一种变直径工件步进激光毛化方法

摘要

本发明实施例涉及一种变直径工件步进激光毛化方法，包括：基于变直径工件的中心水平面建立直角坐标系；从所述直角坐标系中确定毛化起始位置以及毛化结束位置；确定从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化轨迹；根据所述毛化轨迹对所述变直径工件进行毛化。由此，本申请实施例通过产生一致的微坑形状、运动速率、面密度和线密度，从而能保证激光毛化形貌特征的一致性；另外，本申请实施例也可产生可变的微坑形状、运动速率、面密度和线密度，从而获得有变化的激光毛化形貌特征，以适应多样的需求。

权利要求

1.一种变直径工件步进激光毛化方法，其特征在于，包括：基于变直径工件的中心水平面建立直角坐标系；

从所述直角坐标系确定毛化起始位置以及毛化结束位置；

计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化轨迹；

根据所述毛化轨迹对所述变直径工件进行毛化；

其中，所述计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化轨迹之前，所述方法还包括：

基于所述直角坐标系设置第一移动轴，第二移动轴以及旋转轴，其中所述旋转轴的轴线与所述中心水平面垂直；

所述毛化轨迹包括多个同心圆；

所述计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化轨迹，包括：计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置所有同心圆的毛化参数；

根据所述所有同心圆的毛化参数得到所述毛化轨迹；

所述计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置所有同心圆的毛化参数，包括：确定所述毛化起始位置对应的第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标以及旋转轴的角度；

根据所述毛化起始位置对应同心圆的直径以及圆周向线密度计算所述同心圆的微坑数量；

根据所述毛化起始位置对应同心圆的直径以及微坑运动速率计算所述同心圆的转速；

根据母线向线密度以及切向角计算所述毛化起始位置对应的同心圆与下一个同心圆的轴向间距，并确定下一个同心圆对应的坐标；

重复上述步骤，直至得到所有同心圆对应的第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标、旋转轴的角度、微坑数量和同心圆的转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述直角坐标系确定毛化起始位置，包括：

确定母线方程；

根据所述母线方程确定所述毛化起始位置以及毛化结束位置；

其中，所述母线方程如下式：F(z,x)＝0

式中，z为所述变直径工件的中心水平面轴向坐标，x为所述变直径工件的中心水平面径向坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述毛化起始位置对应的第一移动轴坐标，第二移动轴坐标以及旋转轴角度，包括：确定聚焦光束中心线与所述变直径工件母线的夹角，以及所述旋转轴的臂长；

根据所述夹角和所述臂长计算所述毛化起始位置对应的第一移动轴坐标，第二移动轴坐标以及旋转轴角度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述毛化参数对所述变直径工件进行毛化，包括：

将所述第一移动轴，第二移动轴以及旋转轴移动到所述毛化起始位置；

根据所述毛化参数从所述毛化起始位置对所述变直径工件进行毛化直至所述毛化结束位置。

说明书

一种变直径工件步进激光毛化方法

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及激光毛化领域，尤其涉及一种变直径工件步进激光毛化方法。

背景技术

[0002] 目前的激光毛化方法，如专利《轧辊表面激光毛化处理方法》(200910115940.4)，毛化时工件恒速旋转，聚焦头恒速移动；如专利《具有可控分布毛化点的辊类表面毛化激光
加工系统》(00128273.5)，圆周线上的毛化微坑数量相等。对于恒定直径的工件，相同光脉
冲作用产生的毛化微坑，其形状、运动速率和面密度(单位面积的微坑数)和线密度(单位长
度的微坑数)基本一致，能保证毛化的一致性。

[0003] 激光毛化因能产生特殊的形貌，有独特的作用，其应用领域不断扩大。目前，凸度辊、S形辊、螺纹辊、钢管内壁等变直径工件也提出了毛化的需求。通过联动或增加自动跟踪
系统，使聚焦头与辊面的距离恒定，现有的激光毛化方法也可用于直径变化不大的工件的
毛化。

[0004] 在进行变直径工件的激光毛化时，因不能保证聚焦光束的中心线与工件作用面的角度是恒定的，相同光脉冲作用产生的毛化微坑，其形状不一致；因工件恒速旋转和聚焦头
恒速移动，圆周线上的毛化微坑数量相等，不同直径圆周线上的毛化微坑，其运动速率、面
密度和线密度等不一致。这些因素影响了毛化的一致性。如果工件的直径变化很大，这种毛
化的不一致性就无法满足需要。

