一种超快激光加工装备光机电协同控制***
技术领域
本发明属于自动化控制领域,具体涉及一种超快激光加工装备光机电协同控制***,用于实现对传统数控机床、激光器、振镜加工头和视觉检测平台的有效集成。
背景技术
激光具有很多优异的光学特性,相比用传统加工,激光加工的效率明显提高;激光光斑直径可以小至微米,可用于材料表面调控或者加工微孔微槽。五轴超快激光加工装备是先进激光加工技术的发展方向是国家战略技术的制高点,国内在多轴超快激光加工方面的研究还存在很多空白。
目前国内虽然已经拥有五轴大功率激光切割设备,但在超快激光加工领域,性能先进、集视觉在线检测与七轴五联动功能为一体的超快激光加工装备还未见报道。并且由于普通数控***的不涉及激光器控制、视觉测量平台控制功能,需要借助于光机电协同控制***完成普通数控***与激光器***、视觉测量***乃至振镜加工头的协同控制。
发明内容
本发明针对以上问题,以及针对硬光路七轴超快激光加工装备的集成,提供了一种超快激光加工装备光机电协同控制***。
本发明采用如下技术方案来实现的:
一种超快激光加工装备光机电协同控制***,包括协同控制***、主工控机、数控运动平台、振镜、图像工控机、以太网交换机、激光光源和结构光三维视觉测量装置;其中,
该协同控制***运行在主工控机上,主工控机与数控运动平台、振镜、图像工控机通过以太网交换机组成局域控制网络,激光光源通过RS232串口与DB接口分别配置到数控运动平台与振镜,通过数控运动平台与振镜分别实现对激光光源开闭、出光的控制,并实现二者之间的互锁,运行在主工控机上的协同控制***通过网络通信技术协同控制数控运动平台、振镜和结构光三维视觉测量装置。
本发明进一步的改进在于,协同控制***包括主控制模块、振镜控制模块、激光器控制模块、视觉测量平台控制模块和数控运动控制模块;其中,
主控制模块通过主控制模块的时钟时刻查询外部输入状态及激光器控制模块状态、振镜控制模块状态、运动控制平台模块状态以及视觉测量平台控制模块状态,并根据外部输入状态和这些模块的状态更新自身状态、做出动作指令;
光器控制模块计有激光器控制模块的扫描时钟,通过RS232串口通信实现对激光光源的出光控制、功率控制和对激光器的调试,或者循环查询主控制模块分发的控制指令和激光光源的状态;
振镜控制模块设计有振镜控制模块的扫描时钟,通过以太网交换机和网线,借助socket通信技术独立实现对振镜加工功能的控制,或者循环查询主控制模块分发的控制指令和振镜的状态;
数控运动控制模块设计有数控运动控制模块的扫描时钟,通过以太网交换机和网线,借助数控***提供的数据访问方式,独立实现对数控运动平台控制,或者循环查询主控制模块分发的控制指令和数控运动平台的状态;
视觉测量控制模块设计有视觉测量模块的扫描时钟,通过以太网交换机和网线,借助socket通信技术实现与图像工控机的通信,从而控制相机拍照、数据传输,或者循环查询主控制模块分发的控制指令和结构光三维视觉测量装置的状态。
本发明进一步的改进在于,激光光源选用德国超快皮秒激光器EDGEWAVE,功率100W。
本发明进一步的改进在于,数控运动平台选用西门子840Dsl数控***。
本发明进一步的改进在于,图像工控机及主工控机选用研华工控机。
本发明进一步的改进在于,振镜选用德国CTI振镜。
本发明进一步的改进在于,数控运动平台包括机床底座和大理石基台;其中,机床底座上安装有五轴运动平台,用于实现X、Y、Z三个方向的平动和A、C两个方向的转动,包括安装在机床底座上的X向运动台和立柱,安装在X向运动台上的Y向运动台,以及安装在立柱上的加工头和结构光三维视觉测量装置;
大理石基台上安装有激光光源、光束传输***和功率实时在线检测装置;
光束传输***包括第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜、扩束镜、1/4波片、光闸、光学支架和光学支架;
立柱上安装有Z向电机、Z向光栅尺、Z向导轨、Z向前轴承座、Z向后轴承座和第六反光镜,立柱通过Z向导轨上安装的Z向滑块、Z向螺母、Z向丝杠连接Z向运动台,通过Z向电机转动带动Z向丝杠转动、通过丝杠螺母传动实现Z向运动台的上下运动,Z向运动台上安装着加工头支架和视觉测量装置底座,其中加工头支架用来支撑加工头,视觉测量装置底座用来支撑结构光三维视觉测量装置,Z向运动台上下移动时通过加工头支架、视觉测量装置底座带动加工头与结构光三维视觉测量装置上下运动;
