CN101468428A - 一种闭合曲线的激光加工系统 - Google Patents

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王恒海
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Abstract

本发明公开一种闭合曲线的激光加工系统，包括：激光器；与激光器形成光路连接的激光加工头；用于承载激光加工头的带有电机的机器人本体；测量头；用于装夹加工件并且为加工提供旋转运动的旋转工作台；用于控制激光器、机器人本体和旋转工作台的控制装置；其中所述控制装置包括激光器控制单元、机器人运动控制单元和旋转工作台运动控制单元；激光器控制单元与激光器连接，机器人运动控制单元与电机相连，旋转工作台控制单元与旋转工作台连接。通过应用本系统，实现了激光器、机器人和旋转工作台的多维同步控制，而且所述加工系统开放性强，可以在不同工艺下加工中轴线不同的圆形封闭曲线。

Description

一种闭合曲线的激光加工系统
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，本发明涉及一种闭合曲线的激光加工系统。
背景技术
目前用于焊接零件的闭合曲线的激光加工系统主要是针对专门零件的加工装置，存在普适性不强的问题。在发明名称为“用于圆形加工件焊接的激光焊接设备，包含第一反射面绕中心轴旋转的光学系统”的欧洲专利EP1477264-A1中的激光加工装置，可以进行焊接、切割、打孔等加工，所述装置依靠光学系统中反射面的旋转来实现圆形轨迹焊接。在发明名称为“电机轴焊接方法，包括将不锈钢轴压入镍金属圆盘，旋转圆盘并用激光照射圆盘与轴的接缝处”的日本专利JP2004090030-A中的焊接方法，通过下部圆盘独立的转动来实现圆形轨迹的焊接。在发明名称为“用于工件圆周路径加工的设备”的美国专利US4143261中的激光焊接装置，可以通过工具手段完成圆周或椭圆轨迹的焊接。上述专利中，欧洲专利EP1477264-A1是通过光学系统的旋转实现圆形轨迹的焊接，存在光路复杂且光束传输装置运动方式受限制等问题；日本专利JP2004090030-A的圆形轨迹焊接实际上仍是在二维平面上的焊接，应为范围较窄；美国专利US4143261虽然通过增加工作台来完成圆周轨迹焊接，但激光加工头运动范围都受限制，而且当圆形轨迹在空间三维变化时，难以做出应变。
综上所述，由于现有闭合曲线激光加工技术的不足，目前闭合曲线的加工只能用于某一特定领域，对闭合曲线焊缝的加工还只局限于空间固定位姿，限制了闭合曲线激光加工的应用。
发明内容
为克服现有闭合曲线激光加工系统中的位姿受限、普适性差的缺陷，本发明提出了一种闭合曲线激光加工系统。
一种闭合曲线激光加工系统，包括：
旋转工作台，所述旋转工作台包括夹具和电机，并且所述旋转工作台可以为待加工零件提供旋转运动；
激光器和激光焊接头，所述激光焊接头与所述激光器形成光路连接，激光通过所述激光器传输到所述激光焊接头，从所述激光焊接头输出；
机器人本体，所述机器人本体带有电机，所述机器人本体用于承载所述激光焊接头；
控制装置，所述控制装置协调控制所述激光器、所述机器人本体和所述旋转工作台，对所述待焊接零件的闭合曲线进行加工；
其中，所述旋转工作台的所述夹具用于夹持待加工零件，所述夹具将待加工零件固定并使待加工零件焊缝轴线保持水平，所述夹具和所述电机相连，所述电机在所述控制装置的控制下带动所述夹具旋转，为待加工零件提供顺时针或者逆时针的水平旋转运动。
其中，所述控制装置包括激光器控制单元、旋转工作台控制单元、机器人运动控制单元和协调控制单元。
其中，所述机器人本体为5自由度框架式机器人。
其中，所述旋转工作台的夹具通过轴与所述电机相连。
