激光光束到轧辊端面的距离Dx，确定激光毛化加工的区域；根据激光毛化加工区域内需要加工的毛化点，确定激光触发时刻tk和激光光束偏摆角度η；对轧辊表面毛化点加工。本发明通过将轧辊展开表面二维无序均匀的毛化点分布坐标集作为激光毛化设备加工输入参数，简化控制系统硬件设备，同时输入的坐标点阵坐标参数经控制系统处理后，转化成设备各运动和执行部件的控制信号，对轧辊表面进行激光毛化处理，达到无序均匀分布的技术要求。

说明书

技术领域

本发明涉及轧辊表面加工领域，特别涉及一种轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法。

背景技术

冷轧板带因其尺寸精确、板形平直、表面质量好、生产效率高等优势，在众多领域得到广泛应用。冷轧辊表面毛化是一种生产优质薄板的表面预处理技术，在轧制过程中将毛化形貌转印到板材表面，对冷轧薄板冲压成形性、鲜映性和耐蚀耐磨性等的提升至关重要。

目前，轧辊表面的毛化技术有激光毛化、电火花毛化、喷丸毛化、电子束毛化等。喷丸毛化形貌质量差、重复性差，且粉尘污染严重，已基本被淘汰。电子束毛化时轧辊须在高真空中旋转，技术难度大且工艺成本高，并不适用于工业化规模生产。电火花毛化形貌保持性差，易引起轧制过程中过钢量波动，且制造装备主要依赖进口，运行费用昂贵。而且，设备商垄断关键核心技术，严重制约了我国冷轧技术和工艺应用水平的拓展。激光毛化则因其形貌质量高、环境友好、运行费用适中等优点，备受行业青睐。

有别于电火花毛化的随机性和紊乱性，激光毛化具有规则性和一致性特征。毛化点的规则分布，将会导致板材出现“莫尔条纹”、涂油不均、局部冲裂和震纹等缺陷。当轧辊轧制板带时,通过转印,板面在沿长度方向存在均匀分布的直线。因此,板在光的照射下,有几个角度反射强烈,最后导致在不同的角度观察板面有不同的反射效果,影响了钢板表面的外观，成为多年来阻碍轧辊激光毛化技术大规模工程推广应用的突出问题。

针对工程应用中关于毛化板微坑无规则分布的技术要求，众多专家学者围绕提高激光毛化处理后轧辊表面形貌质量开展了大量的工作，从激光毛化设备出发，通过随机信号发生源，加入随机因素，控制脉冲激光与轧辊的作用方式，实现无规则分布的技术要求。

如专利公开了一种激光无序毛化轧辊表面的加工方法和加工设备，通过随机信号发生器控制脉冲激光的占空比和频率，改变加工出光的斑点形状，同时，实现毛化点在轧辊的周向上间距随机。其优点是实现了毛化点在轧辊圆周方向上的可控随机，其缺点是表面毛化形貌具有方向性。

又如专利公开了一种无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法，无规则图像开关装置接收无规则黑白图像的1、0信息开关，驱动激光加工装置对轧辊表面进行处理，实现无规则分布的毛化微坑。其优点是轧辊表面无规则的毛化微坑通过图像实现可视化，其缺点是毛化点密集程度低，以及轴向的毛化分布依然存在较强的规则性，板料涂装后容易产生表面条纹状色差缺陷。

再如专利公开了一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，通过随机信号发生器产生伪随机信号，控制激光脉冲的随机延时和随机偏转，生成均匀随机分布的毛化点。其优点是实现圆周向和轴向的二维无序分布，解决表面毛化形貌具有方向性的问题，其缺点是无法预测和调整激光毛化处理效果。

综上所述，虽然众多专家学者针对激光毛化点随机分布开展大量工作，但仍未能从设计到加工处理，形成完善的解决激光毛化点无序分布的技术体系。现有技术直接从激光毛化设备入手，通过随机信号发生器，加入伪随机信号，控制激光器出光，生成的毛化点难以控制调整，同时，毛化点加工效率受限于振镜的转动频率。另外，采用无规则图像开关装置接收预先生成的黑白图像信息开光，毛化点密集度与图像像素密切相关，毛化点密集度偏低。上述两种技术方案，在工程应用中也均存在问题，不能完全实现轧辊表面毛化形貌的无序均匀分布。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，通过将轧辊展开表面二维无序均匀的毛化点分布坐标集作为激光毛化设备加工输入参数，简化控制系统硬件设备，同时输入的坐标点阵坐标参数经控制系统处理后，转化成设备各运动和执行部件的控制信号，对轧辊表面进行激光毛化处理，达到无序均匀分布的技术要求。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，包括如下步骤：