[0005] 针对变直径工件激光毛化存在的问题，如果能规避现有激光毛化方法的不足，控制激光毛化的一致性，对推广激光毛化技术的应用有重要意义。

发明内容

[0006] 本发明实施例提供了一种变直径工件步进激光毛化方法，可以适用于产生光脉冲的激光器。该方法包括以下步骤：

[0007] 基于变直径工件的中心水平面建立直角坐标系；

[0008] 从所述直角坐标系中确定毛化起始位置以及毛化结束位置；

[0009] 计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化轨迹；

[0010] 根据所述毛化轨迹对所述变直径工件进行毛化。

[0011] 在一个可能的实施方式中，所述基于所述直角坐标系确定毛化起始位置，包括：

[0012] 确定母线方程；

[0013] 根据所述母线方程确定所述毛化起始位置以及毛化结束位置；

[0014] 其中，所述母线方程如下式：

[0015] F(z,x)＝0

[0016] 式中，z为所述变直径工件的中心水平面轴向坐标，x为所述变直径工件的中心水平面径向坐标。

[0017] 在一个可能的实施方式中，所述计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化微坑数量之前，所述方法还包括：

[0018] 基于所述直角坐标系设置第一移动轴，第二移动轴以及旋转轴，其中所述旋转轴的轴线与所述中心水平面垂直。

[0019] 在一个可能的实施方式中，所述毛化轨迹包括多个同心圆。

[0020] 在一个可能的实施方式中，所述计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置的毛化轨迹，包括：

[0021] 计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置所有同心圆的毛化参数；

[0022] 根据所述所有同心圆的毛化参数得到所述毛化轨迹。

[0023] 在一个可能的实施方式中，所述计算从所述毛化起始位置至所述毛化结束位置所有同心圆的毛化参数，包括：

[0024] 确定所述毛化起始位置对应的第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标以及旋转轴的角度；

[0025] 根据所述毛化起始位置对应同心圆的直径以及圆周向线密度计算所述同心圆的微坑数量；

[0026] 根据所述毛化起始位置对应同心圆的直径以及微坑运动速率计算所述同心圆的转速；

[0027] 根据母线向线密度以及切向角计算所述毛化起始位置对应的同心圆与下一个同心圆的轴向间距，并确定下一个同心圆对应的坐标；

[0028] 重复上述步骤，直至得到所有同心圆对应的第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标、旋转轴的角度、微坑数量和同心圆的转速。

[0029] 在一个可能的实施方式中，所述计算所述毛化起始位置对应的第一移动轴坐标，第二移动轴坐标以及旋转轴角度，包括：

[0030] 确定聚焦光束中心线与所述变直径工件母线的夹角，以及所述旋转轴的臂长；

[0031] 根据所述夹角和所述臂长计算所述毛化起始位置对应的第一移动轴坐标，第二移动轴坐标以及旋转轴角度。

[0032] 在一个可能的实施方式中，所述根据所述毛化参数对所述变直径工件进行毛化，包括：

[0033] 将所述第一移动轴，第二移动轴以及旋转轴移动到所述毛化起始位置；

[0034] 根据所述毛化参数从所述毛化起始位置对所述变直径工件进行毛化直至所述毛化结束位置。

[0035] 本申请实施例通过产生一致的微坑形状、运动速率、面密度和线密度，从而能保证激光毛化形貌特征的一致性；本申请实施例也可产生可变的微坑形状、运动速率、面密度和
线密度，从而获得有变化的激光毛化形貌特征，以适应多样的需求。

[0036] 激光毛化对形貌特征有特殊的要求，其微坑是有凸台的凹坑。激光雕刻以去除材料为目的，其微坑基本上是凹坑，无凸台。本发明不涉及光脉冲的波长、脉宽等，也不涉及微
坑是否有凸台，故本发明适用于各种能产生光脉冲的激光器，同样适用于变直径工件的激
光雕刻。

附图说明

[0037] 图1为本申请实施例提供的一种变直径工件的激光毛化方法；

[0038] 图2为本申请实施例提供的变直径工件步进激光毛化位置示意图。

具体实施方式

[0039] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只
是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范
围。

[0040] 需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如
果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