其中，所述激光器控制单元与所述激光器连接，控制所述激光器的激光功率和波形。
其中，所述机器人运动控制单元包括运动控制器，所述运动控制器控制所述电机，通过所述电机带动所述机器人本体运动；并且，所述机器人运动控制单元反馈机器人的运动控制和状态信息。
其中，所述旋转工作台运动控制单元包括运动控制器、伺服放大器、光电隔离器和通用输入/输出接口；其中，运动控制器通过伺服放大器与旋转工作台相连，控制旋转工作台的电机的转动；运动控制器通过一个光电隔离器连接到通用输入/输出接口，存储旋转工作台的状态信息；并且，旋转工作台控制单元反馈旋转工作台的诸如位置、速度的运动控制和状态信息。
其中，所述协调控制单元分别与所述激光器控制单元、所述机器人运动控制单元和所述旋转台控制单元连接，实时接收所述旋转工作台、所述机器人本体和所述激光器的状态反馈信息，发出控制命令。
其中，所述机器人由所述电机带动可以沿水平方向左右移动、沿垂直方向上下移动，并且所述机器人具有绕水平方向和垂直方向转动的机械臂。
其中，所述协调控制单元包括收发机器人信号单元、收发激光器信号单元、收发旋转工作台信号单元和信号协调处理单元，所述协调控制单元还包括用于操作者与所述系统进行交互的人机交互单元。
其中，在开始加工时，所述控制装置通过所述协调控制单元的控制，使所述机器人本体带动所述激光焊接头移动到加工开始的位置，所述机器人到位后，反馈到位信号给所述控制装置。
其中，所述控制装置通过所述协调控制单元，使所述旋转工作台带动待加工的零件转动，达到匀速后，反馈速度到达信号给所述控制装置，所述控制装置控制所述激光器射出激光。
其中，所述控制装置通过接收所述旋转工作台和所述激光器的状态反馈信息，协调控制所述旋转工作台和所述激光器，按照设定的工艺进行加工。
通过应用本发明，实现了激光器、机器人和旋转工作台的多维同步控制，而且所述加工系统开放性强，可以在不同工艺下加工中轴线不同的圆形封闭曲线。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的加工系统组成示意图；
图2为控制装置的结构示意图；
图3为协调控制装置的结构示意图；
图4为加工系统加工流程图；
图5为实施例1中的一种环形焊缝；
图6为实施例2中的一种平面圆形焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的一种闭合曲线激光加工系统作进一步说明。
图1为根据本发明的实施例的加工系统组成示意图，加工系统包括机器人本体1、激光焊接头2、旋转工作台3、机器人控制柜4、控制装置5、激光器6、激光冷却装置7。机器人本体1带有电机，用于承载所述激光焊接头，机器人本体1为自由度框架式机器人；机器人本体1的框架包括：在长4米、宽3米、高2米的钢制纵向横梁上装有滑轨，并在其上安置水平横梁，水平横梁由电机带动，在纵向横梁上可以前后移动；在水平横梁上有滑轨，在滑轨上安装有垂直机械臂，在垂直机械臂的末端上，通过夹具固定激光焊接头2。激光焊接头与所述激光器形成光路连接，加工所用激光通过激光器传输到激光焊接头，从激光焊接头输出进行加工；在激光焊接头上还设置通入辅助气体的结构和助焊剂输送结构。旋转工作台包括夹具和电机，夹具用于夹持待加工零件，将待加工零件固定、夹紧并使待加工中轴线保持水平，夹具和电机通过轴相连，电机转动，带动夹具旋转，为待加工零件提供顺时针或者逆时针的水平旋转运动。激光器6带有过程现场总线通信协议，控制装置5采用单主站的线型网络拓扑结构，控制装置5设为过程现场总线的主站，激光器6设为从站。
如图2所示，控制装置5用于控制激光器、机器人本体和旋转工作台，控制装置5包括激光器控制单元3.5、旋转工作台控制单元3.3、机器人运动控制单元3.6和协调控制单元3.1。
