CN101690993A - 多轴联动数控激光加工*** - Google Patents

Abstract

本发明提供的多轴联动数控激光加工***，其结构为：工作台上安装有直线导轨，导轨的两端分别安装有工作台尾座和床头箱，二个开式中心托架活动安装在导轨上，并位于工作台尾座和床头箱之间；导轨台安装在工作台旁，导轨台上设置有与另一平行的导轨，移动滑台活动安装在该导轨上；机器人固定在移动滑台上，激光加工头安装在机器人的最后一个关节末端上；激光加工头通过光纤与激光器相连；冷却机通过冷却管分别与激光器及激光加工头相连；控制器分别通过控制线与机器人及移动滑台连接，控制机器人及控制移动滑台带动机器人在导轨台上移动。该***解决了关节机器人激光加工***加工范围小的问题，可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。

Description

多轴联动数控激光加工***

技术领域

本发明涉及激光加工领域的数控激光加工***，用于对不同型号的工件进行激光加工，包括焊接、切割和表面热处理等，特别是能满足大型工件的激光加工。

背景技术

近年来，高功率激光加工技术因其加工效率高、无机械接触、易于实现自动化等一系列优点，在工业领域正得到越来越广泛的应用。特别是激光加工***的“刀具”为激光，其加工特性与激光束的输出方式、能量大小以及所采用的光学***、聚焦方式等密切相关。当我们改变激光的输出功率、输出脉冲频率或占空比等参数时，或者改变激光加工头的结构(如切割头、焊接头等)，相应的激光加工工艺也会改变，如从激光切割改变为激光焊接或者激光表面强化处理等，而相应的机械结构、控制***等几乎无需改动。这样，我们就可以利用改变激光加工参数(包括工艺参数和加工头)的方法使某台单功能的激光加工设备变为多功能的激光加工***，实现智能化、柔性化加工。

目前的机器人激光加工***常有两种形式：一种是基于常规数控机床的激光加工设备(以下简称数控激光加工机床)，它的通用性好，不仅能满足光纤传输的固体激光器激光加工的要求，而且满足依靠光学镜片反射、透射传输的CO₂激光器的激光加工要求；另一种是基于多轴工业机器人的激光加工***，它的柔性化程度高，与固体激光器的光纤输出相适应，能够满足各种复杂三维形状的激光加工要求。CO₂激光器因无法用光纤传输激光束，因此很少使用机器人作为加工***。

数控激光加工机床按照所加工对象的性能要求，可以是二到五个自由度。通常采用五个自由度的加工机床，称为五轴联动激光加工***，它包括三个平动轴和二个回转轴，可以加工大尺寸范围的复杂零件。但是在实际加工中却有其自身的技术难度：

1.编程复杂，难度大。因为五轴加工除了三个直线平动外，还有两个旋转运动轴参与，其合成的运动的空间轨迹相当复杂和抽象。为了加工出所需的空间自由曲面，往往需要多次坐标变换和复杂的空间集合运算，同时还要考虑各轴运动的协调性，避免干涉、冲撞，编程难度相当大。

2.对数控和伺服***要求高。由于五轴加工要协调控制五个轴，数控***必须要有五轴联动的控制功能；另外合成运动有回转运动的加入，增加了插补运算的工作量；回转运动的微小误差有可能放大，为了避免影响加工的精度，要求数控***要有极高的运算速度。

激光机器人加工***一般采用关节式机器人，适合几乎任何角度和轨迹的工作，可以自由编程，可控制的错误率，较高的生产效率。但是目前多数的机器人在应用时定点在某个固定位置，由于机器人自身工作空间的限制，在实际加工中其工作范围偏小，对于大型工件，如汽车的大型覆盖件模具、船舶与机车制造中的大型复杂零件的加工无能为力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种多轴联动数控激光加工***，该***解决了关节机器人激光加工***加工范围小的问题，可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。

本发明提供的多轴联动数控激光加工***，其特征在于：

工作台上安装有第一直线导轨，第一直线导轨的两端分别安装有工作台尾座和床头箱，第一、第二开式中心托架活动安装在第一直线导轨上，并位于工作台尾座和床头箱之间；

导轨台安装在工作台旁，导轨台上设置有与第一直线导轨平行的第二直线导轨，移动滑台活动安装在第二直线导轨上；机器人为三轴以上的工业机器人，机器人固定在移动滑台上，激光加工头安装在机器人的最后一个关节末端上；