根据毛化点参数和轧辊参数，确定毛化点分布坐标集(x,y)；

根据毛化点参数确定激光功率P和激光脉宽λ；

根据轧辊转动角度RA和激光光束到轧辊端面的距离Dx，确定激光毛化加工的区域；

根据激光毛化加工区域内需要加工的毛化点，确定激光触发时刻t

对轧辊表面毛化点加工。

进一步，所述确定毛化点分布坐标集(x,y)具体包括如下步骤：

随机确定正NUM边形网格；

根据毛化点面积占有率β

用正NUM边形网格和网格单元尺寸对轧辊展开平面进行网格划分，获取网格中心点坐标，作为规则均匀分布坐标值(X

通过真随机数发生器生成随机数序列对，随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值(Δx

随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加，得到毛化点分布坐标集(x,y)。

进一步，所述根据毛化点面积占有率β

根据毛化点外圆直径D，确定与毛化点相外切的网格单元的面积A

计算实际面积占有率β：

其中：α为设定的面积当放大系数；

比较毛化点面积占有率β

当β≥β

进一步，随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值，具体为：

在随机数序列对里抽取一对随机数，经缩放运算方式处理得到随机偏移坐标(Δx

进一步，根据轧辊转动角度RA和激光光束到轧辊端面的距离Dx，确定激光毛化加工的区域，具体如下：

将轧辊长度L划分成M等份，在轧辊一个转动周期内，将展开的轧辊划分N等份，用于对激光光束的运动轨迹进行划分；

以等份点为中心，且以L/2M为间距，构建平行于轧辊径向的上边界线Y

Y

Y

以轧辊轴向上的F-1,F+1等分线构建右边界线X

X

X

其中，R为轧辊半径；L为轧辊长度；轧辊转动角度RA为每一等份轧辊转动角度；Dx为激光光束到轧辊端面的距离；

所述边界线形成激光毛化加工区域。

进一步，确定激光毛化加工区域内需要加工的毛化点，具体如下：

在毛化点分布坐标集(x,y)中，满足|x-Dx|≤L/2M，且|y-R×[round(RA)/360°]|≤2πR/N条件的毛化点为激光毛化加工区域内需要加工的毛化点。

进一步，根据激光毛化加工区域内需要加工的毛化点，确定激光触发时刻t

测量激光在轧辊表面聚焦时，激光光束的出光口到轧辊表面的最短距离D_laser_roll；

确定激光毛化加工区域内毛化点加工的触发时刻t

t

η＝arctan[(x-V×t

其中，Rot为轧辊的转速；V为激光光束沿轧辊轴线平动速度，V＝Rot*L/M。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，采用设计的毛化点分布坐标集，直接转化成激光毛化设备的加工参数，无需在增添随机信号发生器，实现轧辊表面毛化形貌无序均匀分布闭环加工，达到可视化处理的效果。

2.本发明所述的轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，激光毛化点的加工效率可达到100K/s，远高于现有发明激光毛化点的加工效率。

3.本发明所述的轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，毛化点几何参数可以通过改变激光参数精确调控，以工艺参数数据为基础，建立激光毛化点几何参数与激光参数的映射关系，能够满足不同冷轧板生产过程对毛化点的技术要求。

附图说明

图1为本发明所述的轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法流程图。

图2为本发明所述的毛化点分布坐标集设计方法流程图。

图3为本发明所述的轧辊填充网格示意图。

图4为本发明所述的网格尺寸确定流程图。

图5为本发明规则坐标与偏移坐标叠加示意图。

图6为本发明所述的轧辊激光毛化设备结构示意图。

图7为本发明所述的轧辊转动一周平面展开等分示意图。

图8为本发明所述的t

图9为本发明所述的激光光束偏转角度求解示意图。

图10为本发明激光毛化加工装置控制示意图。

图中：

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

采用如图6所示的激光毛化加工装置具备5轴运动功能，能够实现高度方向Z、轧辊径向Y和轧辊轴向的平动X，及沿轧辊中心轴Ψ的转动和激光光束以η角度偏摆。结合本发明提出的加工方法，能够满足大量点阵坐标数据快速处理形成激光毛化装置加工参数的技术要求，保证轧辊表面加工无序均匀毛化点与设计的点阵坐标高度匹配，并通过运动控制驱动机床主轴转动、激光器平动，完成对轧辊表面的毛化加工。