激光器控制单元3.5通过现场总线与激光器6连接，激光器控制单元3.5对激光器实现激光功率和波形控制。
机器人运动控制单元3.6包括一个开放式运动控制器，用于控制机器人本体，运动控制器通过电机带动机器人各轴的运动，运动控制器向运动控制单元发送命令实现对电机的控制。另外，机器人运动控制单元3.6完成机器人的运动控制和状态信息(位置、速度等)的反馈。
旋转工作台运动控制单元3.3包括开放式运动控制器3.2、伺服放大器、光电隔离器和通用输入/输出(I/O)接口。运动控制器3.2通过伺服放大器与旋转工作台相连，控制旋转工作台的电机的转动，即图2中所示的伺服电机，从而控制旋转工作台的夹具的转动；运动控制器3.2通过一个光电隔离器连接到一个通用输入/输出(I/O)接口3.4，用来存储旋转工作台的状态信息；并且旋转工作台控制单元3.3完成旋转工作台的运动控制和状态信息(位置、速度等)的反馈。激光器控制单元3.5、机器人运动控制单元3.6和旋转台控制单元3.3分别与协调控制单元3.1连接。
控制装置5除了单独给电机、激光器和旋转工作台发送命令外，更重要的是使三者相互协调，协调控制单元3.1通过线程实时接收旋转工作台电机和机器人本体上电机的反馈状态信息，并对信息做出解释，判断是否需要协调激光器(如启动、停止、更改功率波形等)并根据判断结果发出相应的控制命令。如图3所示，协调控制单元3.1包括收发机器人信号单元、收发激光器信号单元、收发旋转工作台信号单元和信号协调处理单元，协调控制单元还包括用于操作者与所述闭合曲线激光加工系统进行交互的人机交互单元，即控制软件，协调控制单元安装于控制装置内。
在本实施例中，控制装置的协调控制单元3.1与运动控制器3.2通过PCI总线连接，激光器控制单元3.5与激光器6通过PFOFIBUS现场总线连接，系统采用3000W YAG脉冲激光器，功率在3000瓦以内可调，并可在脉冲或连续两种模式下工作。PROFIBUS网络适配卡选用西门子公司的CP5611通讯卡，开放式运动控制器选用美国GALIL公司的DMC数字运动控制器。
本发明的闭合曲线激光加工系统可用于闭合曲线的焊接、切割、打孔等本领域熟知的各种加工。
在本实施例中，如图4所示，加工系统开始焊接后，依次打开循环水、气阀、激光器电源、机器人控制电源和旋转工作台控制电源，对系统中的现场总线和控制器等设备进行初始化、对机器人复位、清空缓存控制装置缓存；进而对系统进行诊断，通过各设备反馈的信息来判断系统各部分是否可以正常工作，若系统不正常，则报错，返回。确认系统正常后运行焊接控制，控制激光器、机器人和旋转工作台的先后或同步动作来完成焊接加工。
焊接时，待加工的如图5所示的45#钢圆筒的两部分通过夹具装夹在旋转工作台3上，控制装置5通过协调控制单元3.1发命令给机器人控制单元3.6，使机器人1带动激光焊接头移动到焊接开始的位置，机器人到位后，反馈到位信号给控制装置5。然后，控制装置5通过协调控制单元3.1发命令给旋转工作台控制单元3.3中的运动控制器3.2，运动控制器3.2将命令信号发给伺服放大器，信号经伺服放大器放大后传到旋转工作台的伺服电机，控制旋转工作台中的伺服电机转动，电机与旋转工作台上的夹具相连，通过夹具带动待加工的45#钢圆筒先转动，达到匀速后反馈速度到达信号给控制装置5，控制装置5控制激光器6启动开始出激光。控制装置5通过接受旋转工作台3和激光器6的反馈信息并向二者发送相应运动命令，协调控制旋转工作台3和激光器6按设定的工艺进行加工，焊接结束后控制装置5发送命令使激光器6和旋转工作台3停止运行，焊接加工结束。