在加工头中安装有第四反光镜、第五反光镜、分光镜、光路指正模块和振镜,这几个模块按照光路传递方向中心对正;
机床底座上安装有X向光栅尺读数头、X向导轨、X向电机、X向前轴承座和X向后轴承座,X向导轨上安装有X向滑块,X向前轴承座和X向后轴承座上安装有X向丝杠,通过X向电机旋转带动X向丝杠旋转,带动X向运动台沿着X向运动,X向运动台通过X向滑块的支撑和X向螺母、X向导轨实现与机床底座的连接;
工作时,第一反光镜、第二反光镜和第三反光镜用来将激光产生的光反射到第六反光镜,通过第六反光镜反射到加工头;加工头中第四反光镜用于将第六反光镜反射来的激光反射到振镜,振镜通过自身运动将光束按照设定的角度反射到分光镜,经过分光镜后的光束一部分用于加工,另一部分通过第五反光镜反射到光路指正模块中用于光路偏移校正。
本发明进一步的改进在于,X向运动台上安装有Y向导轨、Y向电机、Y向光栅尺读数头、Y向前轴承座、Y向后轴承座,通过Y向电机旋转带动Y向丝杠、Y向螺母的运动,进而带动Y向运动台沿着Y向运动,Y向运动台通过Y向滑块的支撑和Y向螺母、Y向丝杠、Y向前轴承座、Y向后轴承座实现与X向运动台的连接。
本发明进一步的改进在于,Y向运动台上安装着双转台机构,包括转台、转台电机和摆台电机。
本发明进一步的改进在于,加工时,将毛坯装夹到转台上,移动加工装备Z轴运动台到预定的位置,然后三维结构光视觉测量装置投射条纹光到毛坯表面,条纹光投射后由三维结构光视觉测量装置拍照,然后转台转动设定的角度使得毛坯处于下一个工位,重复投影拍照过程,当所需要的测量步骤完成后,将三维结构光视觉测量装置获得的数据传输到主控制机上,控制器计算机处理后获得所需要的修型轮廓数据,将加工数据传输给七轴加工中心,对毛坯进行加工,得到工件,加工后取下工件,然后加工下一个毛坯。
本发明具有如下有益的技术效果:
本发明提供的一种超快激光加工装备光机电协同控制***,该协同控制***运行在主工控机上,主工控机与数控运动平台、振镜、图像工控机通过以太网交换机组成局域控制网络,激光器通过RS232串口与DB接口分别配置到数控运动平台与振镜,通过数控运动平台与振镜分别实现对激光器开闭、出光的控制,并实现二者之间的互锁,运行在主工控机上的协同控制***通过网络通信技术协同控制数控运动平台、振镜和视觉测量***,本发明实现了激光器、振镜、运动控制平台、视觉测量平台的协同控制,从而能够实现工件轮廓的在线检测、加工数据自动传输以及运功台的七轴五联动控制。
进一步,所述的激光光源采用加工用的激光,所述的振镜采用工业加工用的振镜,所述的运动控制平台包括工业常用三轴、五轴运动平台,所述的视觉测量平台采用以工控机为计算核心的工业常用视觉测量***。
进一步,光机电协同控制***作为一通用协同控制技术框架,协同控制模块主时钟扫描周期和各个子模块时钟扫描周期可调整。此外,光机电协同控制***的模块化组合技术,各子模块之间可以任意顺序组合。
附图说明
图1为超快激光加工装备光机电协同控制硬件连接结构示意图。
图2为光机电协同控制***控制逻辑示意图。
图3为光机电***控制指令类型。
图4为光机电协同控制***应用于超快激光加工装备加工流程示意图。
图5为超快激光加工装备的结构示意图。
图6为光路***结构示意图。
图7为加工头结构示意图。
图8为机床底座及X向运动部件结构示意图。
图9为机床X向运动台及Y向运动部件结构示意图。
图10为机床Z向运动台与加工头、视觉测量装置装配关系结构示意图。
图11为机床Z向运动台及Z向运动部件结构示意图。
图12为机床Y向运动台及双转台结构示意图。
图13为超快激光加工流程示意图。
具体实施方式
下面借助实例更详细的说明本发明,但以下实例仅是说明性的,本发明的保护范围不受这些实例的限制。
如图1所示,本发明提供的一种超快激光加工装备光机电协同控制***,该协同控制***运行在主工控机135上,主工控机135与数控运动平台a、振镜31、图像工控机b通过以太网交换机c组成局域控制网络,激光光源1通过RS232串口与DB接口分别配置到数控运动平台a与振镜31,通过数控运动平台a与振镜31分别实现对激光光源1开闭、出光的控制,并实现二者之间的互锁,运行在主工控机135上的协同控制***通过网络通信技术协同控制数控运动平台a、振镜31和结构光三维视觉测量装置5。