如图1所示，本发明所述的轧辊表面激光无序均匀毛化加工方法，包括如下步骤：

S01：确定运动参数、毛化点参数和轧辊参数；

其中，运动参数是指激光光束沿轧辊轴线X方向平动速度V和轧辊沿沿轧辊中心轴Ψ转速Rot，将轧辊长度L划分成M等份，每一等份轧辊需转动一周；

建立起轧辊轴线X方向平动速度V和Ψ轴转速Rot：

Rot＝MV/L。

毛化点参数：毛化点形状、毛化点外圆直径D、毛化点凸起高度H和毛化点面积占有率β

轧辊参数：轧辊半径R和轧辊长度L。

S02：根据毛化点参数和轧辊参数，确定毛化点分布坐标集(x,y)，如图2所示：

S02.1：随机确定一种正NUM边形网格；如图3所示，正NUM边形网格可以是正三角形，也可以是正四边形，还可以是正六边形。

S02.2：如图4所述，根据毛化点面积占有率β

毛化点外圆直径，特定激光参数加工的单个毛化点形貌主要有球冠毛化点和火山口毛化点两类，对同一参数加工的多个毛化点外圆直径进行测量，取均值确定毛化点外圆直径D。根据毛化点外圆直径D，确定与毛化点相外切的网格单元的面积A

计算实际面积占有率β：

其中：α为设定的面积当放大系数；

比较毛化点面积占有率β

当β≥β

S02.3：用正NUM边形网格和网格单元尺寸对轧辊展开平面进行网格划分，获取网格中心点坐标，作为规则均匀分布坐标值(X

轧辊展开表面，毛化区域的长边是轧辊周长L，毛化区域的宽边轧辊直径φ。采用正方形网格填充的方式，对毛化区域进行网格划分。

S02.4：通过真随机数发生器生成随机数序列对，随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值(Δx

采用振荡器采样原理设计真随机数发生器，生成真随机数，同时利用电路热噪声的存在，振荡器在工作时受到影响，出现小范围的波动。当采样信号刚好采样到抖动区间的时候，保证采样生成的数据具有完全的随机性。

其中，真随机数发生器由一个高频率振荡器、低频率振荡器和一个D触发器构成，高频振荡器的输出作为触发器的输入，低频振荡器的输出作为触发器的时钟信号输入。在低频振荡器输出信号上升边沿每次到来时，D触发器会对高频振荡器进行采样，生成一位数据。

在随机数序列对里抽取一对随机数，经缩放运算方式处理得到随机偏移坐标(Δx

S02.5：如图5所示，随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加，得到二维点阵坐标分布数据集(X

X

Y

此处的二维点阵坐标分布数据集(X

S03：根据毛化点参数，确定激光加工参数，即激光功率P和激光脉宽λ。

其中，毛化参数包括毛化点类型，毛化点直径D，以及毛化点高度h，通过激光毛化参数与激光参数的映射关系，直接选择并输出激光功率P和脉宽λ。建立激光毛化点几何参数与激光参数的映射数据库是以工艺参数数据为基础，需要开展大量的激光毛化点加工工艺试验。

S04：根据t

如图7所示，在轧辊轴线X方向上每一转动周期内，X方向位置传感器和Ψ轴的增量编码器都反馈N次信号；

将一个周期内加工的轧辊展开，按照N等份，对激光光束的运动轨迹进行划分；

如图8所示，以等份点为中心，且以L/2M为间距，构建平行于轧辊径向的上边界线Y

Y

Y

以轧辊轴向上的F-1,F+1等分线构建右边界线X

X

X

其中，R为轧辊半径；L为轧辊长度；轧辊转动角度RA为每一等份轧辊转动角度；Dx为激光光束到轧辊端面的距离。

S05：计算并确定t

将毛化点分布坐标集(x,y)与t

|x-Displacement_x|≤πL/M

|y-R×[round(Rotate-Angle)/360°]|≤2πR/N。

满足要求的毛化点则是激光毛化加工区域内需要加工的毛化点。

S06：将加工区域内毛化点坐标转化成激光加工参数，即激光触发时刻t

如图9所示，触发时刻t

t

η＝arctan[(x-V×t

其中，Rot为轧辊的转速；V为激光光束沿轧辊轴线平动速度，V＝Rot*L/M。

S07：控制激光毛化加工装置，实现对轧辊表面毛化点加工。

如图10所示，激光毛化加工装置的高度方向Z、轧辊直径方向Y伺服驱动电机负责按照设定的平动速度V进行复位和聚焦调整，轧辊轴线方向的平动X，沿轧辊中心轴Ψ的伺服驱动电机按照设定的X方向平动速度V和轧辊沿沿轧辊中心轴Ψ转速Rot。

激光加工参数触发时刻t

激光器按照激光加工参数要求输出高能量光束，同时，激光器平动和轧辊转动，实现对轧辊表面的激光毛化加工。

本发明是以轧辊展开表面生成毛化形貌无序均匀分布点阵坐标为基础，实现对无序均匀分布点阵坐标与激光加工参数的转化，无需在控制系统中添加随机信号发生装置，实现轧辊表面激光毛化点的闭环加工，此控制方法可用于各类激光毛化的激光器，如YAG激光器，光纤激光器，以及二氧化碳激光器等。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。