CN101690994A

CN101690994A - 一种数控激光加工装置

Info

Publication number: CN101690994A
Application number: CN 200910272362
Authority: CN
Inventors: 曾晓雁; 胡乾午; 杜敏; 高明; 李祥友; 段军; 吴哪吒
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-04-07

Abstract

本发明公开了一种多轴联动数控激光加工装置，其结构为：龙门框架的横梁上安装有直线导轨，机器人滑台安装在直线导轨上，第一伺服电机安装在龙门框架的立柱上，电机控制机器人滑台沿直线导轨移动；机器人固结在机器人滑台上，通过滑台倒挂在龙门立柱的横梁上面，激光加工头安装在机器人上；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；工作台位于龙门框架的下方，床头箱固定在工作台的端部，尾座活动安装在工作台上；第二伺服电机控制工作台上的待加工工件与龙门框架相对移动；控制器分别通过控制线与机器人及滑台连接。该装置提高了激光加工的柔性化和自动化控制能力，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

一种数控激光加工装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种数控激光加工装置。该装置可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，尤其适用于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。特别是激光加工装置的“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系统、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)，激光加工工艺将会发生性质的变化，如从激光切割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、控制系统等几乎无需改动。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装置，实现智能柔性加工。

目前的机器人激光加工装置常有两种形式：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的反射传输的CO2激光器的激光加工要求；另一种是基于多轴机器人的激光加工装置，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激光器因其光束难以用光纤传输，因此很少使用机器人作为加工系统。

现有的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。一般为五个自由度，称为五轴联动激光加工装置，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.对数控和伺服系统要求高。由于五轴加工要协调控制五个轴，数控系统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，要求数控系统要有极高的运算速度。

激光机器人加工系统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显得较为狭窄，对于大型工件，如大型模具、机车车身、船舶等大型复杂零件的加工无能为力。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种数控激光加工装置，该装置不但提高了激光加工装置的柔性化和自动化控制能力，降低了数控编程的难度，而且大幅提高了激光加工效率和加工零件尺寸范围，特别可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。

本发明提供的数控激光加工装置包括激光器，冷却机，龙门框架，机器人滑台，机器人，床头箱，工作台，立柱导轨，第一、第二伺服电机，控制器，尾座和激光加工头；

龙门框架的横梁上安装有直线导轨，机器人滑台安装在龙门框架的横梁上的直线导轨上，第一伺服电机安装在龙门框架的立柱上，第一伺服电机控制机器人滑台沿直线导轨移动；

机器人为三轴以上的工业机器人，固定安装在在机器人滑台上，通过机器人滑台倒挂在龙门立柱的横梁上面，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；

工作台位于龙门框架的下方，床头箱固定在工作台的端部，尾座活动安装在工作台上；第二伺服电机控制工作台上的待加工工件与龙门框架相对移动；

控制器分别通过控制线与机器人及机器人滑台连接。

上述技术方案可以采用下述改进方式的一种或几种予以优化：(一)机器人滑台包括滑座和限位开关，滑座的底部上设有与直线导轨配合的凸台，限位开关装在滑座两侧，通过信号线接到第一伺服电机；在滑座中部安装有一个滚珠丝杠螺母，滚珠螺杆位于龙门框架的横梁中间，中部与安装在滑座上的滚珠丝杠螺母相配合，末端与第一伺服电机相连。(二)工作台两侧对称安装有第一、第二立柱导轨，龙门框架的两个立柱安装在立柱导轨上，构成机械滑台结构，第二伺服电机驱动龙门框架沿立柱导轨移动。(三)工作台的滑槽上安装有滑鞍，第二伺服电机带动滑鞍沿工作台上的滑槽移动。

本发明装置可以实现一种新的数控激光加工方式，它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系统编程复杂、控制较难和费用高的缺陷，而且解决了关节机器人激光加工装置加工范围小的问题。具体而言，本发明具有以下技术效果：

1.采用移动龙门结构，机器人可以沿着龙门立柱横梁方向直线运动，同时立柱可以沿着直线导轨纵向移动，增加了两个自由度，大大提高了机器人的加工范围，从而提高了加工系统的加工范围；

2.采用固定龙门结构，机器人也可以沿着龙门立柱横梁方向直线运动，同时工作台滑鞍可以沿着工作台纵向运动，同样增加了系统两个自由度，大大提高了加工系统的加工范围；

3.采用先进的多轴关节机器人，提高了系统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系统，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系统，从而使整个加工中心的控制系统设计得到简化；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，从而整个系统的成本也将降低。

