CN200977592Y - 一种具有多轴联动的激光柔性加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有多轴联动的激光柔性加工装置，由激光器、框架结构、激光加工头、测量头和计算机组成，还包括一根光导纤维、一光学变换器；所述的框架结构是在纵向横梁上装有滑轨，在其上设有一由电机带动的水平横梁，在水平横梁上有滑轨，在水平横梁的滑轨上安装一由电机带动的垂直机械臂；光学变换器、激光加工头和测量头均通过固定件安装在垂直机械臂下端；激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光器的电源、测量头和驱动机械臂移动的电机相连接；导轨及运载小车设置在所述的框架结构的横梁下方。本实用新型加工精度高、测量速度快、可缩短大型加工件的测量周期。

Description

一种具有多轴联动的激光柔性加工装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术，特别是涉及一种采用柔性光导纤维传输激光，经过光束变换，具有多轴联动的机械部分、导轨及运载小车以及智能测量的多功能光机电数控一体化的激光加工及工艺装置。

背景技术

目前激光加工装置可分为三大类：一是机械臂式激光加工机器人，二是激光加工中心，三是激光加工专用设备。在美国专利号US4870246、名称为“激光加工机器人用于切割与焊接”的文件中，介绍了一种采用框架式结构，使加工机器人沿水平和垂直线性运动、在垂直平面内的旋转运动和以中空加工臂为中心的二到三维极坐标运动，来完成加工动作。在美国专利号US5221823、名称“激光机械设备用于焊接与切割”文件中，介绍了一种关节臂式机器人，这两种装置共同特点，都是激光传输采用光学折返镜式传输***，通过中空的腔式结构，将大功率激光从激光器传到加工面。图1给出了专利号US5221823“激光机械设备用于焊接与切割”文件中所采用的传输装置。可以看出，这种传输激光的方法为了保证激光传递光路的正确，传输装置的运动方式十分受限制，不仅加工中机器人的运动控制较为复杂，而且也使利用现有机械装置进行激光加工装备的改造难度增大。上述两种专利技术的设备中第三个缺陷是：都只是通过光学折返镜式传输***，将激光直接由激光器传到加工面，而未对加工中使用的激光作进一步的处理。这虽然是目前激光加工设备主要采用的方式，但由于在实际工业生产中，针对不同的加工，激光的空间分布和强度分布要求也会有不同，因此，这种直接使用激光器加工的设备，大多只能以专用设备的形式出现，适用面较窄，远远满足不了实际需要。另外，目前的激光加工设备，基本上均为单纯的加工设备，自身不具备测量能力，因此加工的精确性在很大程度上依赖于加工工件外形尺寸，如果工件由于某种原因没有工件外形设计数据，则须借助于外部的测量设备，这又产生了测量数据与加工数据之间出现误差问题。

专利号为98101217.5的发明专利“一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置”，在该发明专利的实际应用中遇到了如下的一些问题：加工件的装载问题，特别是在生产线上如何实现加工件的自动装载与卸载；该发明专利中的定位圆盘装置用于实现测头与激光加工头的换位，但在实际应用中该装置易产生与周边环境的碰撞干涉，对加工造成不利影响。

综上所述，由于现有激光加工技术的不足，目前的激光加工设备大多只能用于某一特定的领域，限制了激光加工设备在工业上的广泛应用。

实用新型内容

为了解决现有的激光加工装置所存在的问题，从而提供一种在保证加工精度的同时，具有较大的加工范围和很好的工业适用性，既可用于曲面打孔、切割与焊接，又可用于材料表面处理、快速原形和模具制造等多种工业用途，结构更为合理，功能更为完善，可独立完成智能测量和工件加工，具有较高的性能价格比的柔性传输和多轴联动的多功能光机电数控一体化的激光加工及工艺装置。

本实用新型的目的是这样实现的：提供具有具有多轴联动的激光柔性加工装置，其工作原理图如图2所示。它由激光器、框架结构、激光加工头、测量头和计算机组成的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，包括一根光导纤维、一光学变换器；所述的框架结构是在纵向横梁上装有滑轨，在其上设有一由电机带动可以前后移动的水平横梁，在水平横梁上有滑轨，在水平横梁的滑轨上安装一由电机带动既可以沿水平方向左右移动，也可垂直于水平横梁上下运动的垂直机械臂；光学变换器、激光加工头和测量头均通过固定件安装在垂直机械臂下端：或在垂直机械臂下端联接1-2节不同种类的机械臂，再在该种类的机械臂下端将光学变换器、激光加工头和测量头通过固定件安装于其上；激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光器的电源、测量头和电机相接；其特征在于，还包括导轨及运载小车设置在所述的框架结构的横梁下方；所述的固定件是夹具，包括垂直机械臂下端的夹具和在机械臂的侧面的一个夹具，用以在测量时临时装卡激光加工头。