激光加工头通过光纤与激光器相连；冷却机通过冷却管分别与激光器及激光加工头相连；

控制器分别通过控制线与机器人及移动滑台连接，控制机器人及控制移动滑台带动机器人在导轨台上移动。

上述技术方案可以采用一种或多种方式进行改进：(一)在导轨台的外侧安装有拖链，光纤和冷却管安装在拖链内；(二)第一、第二开式中心托架结构相同，它们均包括托架基座和安装在托架基座上的一对支撑架，托架基座安装在工作台的第一直线导轨上，一对支撑架对称安装在托架基座顶部的V型槽里，每个支撑架顶端均安装有滚轮；(三)导轨台包括轨座和安装在轨座上的第二直线导轨和齿条型直线导轨；移动滑台包括进给滑座、伺服电机、限位开关和进给齿轮，进给滑座的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽，进给齿轮与齿条型直线导轨上的齿条配合，进给齿轮安装在进给滑座的底部，伺服电机与进给齿轮连接，控制进给齿轮带动进给滑座沿第二直线导轨运动；(四)导轨台包括轨座和安装在轨座上的丝杠螺杆和第二直线导轨；移动滑台包括进给滑座、伺服电机、限位开关和丝杠滚珠螺母，进给滑座的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽，丝杠滚珠螺母与轨座上的丝杠螺杆配合，丝杠滚珠螺母安装在进给滑座的底部，伺服电机与丝杠螺杆连接，控制丝杠螺杆带动进给滑座沿第二直线导轨运动。

本发明***将激光加工数控机床和关节机器人集合起来，不仅克服了现有激光加工数控机床加工***编程复杂、控制较难和费用高的缺陷，降低了数控编程的难度，提高了激光加工***的柔性化和自动化控制能力，而且大幅提高了激光加工效率和加工零件尺寸范围，解决了关节机器人激光加工***加工范围小的问题，可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。具体而言，本发明具有以下技术效果：

1、采用移动式结构，机器人不再固定在一个位置，它可以沿着直线导轨运动，大大延伸了机器人的工作空间，从而能够加工大型工件和超大型工件，大幅度提高了加工零件尺寸范围。

2、采用先进的多轴关节机器人，提高了***的柔性和自动化控制能力。一般而言，现代的商业机器人本身已经开发了强大的软件控制***，可以进行示教或者离线编程，大大降低了复杂曲面加工的编程难度，提高了生产效率；此外，机器人本身一般带有自身开发的控制***，使整个加工设备的控制***设计得到简化；而且随着工业机器人在工业、物流等领域的逐渐普及，价格越来越低，成套设备的制造成本也将降低。

3、该加工***的“刀具”为激光，激光器可以采用业已成熟的固体激光器(包括灯泵浦激光器、二极管泵浦全固态激光器、二极管激光器或者是光纤激光器)，其共同特点是激光束可以通过光纤传输，因此可以和机器人的柔性化运动过程相结合，提高激光加工的精度和效率。

4、工作台可以采用通用机床实现，工件的装夹和加工都非常方便，因此该加工***具有很大通用性，可以满足各种不同形状、尺寸的大型零部件的激光加工要求。

5、激光加工头可以根据加工需要进行更换，如分别采用激光焊接加工头，激光切割加工头，激光熔覆加工头等，大大提高了激光加工设备的通用性和实用性。

6、将机器人各轴运动、工作台主轴的运动、移动滑台的运动都集成到机器人控制器集中控制，最多可以实现***的八轴联动控制。

附图说明

图1为本发明***的立体图；

图2为本发明***的主视图；

图3为本发明***的俯视图；

图4为本发明***的左视图；

图5为移动滑台的主视图；

图6为移动滑台的俯视图；

图7为床头箱结构示意图；

图8为开式中心托架的结构示意图。

图9为轨道导轨台的左视图。

具体实施方式

下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1至图4所示，本发明***包括机器人1，激光加工头2，工作台尾座3，第一、第二开式中心托架4、4’，工作台5，床头箱6，导轨台7，激光器8，冷却机9，控制器10，拖链11，移动滑台12，光纤20。