如图2所示,所述的协同控制***的主控制模块A通过主控制模块A的时钟时刻查询外部输入状态及激光器控制模块C状态、振镜控制模块B状态、运动控制平台模块E状态以及视觉测量平台控制模块D状态,并根据外部输入状态和这些模块的状态更新自身状态、做出动作指令。
所述协同控制***的激光器控制模块C设计有激光器控制模块C的扫描时钟,可以通过RS232串口通信实现对激光光源1的出光控制、功率控制和对激光器的调试,也可以循环查询主控制模块A分发的控制指令和激光光源1的状态。
所述协同控制***的振镜控制模块B设计有振镜控制模块B的扫描时钟,可以通过以太网交换机c和网线,借助socket通信技术独立实现对振镜31加工功能的控制,也可以循环查询主控制模块A分发的控制指令和振镜31的状态。
所述协同控制***的数控运动控制模块E设计有数控运动控制模块E的扫描时钟,可以通过以太网交换机c和网线,借助数控***提供的数据访问方式,独立实现对数控运动平台a控制,也可以循环查询主控制模块A分发的控制指令和数控运动平台a的状态。
所述协同控制***的视觉测量控制模块D设计有视觉测量模块D的扫描时钟,可以通过以太网交换机c和网线,借助socket通信技术实现与图像工控机b的通信,从而控制相机拍照、数据传输,也可以循环查询主控制模块A分发的控制指令和结构光三维视觉测量装置5的状态。
如图1所示,通过本发明所述光机电协同控制***,设计并集成一七轴五联动超快激光加工***,其中激光光源1选用德国超快皮秒激光器EDGEWAVE,功率100W;数控运动平台a选用西门子840Dsl数控***;图像工控机b及主工控机135选用研华工控机;振镜31选用德国CTI振镜。通过本发明设计的光机电集成技术可以有效的集成一七轴五联动皮秒激光加工装备,用于超快激光加工制造领域。
图4为本发明的光机电协同控制***应用于超快激光加工装备加工流程示意图。如图4步骤(1)所示,将工件毛坯W装夹到转台上,光机电协同控制***控制发送控制指令到数控***,使加工装备的Z轴运动到合适的位置,当数控***运动到位后自身状态发生改变,光机电协同控制***扫描到该变化的状态,然后发送拍照指令到三维结构光视觉测量***,视觉测量***投射条纹光到工件表面,如步骤(2)所示,条纹光投射后相机拍照如步骤(3),当一次拍照完成后,视觉测量***自身状态发生改变,光机电协同控制***扫描到该状态改变后,发送指令到数控***,然后A轴C轴转动一定的角度使得毛处于下一个工位,重复投影拍照过程步骤(2)和步骤(3),当所需要的测量步骤完成后,光机电协同控制***控制视觉测量模块,将三维结构光视觉测量装置获得的数据传输到工控机WW如步骤(4),工控机WW处理后获得所需要的修型轮廓数据,随后通过光机电协同控制***将加工数据传输给数控***,对毛坯进行加工如步骤(5),加工后取下加工工件W1如步骤(6),然后加工下一个工件。
图5至图13所示为本发明光机电协同控制***应用于超快激光加工装备的装备结构简图。一种七轴五联动超快激光加工***,包括一个激光光源1,安装于大理石基台13上,大理石基台13安装于基台8上;一个光束传输***2,光束传输***2安装于大理石基台13上,包括第一反光镜22、第二反光镜25、第三反光镜28、扩束镜21、1/4波片23、光闸24、光学支架26和光学支架27,其中第一反光镜22、第二反光镜25和第三反光镜28用来将激光产生的光反射到第六反光镜1111,通过第六反光镜1111反射到加工头3,其中第六反光镜1111安装于位于立柱11上的反光镜支架1110上,为了防止环境灰尘进入光束传输***2,第六反光镜1111与光束传输***2之间安装着通光管9;加工头3中第四反光镜34用于将第六反光镜1111反射来的激光反射到振镜31,振镜31通过自身运动将光束按照设定的角度反射到分光镜33,经过分光镜33后的光束一部分用于加工,另一部分通过第五反光镜35反射到光路指正模块32中用于光路偏移校正,加工头3安装在加工头支架116上,