所述的在垂直机械臂下端联接1-2节不同种类的机械臂是：一绕垂直机械臂中轴线360°旋转的旋转关节或摆动关节。其中由激光器发出的激光通过柔性光导纤维传输到光学变换器，在这里通过付立叶光学变换使激光改变其空间强度的分布，通过激光加工头聚焦输出，使用本装置2到5轴的运动方式，利用外部数据和使用测量头所测的数据，由计算机控制激光加工头对工件进行加工。由于加工用激光是通过光导纤维柔性传输的，不受机械运动的影响，具体的机械装置，既可如上所述采用三轴运动方式，也可根据需要，采用2到5轴的运动方式；既可专门研制，也可利用现有设备改造而成。通过计算机控制，始终保持激光加工头沿被加工面法线运动时的动作姿态，进行差补，以实现多轴联动，即可在三维空间内进行大范围、高精度和灵活快速的激光加工，包括在曲面上打孔、切割和焊接，表面强化处理以及快速原形和模具的制造等。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型的具有多轴联动的激光柔性加工装置，采用成熟的工业大功率激光光源，通过柔性光导纤维传输激光，在选择相应的激光器后，不必再对机械运动部分进行复杂的改造，从而简化了激光加工头的结构，减轻了重量，操作和维修也都更加方便和安全；对激光束进行变换以适应不同的要求，从而提高了激光加工的灵活性：计算机控制的多轴联动机械运动部分，加工动作灵活，可实现2～5维运动，可用于大型工件的平面和复杂曲面的打孔、切割、焊接、表面处理、快速原形和模具制造等多种工业用途，加工精度高；它具有自适应智能测量功能，可对类似于轿车外壳冲压模具这样大尺寸的工件进行在线实测，测量速度快，精度高，可缩短大型加工件的测量周期；性能价格比高，可用于对现有的机械加工设备的改造。

附图说明

图1：现有技术中激光传输装置示意图。

图2：本实用新型的柔性传输和多轴联动激光加工装置工作框图。

图3：本实用新型提供的一种具有柔性传输和五轴联动激光加工装置结构示意图。

图4.1：本实用新型的激光加工头运动姿态示意图。

图4.2：本实用新型的激光加工头二维旋转运动示意图。

图5：本实用新型的一种智能化测量头示意图。

图6：本实用新型用于表面强化加工时光束变换示意图。

图7：本实用新型实施例1中计算机控制的工作流程图。

图8：本实用新型实施例中的导轨和小车示意图；

图9：本实用新型实施例中的加工头及夹具示意图；图9中左侧(a)图表示当进行加工时，激光加工头6安装在工作装卡装置上；右侧(b)图表示当进行测量时，将激光加工头6由工作装卡装置取出并装卡于夹具12上，而激光加工头6的工作装卡装置则用于装卡测量头4.1，进行测量，这样测量头4.1与激光加工头6属于同位同轴装卡，测量数据可直接用于加工，起到定位的作用。

图面说明如下：

1.1----激光冷却装置，1.2----激光器；

2----光导纤维；3----光学变换器；

5.0----框架结构，5.1----摆动关节，5.3----水平横梁，5.4----旋转关节，5.5----垂直机械臂，5.6----纵向横梁；

6----激光加工头；7----计算机；8----加工工件；

9----激光在加工面上形成的二维光斑分布；

10----车体；10.1----导轨；10.2----遥控器；10.3----加工件；

11----测量头所走过的轨迹；12----新安装夹具；JI表示X向水平运动；J2表示Y向水平运动；J3表示Z向垂直运动；J4表示激光加工头绕加工中轴线的转动；J5表示激光加工头的摆动。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型为解决加工件的装卸载问题，在装置***中设置了运载小车。如图8所示，运载小车主要由车体和导轨及遥控器几部分构成。可由遥控器控制其沿导轨运动。如图3和图8所示，当需要加载加工件时，可使小车沿导轨运动至机器人框架结构以外，加载加工件后，使小车回到机器人框架范围内，并选则合适的位置停放。在加工件加工完成后，小车载着加工件驶出机器人框架范围并卸载加工件。

本实用新型为解决现有装置***中定位圆盘装置在加工中易产生碰撞干涉的问题，对加工头装置进行了改进，取消了定位圆盘。如图9所示，在机器人垂直机械臂下端侧面添加了激光头装卡装置(夹具)。当进行测量时，将激光头由原装卡部位取出并装卡于上述夹具，而原激光头的装卡装置则用于装卡测头进行测量，这样测头与激光头属于同位同轴装卡，测量数据可直接用于加工，起到了原定位圆盘的作用，又避免了同位圆盘在加工过程中易出现碰撞干涉的问题。