移动滑台12包括进给滑座21、伺服电机22、限位开关23和进给部件。进给滑座21的底部设有与第一直线导轨28和28’配合的滑槽25，可沿导轨台7进行移动。进给部件安装在进给滑座21的底部上，可以根据不同的情况选择，如果导轨台7较短，就可以使用滚珠丝杠装置，如果导轨台7较长，就可以选用齿轮齿条装置。图5-6为导轨台7较长时滑座的结构，进给齿轮24与伺服电机22相连，并与齿条型直线导轨27上的齿条啮合。当伺服电机22转动时，通过进给齿轮24可以拖动进给滑座21沿导轨台7上运动。限位开关23装在进给滑座21两侧，当滑座移动到导轨台7的两个末端时，限位开关23将会报警并会使伺服电机22紧急停止。

床头箱6可以采用现有的结构，但并不局限于此。如图7所示，床头箱6的通常结构包括卡盘16、主轴17、变速箱18和驱动电机19。卡盘16用来夹持工件，对工件起到固定和定心作用。主轴17一端与卡盘16相连，一端跟变速箱18相连，主要用来传递动力，使卡盘16可以进行回转运动。变速箱18通过换挡起到调节卡盘16转速的功能。驱动电机19与变速箱18相连，用来提供卡盘16转动的动力。

尾座3也可以采用通用的结构，它包括尾座基座和顶尖，顶尖用来对工件进行对中和夹紧工件，基座可以在工作台的直线导轨上进行移动，达到调整顶尖与床头箱6的卡盘16之间的距离，从而使加工***能加工不同尺寸范围的工件。

第一、第二开式中心托架4、4’结构相同，如图8所示，它们均包括托架基座13和安装在托架基座上的一对支撑架14。托架基座13安装在工作台5的直线导轨上，可以带动整个托架沿工作台横向移动。一对支撑架对称安装在托架基座顶部的V型槽里。每个支撑架顶端均安装有滚轮15，在托架托起工件加工时，滚轮可随工件一起转动，可减少工件与托架之间的摩擦。

当工件很长时，由于自重或者加工过程中产生的热应力会使工件中部产生下垂变形，托架可以从两侧对称的托起工件，避免上述现象发生，从而保证工件加工精度。

工作台5主要用来支撑工件，主要由工作台台面和第二直线导轨构成。

导轨台7位于工作台5的一侧，并与工作台5平行，移动滑台12安装在导轨台7上。图9是导轨台7较短时结构，它由第一直线导轨28和28’、齿条型直线导轨27和轨座26组成。如果导轨台较短，可采用滚珠丝杠结构，只需将移动滑台的进给部件12由进给齿轮改为滚珠丝杠螺母，导轨台7的齿轮齿条改成滚珠丝杠，移动滑台12通过滚珠丝杠副的驱动在导轨台7上运动。

机器人1是加工***的运动中枢，本发明采用三至六轴的多轴工业机器人，它可以采用现有的市售产品但并不局限于此。机器人1固定安装在移动滑台12上。控制器10包括二部分，一部分为对机器人1主体的控制部分，通过与机器人1上的各个电机连接实现对机器人动作的控制，另一部分为移动滑台12和主轴17的控制部分。控制器10是机器人的大脑，也是整个加工***的核心部分。它不但可以通过离线或者示教编程控制机器人1的内部轴按照预定的程序进行运动，而且还具有扩展功能。通过离线或者示教编程后，生成机器人可识别的运动代码，使机器人带动激光加工头2按照程序设定的路径进行运动。

机器人1在控制器10的控制下，可以随着移动滑台12在导轨台7上移动。

控制器10可以通过控制伺服电动机22的转速和转动圈数来控制机器人在导轨台7上的移动速度和移动距离。

床头箱6安装在工作台5的直线导轨上，尾座3安装在工作台5的直线导轨上，开式中心托架4、4’安装在工作台5的直线导轨上，并位于床头箱6和尾座3之间。

激光加工头2通过法兰盘固结在机器人1的最后一个关节末端，它是加工***的执行装置，相当于机械加工中的刀具。激光加工头2可根据不同的加工需要进行更换，比如激光焊接时使用的焊接加工头，激光切割时使用切割加工头。