[0041] 图1为本申请实施例提供的一种变直径工件的激光毛化方法，如图1所示，该方法包括：

[0042] 步骤S11、基于变直径工件的中心水平面建立直角坐标系；

[0043] 步骤S12、从直角坐标系中确定毛化起始位置以及毛化结束位置；

[0044] 步骤S13、计算从毛化起始位置至毛化结束位置的毛化轨迹；

[0045] 步骤S14、根据毛化轨迹对变直径工件进行毛化。

[0046] 通过上述方法，本申请实施例通过产生一致的微坑形状、运动速率、面密度和线密度，从而能保证激光毛化的一致性。具体的，通过将毛化过程分解为密排同心圆的毛化，微
坑的轨迹线由螺旋线变成了密排的同心圆。将同心圆的轴向间距和微坑数量作为可变参
数，产生可变的微坑面密度和线密度。将同心圆的转速作为可变参数，产生可变的微坑运动
速率。

[0047] 本实施例中，在变直径工件的中心水平面的轴向和径向建立两维直角坐标系。基于直角坐标系设置第一移动轴，第二移动轴以及旋转轴，其中旋转轴的轴线与中心水平面
垂直，并相交于支点。

[0048] 图2为变直径工件步进激光毛化位置示意图。如图2所示，P为毛化同心圆对应点，其坐标为(z,x),P点的切向角为w。Ps为毛化起始位置，Pe为毛化结束位置。P’为旋转轴与中
心水平面的支点，其坐标为(z',x'),旋转角为w’。旋转轴的臂长L为P’点与P点间的距离。其
中，P点与P’点一一对应，关系式如下：

[0049] w＝w'，x'＝x+L*cos(w')，z'＝z‑L*sin(w')。

[0050] P点对应同心圆的直径D为2x，毛化辊面的母线由3条线段组成，切向角分别为36.87°、0°、‑36.87°。

[0051] 具体的，基于直角坐标系确定毛化起始位置，包括：确定母线方程，根据母线方程确定毛化起始位置以及毛化结束位置。其中，母线方程如下式：

[0052] F(z,x)＝0

[0053] 式中，z为变直径工件的中心水平面轴向坐标，x为变直径工件的中心水平面径向坐标。

[0054] 本实施例中，确定从毛化起始位置至毛化结束位置的毛化轨迹，主要通过：计算从毛化起始位置至毛化结束位置所有同心圆的毛化参数，根据所有同心圆的毛化参数得到毛
化轨迹。其中，毛化轨迹包括多个同心圆。

[0055] 具体的，计算从毛化起始位置至毛化结束位置的毛化参数，通过以下方式实现：根据聚焦光束中心线与变直径工件母线的夹角，以及旋转轴的臂长确定毛化起始位置对应的
第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标以及旋转轴的角度。其中，聚焦光束中心线与变直径
工件母线的夹角为90°，第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标均为(40mm，130mm)，旋转轴
的角度为36.87°。

[0056] 根据毛化起始位置对应同心圆的直径以及圆周向线密度计算同心圆的微坑数量，其中，设圆周向线密度为Qy时，其毛化微坑的数量m为Dπ*Qy，本实施例中以同心圆的直径为
100mm，圆周向线密度为2个/mm为例，得到的微坑数量为1257个。

[0057] 根据毛化起始位置对应同心圆的直径以及微坑运动速率计算同心圆的转速，其中，微坑运动速率为v时其转速n为60v/(Dπ)，本实施例中以同心圆的直径为100mm，微坑运
动速率为2000mm/s为例，得到的同心圆转速为382.0rpm。

[0058] 根据母线向线密度以及切向角计算毛化起始位置对应的同心圆与下一个同心圆的轴向间距，并确定下一个同心圆对应的坐标。其中，设微坑母线向线密度为Qm时，其与下
一个同心圆的轴向间距j为cos(w')/Qm。

[0059] 本实施例中以母线向线密度2个/mm和切向角36.87°为例，得到下一个同心圆的轴向间距为0.4mm，并确定下一个同心圆对应的坐标为(100.4mm,50.3mm)。

[0060] 重复上述步骤，计算轨迹上所有同心圆对应的第一移动轴的坐标，第二移动轴的坐标、旋转轴的角度、微坑数量和同心圆的转速。具体计算过程，如下表(表1)所示。

[0061]

[0062]

[0063] 表1

[0064] 本实施例中，根据毛化参数对变直径工件进行毛化，具体为：将第一移动轴，第二移动轴以及旋转轴移动到毛化起始位置；根据毛化参数从毛化起始位置进行毛化直至毛化
结束位置。

[0065] 以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或
替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变
换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。