实施例1

制作一台具有柔性传输和2轴联动的激光加工装置。在长4m宽3m高2.0m(米)的钢梁纵向横梁5.6上装有滑轨，并在其上安置一水平横梁5.3，水平横梁5.3由电机带动在纵向横梁5.6上可以前后移动；在水平横梁5.3上有滑轨，可在其上安装一垂直机械臂5.5，在垂直机械臂末端用夹具把激光加工头6、测量头4.1和光学变换器3固定住，采用功率100W-500W的近红外波长激光器，用一根介质实心的光导纤维将激光器和光学变换器3相连接，计算机7连接激光器1.2、光学变换器3和测量头4，其工作流程图如图7所示。

实施例2

制作一台具有柔性传输和3轴联动的激光加工装置。同实施例1相同，只是采用了可上下移动的垂直机械臂。

实施例3

制作一台具有柔性传输和4轴联动的激光加工装置。同实施例2相同，它还在垂直机械臂5.5下端用固定件固定一可带动另一机械臂绕垂直机械臂5.5中轴线旋转的转动关节5.4，并在转动关节5.4上用固定件固定激光加工头6、光学变换器3、测量头4。

实施例4

制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置。同实施例3相同，它还在转动关节5.4上安装一可做摆动运动的机械臂5.1。装置如图3所示，其中钢制框架结构5长4.5米，宽3.1米，高2.0米，在纵向横梁5.6上装有滑轨，水平横梁5.3可以在其上由电机带动前后移动。水平横梁5.3上也装有滑轨，可供安装于其上的垂直机械臂5.5可沿水平方向左右移动，同时机械臂5.5上的电机又带动它可以上下移动。垂直机械臂5.5的下端装有可绕垂直机械臂中轴线360°旋转的转动关节5.4，它又连接着可作摆动的关节5.1，图4.2表示了这种结构的运动方式，图4.1表示始终保持激光加工头6沿被加工面法线运动时的动作姿态。测量头4.1与激光加工头均通过夹具装于这个关节上，激光加工头6和测量头4.1的固定可使用夹具：即将激光加工头6和测量头4.1通过夹具直接安装到机械臂5.5上；计算机7连接着激光器1、多轴联动的机械部分5和测量装置4，它负责控制输出激光的参数、在线地处理测量装置获得的工件外形尺寸数据及控制多轴联动的机械部分加工动作。激光柔性传输部分2采用低损耗、高功率的工业光导纤维2，它连接在激光器1.2与光学变换器3之间，在完成激光功率或能量的传输时，不受机械运动的限制.光学变换器可对激光器产生的激光按加工的要求进行付立叶光学变换处理。通过对入射光束的变换，可在加工平面上产生满足要求的光强分布。对于不同的工业加工需求，只需换用相对应的光束变换和聚焦部件，即可得到满足要求的激光束。智能化测量头通过计算机控制测量头沿工件表面的运动(它可智能地进行数据采集和运动)在线地获取工件外形曲面的数据，如图5所示。由于测量部分与加工部分使用同一套机械运动装置，这样既简化了结构，又便于测量数据与加工数据的协调。多轴联动机械部分，通过计算机控制，可产生激光加工所需的动作。在本实施例中说明了又一种机械联动结构方式和两种固定激光加工头、测量头的方式，计算机控制部分同实施例1相同。

实施例5

制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，它用于曲(平)面上的激光打孔、切割。利用实施例4述及的多功能5轴联动激光加工装置上，只是在激光加工头6上配装可在打孔与切割中通入辅助气体的装置，例如激光加工头的侧壁连接一根管子到气瓶上。以防止加工表面的氧化。可对大尺寸工件的平面或复杂曲面施行高精度的打孔和切割加工。这种借助于辅助吹气结构和适当的光束变换与聚焦***而完成的打孔和切割无需后续处理，重复性好，精度高；加工热影响区小，不产生变形；可控性好，加工过程可一次完成。在进行平面加工时，保持激光加工头姿态的固定，利用框架结构带动激光加工头产生平面运动，可完成大面积板材上多点打孔和复杂边界形状工件切割的要求。在进行曲面加工时，利用二维旋转机构可实现激光加工头在空间任意点的法线姿态，满足打孔与焊接需要加工激光垂直于加工面的要求，如图4.1和图4.2所示。可满足航空发动机叶片打孔以及汽车车身先进制造技术中的板壳切割与裁剪这类有复杂曲面形状零件的加工要求，并具有较高的精度。