激光器8主要用来提供加工使用的光源，它通过光纤20与激光加工头2相连。激光器8可以是灯泵浦激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器或者其它能够方便通过光纤传输的激光器，它主要是用来产生加工中心的“刀具”——激光，并对激光的参数进行控制和优化。

冷却机9通过冷却管分别与激光器8及激光加工头2相连，用于对激光器8、光纤20及激光加工头2中的镜片进行冷却。

拖链11位于导轨台7的外侧，光纤和冷却管安装在拖链11内，可以使其在机器人往复运动中不受损坏，而且能使加工***整体上更加美观。

本发明的多轴激光加工设备的工作流程：

(1)测试加工***的各部分是否运行正常，包括机器人1、激光器8、冷却机9、激光加工头2、工作台等。

(2)调整卡盘16、尾座3和中心托架4的位置，将待加工零件装夹在工作台上。

(3)在多轴工业1机器人调整到加工的初始位置，并建立基坐标系。

(4)根据待加工工件的三维几何尺寸和其坐标系，运用机器人语言进行离线编程。

(5)将编程程序输入控制器10，并示教测试。

(6)测试结果无误后，进行正式加工。

(7)加工完毕，根据需要，确定是否加工另一个零部件；

(8)关闭加工***各部件。

控制器10通过控制机器人1的三到六个轴、移动滑台12的进给轴和床头箱6的主轴，能实现***五到八轴的联动，组成多轴联动***。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种多轴联动数控激光加工***，其特征在于：

工作台(5)上安装有第一直线导轨，第一直线导轨的两端分别安装有工作台尾座(3)和床头箱(6)，第一、第二开式中心托架(4、4’)活动安装在第一直线导轨上，并位于工作台尾座(3)和床头箱(6)之间；

导轨台(7)安装在工作台(5)旁，导轨台(7)上设置有与第一直线导轨平行的第二直线导轨，移动滑台(12)活动安装在第二直线导轨上；

机器人(1)为三轴以上的工业机器人，机器人(1)固定在移动滑台(12)上，激光加工头(2)安装在机器人(1)的最后一个关节末端上；

激光加工头(2)通过光纤与激光器(8)相连；冷却机(9)通过冷却管分别与激光器(8)及激光加工头(2)相连；

控制器(10)分别通过控制线与机器人(1)及移动滑台(12)连接，控制机器人(1)及控制移动滑台(12)带动机器人(1)在导轨台(7)上移动。

2.根据权利要求1所述的多轴联动数控激光加工***，其特征在于：导轨台(7)的外侧安装有拖链(11)，光纤和冷却管安装在拖链(11)内。

3.根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工***，其特征在于：

第一、第二开式中心托架(4、4’)结构相同，它们均包括托架基座(13)和安装在托架基座上的一对支撑架(14)，托架基座(13)安装在工作台(5)的第一直线导轨上，一对支撑架(14)对称安装在托架基座顶部的V型槽里，每个支撑架顶端均安装有滚轮(15)。

4.根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工***，其特征在于：导轨台(7)包括轨座(26)和安装在轨座(26)上的第二直线导轨和齿条型直线导轨(27)；

移动滑台(12)包括进给滑座(21)、伺服电机(22)、限位开关(23)和进给齿轮(24)，进给滑座(21)的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽(25)，进给齿轮(24)与齿条型直线导轨(27)上的齿条配合，进给齿轮(24)安装在进给滑座(21)的底部，伺服电机(22)与进给齿轮(24)连接，控制进给齿轮(24)带动进给滑座(21)沿第二直线导轨运动。

5.根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工***，其特征在于：

导轨台(7)包括轨座(26)和安装在轨座(26)上的丝杠螺杆和第二直线导轨；

移动滑台(12)包括进给滑座(21)、伺服电机(22)、限位开关(23)和丝杠滚珠螺母，进给滑座(21)的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽(25)，丝杠滚珠螺母与轨座(26)上的丝杠螺杆配合，丝杠滚珠螺母安装在进给滑座(21)的底部，伺服电机(22)与丝杠螺杆连接，控制丝杠螺杆带动进给滑座(21)沿第二直线导轨运动。

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