在根据本发明的另一实施例中，加工系统用于焊接如图6所示的平面闭合圆形焊缝，焊接时，使待焊接面水平放置，并固定在工作台上，将焊接系统进行初始化，开始焊接时，控制装置5通过协调控制单元3.1发命令给机器人控制单元3.6，控制机器人1做圆周运动，同时，控制装置5控制激光器6启动开始出激光。控制装置5通过接收机器人3和激光器6的反馈信息并向二者发送相应运动命令，协调控制机器人运动速度及激光器出光时间和功率使焊接按照设定工艺进行焊接。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，并且在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范围内。

Claims (13)

1、一种闭合曲线的激光加工系统，包括：
旋转工作台，所述旋转工作台包括夹具和电机，并且所述旋转工作台可以为待加工零件提供旋转运动；
激光器和激光焊接头，所述激光焊接头与所述激光器形成光路连接，激光通过所述激光器传输到所述激光焊接头，从所述激光焊接头输出；
机器人本体，所述机器人本体带有电机，所述机器人本体用于承载所述激光焊接头；
控制装置，所述控制装置协调控制所述激光器、所述机器人本体和所述旋转工作台，对所述待加工零件的闭合曲线进行加工；
其中，所述旋转工作台的所述夹具用于夹持待加工零件，所述夹具将待加工零件固定并使待加工零件中轴线保持水平，所述夹具和所述电机相连，所述电机在所述控制装置的控制下带动所述夹具旋转，为待加工零件提供顺时针或者逆时针的水平旋转运动。
2、权利要求1的系统，其中，所述控制装置包括激光器控制单元、旋转工作台控制单元、机器人运动控制单元和协调控制单元。
3、权利要求1的系统，其中，所述机器人本体为5自由度框架式机器人。
4、权利要求1的系统，其中，所述旋转工作台的夹具通过轴与所述电机相连。
5、权利要求2的系统，其中，所述激光器控制单元与所述激光器连接，控制所述激光器的激光功率和波形。
6、权利要求2的系统，其中，所述机器人运动控制单元包括运动控制器，所述运动控制器控制所述电机，通过所述电机带动所述机器人本体运动；并且，所述机器人运动控制单元反馈机器人的运动控制和状态信息。
7、权利要求2的系统，其中，所述旋转工作台运动控制单元包括运动控制器、伺服放大器、光电隔离器和通用输入/输出接口；其中，运动控制器通过伺服放大器与旋转工作台相连，控制旋转工作台的电机的转动；运动控制器通过一个光电隔离器连接到通用输入/输出接口，存储旋转工作台的状态信息；并且，旋转工作台控制单元反馈旋转工作台的诸如位置、速度的运动控制和状态信息。
8、权利要求2的系统，其中，所述协调控制单元分别与所述激光器控制单元、所述机器人运动控制单元和所述旋转台控制单元连接，实时接收所述旋转工作台、所述机器人本体和所述激光器的状态反馈信息，发出控制命令。
9、权利要求3的系统，其中，所述机器人由所述电机带动可以沿水平方向左右移动、沿垂直方向上下移动，并且所述机器人具有绕水平方向和垂直方向转动的机械臂。
10、权利要求3的系统，其中，所述协调控制单元包括收发机器人信号单元、收发激光器信号单元、收发旋转工作台信号单元和信号协调处理单元，所述协调控制单元还包括用于操作者与所述系统进行交互的人机交互单元。
11、权利要求10的系统，其中，在开始加工时，所述控制装置通过所述协调控制单元的控制，使所述机器人本体带动所述激光焊接头移动到加工开始的位置，所述机器人到位后，反馈到位信号给所述控制装置。
12、权利要求10的系统，其中，所述控制装置通过所述协调控制单元，使所述旋转工作台带动待加工的零件转动，达到匀速后，反馈速度到达信号给所述控制装置，所述控制装置控制所述激光器射出激光。
13、权利要求12的系统，其中，所述控制装置通过接收所述旋转工作台和所述激光器的状态反馈信息，协调控制所述旋转工作台和所述激光器，按照设定的工艺进行加工。
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