实施例6

制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，它用于曲(平)面上的激光焊接。使用实施例4述及的多功能5轴联动激光加工装置，只是在激光加工头6上配装助焊剂输送结构，即可完成大面积的平面或复杂表面形状的曲面工件的焊接加工。根据焊缝的形状、材料以及工艺要求，对光束进行变换，并通过编程送入激光加工***一次完成加工，可控性好，焊缝质量比较有保证。在焊接过程中，由于被焊接的材料不同，所要求的聚焦后光斑形状也不同，使用的助焊剂也不同，加上有些焊接轨迹是空间曲线，因此需要一个五维动作数控***。

实施例7

制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，它用于工件表面处理，包括相变强化，熔凝，涂敷，合金化等，特别是模具的表面处理。利用实施例4的装置，可对某些覆盖件模具和塑料模具进行表面处理。通过付立叶光学变换技术产生的特定的光强分布，可对激光进行空间强度变换，在一次单脉冲焦平面上产生二维的光斑列阵，极大地提高了处理速度(达2～3个数量级)，如图6所示。利用多轴联动激光加工装置，可完成对具有复杂曲面外形的模具表面的强化处理，以提高模具的质量和使用寿命。由于需要表面强化的模具，生产单位并不一定将产品设计数据提供给使用者，或是设计数据与激光加工所需数据格式不同且难以转换，或是在生产中出现磨损而需再次强化的模具，因此在加工时必须结合测量部分，以获取所加工模具的精确三维尺寸。通过使用智能测量头，采用如图5所示的方式对模具表面进行扫描，可以在线地还原模具的外形。由于测量头与加工部分使用同一套运动机构，一方面降低了成本，另一方面也可以保证测量头与激光加工头位置的吻合，使测量数据可以立即形成加工数据完成加工，大大缩短了生产周期。

实施例8

制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，用于曲(平)面的激光切割、焊接。利用实施例4述及的多功能5轴联动激光加工装置及实施例5中的辅助气体输送装置，添加小车***(车体10，导轨10.1，遥控器10.2)，并在垂直机械臂下端侧面添加一新安装夹具12。如图3及图8所示，加工时，小车由遥控器遥控驶出机器人框架范围，加载加工件10.3后再驶入机器人框架范围，并停放在一合适位置。此时车体起到工作台的作用。如图9所示，将激光加工头6由原装卡位置取出，并将其装卡于新安装夹具12中。将测量头4.1装卡于原激光加工头装卡位置，从而保证测量头与激光加工头位置的吻合，使测量数据可以立即形成加工数据完成加工。测量完成后，将测量头4.1取出，将激光加工头6由新安装夹具中取出，重新装卡于原位置。进而利用测量数据生成加工数据进行加工。加工完毕后，小车载着加工件10.3驶出机器人框架范围并进行卸载。从而完成一次加工。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种具有多轴联动的激光柔性加工装置，由激光器、框架结构、激光加工头、测量头和计算机组成，其特征在于，还包括一根光导纤维、一光学变换器；所述的框架结构是在纵向横梁上装有滑轨，在其上设有一由电机带动可以前后移动的水平横梁，在水平横梁上有滑轨，在水平横梁的滑轨上安装一由电机带动既可以沿水平方向左右移动，也可垂直于水平横梁上下运动的垂直机械臂；光学变换器、激光加工头和测量头均通过固定件安装在垂直机械臂下端；或在垂直机械臂下端联接1-2节不同种类的机械臂，再在该种类的机械臂下端将光学变换器、激光加工头和测量头通过固定件安装于其上；激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光器的电源、测量头和驱动机械臂移动的电机相连接；导轨及运载小车设置在所述的框架结构的横梁下方。

2.按权利要求1所述具有多轴联动的激光柔性加工装置，其特征在于，所述的在垂直机械臂下端联接1-2节不同种类的机械臂是一绕垂直机械臂中轴线360°旋转的转动关节，并在该转动关节下端用固定件固定激光加工头、光学变换器、测量头。

3.按权利要求2所述具有多轴联动的激光柔性加工装置，其特征在于：所述的在垂直机械臂下端联接1-2节不同种类的机械臂是在一绕垂直机械臂中轴线360°旋转的转动关节上连接一可做摆动运动的摆动关节，并在其摆动关节下端用固定件固定激光加工头、光学变换器、测量头。

4.按权利要求1～3所述的任意一项具有多轴联动的激光柔性加工装置，其特征在于：所述的在垂直机械臂下端用固定件固定激光加工头、光学变换器、测量头的固定件是夹具，包括垂直机械臂下端的夹具和在机械臂的侧面的一个夹具。

5.按权利要求1～3所述的任意一项具有多轴联动的激光柔性加工装置，其特征在于，还包括在激光加工头上设置一通入辅助气体的结构。

6.按权利要求1～3所述的任意一项具有多轴联动的激光柔性加工装置，其特征在于，还包括在激光加工头上设置一助焊剂的输送结构。

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