加工头支架116安装在Z向运动台1112上,在加工头3中安装有第四反光镜34、第五反光镜35、分光镜33、光路指正模块32和振镜31,这几个模块按照光路传递方向中心对正,振镜31包括两个振镜电机、通过振镜电机带动两个反光镜片,将光束反射到加工平面的加工点上,实现平面上的轮廓激光加工,加工头3通过螺栓安装在五轴运动平台的Z轴运动台1112上,可以实现Z向上下移动;一个五轴运动平台,能够实现X、Y、Z三个方向的平动和A、C两个方向的转动,五轴运动平台基座为机床底座4,放置在地面上,机床底座4上安装有X向光栅尺读数头41、X向导轨42、X向电机43、X向前轴承座48和X向后轴承座45,X向导轨42上安装有X向滑块44,X向前轴承座48和X向后轴承座45上安装有X向丝杠47,通过X向电机43旋转带动X向丝杠47旋转,带动X向运动台10沿着X向运动,X向运动台10通过X向滑块44的支撑和X向螺母46、X向导轨47实现与机床底座4的连接,X向运动台10上安装有Y向导轨103、Y向电机101、Y向光栅尺读数头107、Y向前轴承座106、Y向后轴承座103,通过Y向电机101旋转带动Y向丝杠108、Y向螺母105的运动,进而带动Y向运动台12沿着Y向运动,Y向运动台12通过Y向滑块102的支撑和Y向螺母105、Y向丝杠108、Y向前轴承座106、Y向后轴承座104实现与X向运动台10的连接,Y向运动台12上安装着双转台机构,包括转台122、转台电机123、摆台电机121,五轴运动平台的立柱11安装于机床底座4上,立柱11上安装有Z向电机113、Z向光栅尺111、Z向导轨114、Z向前轴承座115,Z向后轴承座119,立柱11通过Z向导轨上安装的滑块1113、Z向螺母1114、Z向丝杠112连接Z向运动台1112,通过Z向电机113转动带动Z向丝杠112转动、通过丝杠螺母传动实现Z向运动台1112的上下运动,Z向运动台1112上安装着加工头支架116和视觉测量装置底座118,其中加工头支架116用来支撑加工头3,视觉测量装置底座118用来支撑结构光三维视觉测量装置5,Z向运动台1112上下移动时通过加工头支架116、视觉测量装置底座118带动加工头3与结构光三维视觉测量装置5上下运动;一个结构光三维视觉测量装置5安装于视觉测量装置底座上118上;一个功率实时在线检测装置6,安装于大理石平台上13;一个光路指正模块32,安装于加工头3中。
本发明所述激光器采用PX200-2-GF德国EDGEWAVE皮秒激光器1,激光器位于五轴运动平台旁边的大理石基台13上,大理石基台13与五轴运动平台隔离。五轴运动平台采用840Dsl数控***实现五轴联动控制,包括X、Y、Z三个移动轴和A、C两个旋转轴,具有五轴联动的功能,能够实现激光光束空间位姿的任意调整,用于光轴空间位姿调整。结构光三维测量装置5包括CCD视觉相机、条纹光投影仪,通过条纹光测量原理实现加工工件三维点云的在线生成及加工轮廓的边缘提取,结构光三维在线检测装置5安装在五轴运动平台4的Z轴运动台1112上,并且处于加工头3的下部。振镜加工头31采用CTI二维扫描振镜,包括两个振镜电机、通过振镜电机带动两个反光镜片,将光束反射到加工平面的加工点上,实现平面上的轮廓激光加工,CTI振镜31位于Z向运动台1112上,随着Z轴移动。功率实时检测部件6采用工业常用功率计、分光镜及相应的接口构成,安装于光束传输***2中用于监测激光功率,详细见图6中部件6。光路指正部件光路指正部件32包括CMOS相机、分光镜及相应的接口,安装于光束传输***2中用于对光路偏斜检测,详细见图7中部件32。
本发明工作流程基本说明见图13,首先如图13所示,将毛坯131装夹到转台122上,移动加工装备Z轴运动台1112到预定的位置,然后三维结构光视觉测量装置5投射条纹光到毛坯131表面,条纹光投射后由三维结构光视觉测量5装置拍照,然后转台122转动设定的角度使得毛坯131处于下一个工位,重复投影拍照过程,当所需要的测量步骤完成后,将三维结构光视觉测量装置5获得的数据传输到控制计算机135上,控制器计算机135处理后获得所需要的修型轮廓数据,将加工数据传输给七轴加工中心,对毛坯131进行加工,得到工件134,加工后取下工件134,然后加工下一个毛坯131。