4.该加工系统的“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。

5.工作台都采用数控机床形式，是工件的装夹和加工都非常方便，从而使该加工中心具有很大通用性。

6.激光加工头可以根据加工需要进行跟换，大大提高了加工的通用性和实用性。

7.将机器人的六个轴以及系统其它轴的运动集成到控制器进行控制，可以实现系统的多轴联动控制。

附图说明

图1为本发明装置的一种具体实施方式的结构主视图；

图2为图1的左视图；

图3为机器人滑台4的主视图；

图4为本发明装置的另一种具体实施方式的结构主视图；

图5为图3的左视图；

图6为图3的俯视图。

具体实施方式

本发明均能满足对大型工件的激光加工、控制相对简单、成本较低的要求。

下面通过借助实施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、2所示，本发明提供的多轴联动数控激光加工装置包括激光器1，冷却机2，龙门框架3，机器人滑台4，机器人5，滚珠螺杆6，床头箱7，工作台8，立柱导轨9、9’，第一伺服电机10，控制器11，龙门立柱驱动系统12，尾座13，激光加工头14。

激光器1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2通过冷却管分别与激光器1及激光加工头14相连，它通过冷却管将冷却介质(水或者是空气)压入到激光器1和激光加工头14中，对激光器1的部件和激光加工头14中的镜片进行冷却，然后将介质循环到冷却机中。

龙门框架3主要用来支撑多轴工业机器人并扩大机器人的加工范围。龙门框架3的横梁上安装有第一直线导轨19。

工作台8固结在地基上，并位于龙门框架3的下方。工作台台面分布有等距的T型槽，可以安装不同大小的夹具，从而达到加工不同大小工件的目的。

立柱导轨9、9’也为直线导轨，对称安装在工作台8两侧。龙门框架3的两个立柱安装在立柱导轨9、9’上，与立柱导轨9、9’构成机械滑台结构。第二伺服电机12安装在其中一个立柱导轨旁，与机械滑台进给部分相连，驱动龙门框架3可以沿立柱导轨9、9’移动。

机器人滑台4安装在龙门框架3的横梁上的直线导轨19上。机器人滑台4包括滑座15和限位开关16。滑座15的底部上设有与直线导轨19配合的凸台18，可沿直线导轨19进行移动。限位开关16装在滑座15两侧，通过信号线接到第一伺服电机10，当滑座15移动到直线导轨19的两个末端时，限位开关15将会报警并会使第一伺服电机10紧急停止。

在滑座15中部安装有一个滚珠丝杠螺母17，滚珠螺杆6位于龙门框架3的横梁中间，中部与安装在滑座15上的滚珠丝杠螺母17相配合，末端与第一伺服电机10相连。滚珠螺杆6与滚珠丝杠螺母17组成一对丝杠副，从而达到承载机器人横向移动的功能。

第一伺服电机10安装在龙门框架3立柱上，伺服电机的主轴与滚珠螺杆6的一端相连接，主要用来驱动和控制丝杠运动。

通过伺服电机10带动滚珠丝杠副运动，后者带动机器人滑台4在横梁导轨上移动。

机器人5一般采用三轴至六轴的工业机器人，固结在机器人滑台4上，通过机器人滑台4倒挂在龙门立柱4的横梁上面，可以随着机器人滑台4的移动而同步移动。多轴工业机器人在控制器11的控制下，将激光加工头14送到指定的位置，从而完成对工件三维立体加工。

激光加工头14通过法兰盘固结在机器人1的最后一个关节末端，并通过光纤与激光器1相连。激光加工头14相当于机械加工中的刀具。激光加工头14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。

床头箱7和尾座13均安装在工作台8上，用来加紧工件和控制工件转动的速度。床头箱7固定在工作台一端，尾座安装在工作台8上面的型槽上，可以沿着T型槽进行运动。尾座可以采用通用的结构，包括尾座基座和顶尖构成，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T型槽里进行移动，达到调整顶尖与床头箱7的距离，从而使加工系统能加工不同尺寸范围的工件。

控制器11是整个加工系统的核心部分，它具备下面几个功能：

1.控制多轴工业机器人4的运动。我们可以通过操作面板手动控制机器人各轴运动，也可以通过示教编程或者离线编程控制机器人按照我们预定的轨迹进行运动。

2.控制龙门加工机床的另外三个轴运动。工作台床头箱7的伺服电机、第一伺服电机以及第二伺服电机都通过I/O接口连接到机器人的控制器上，这样我们就可以通过控制器11来设置它们的运动参数，包括转动速度和转动圈数，相当于将6关节机器人扩展成为6+2轴或者6+3轴机器人结构。

3.控制激光器1。激光器1通过I/O接口连接到控制器上，这样我们就可以通过控制器控制激光器1的开光、关光以及激光器的功率设置等。

工作流程：

1.测试加工中心的各部分是否运行正常，包括激光器1、冷却机2、机器人5、工作台8和激光加工头14等。

2.根据待加工零件的长度调整床头箱7、尾座13的距离，将待加工零件装夹在床头箱7和尾座13之间。

3.在机器人5调整到加工的初始位置，并建立基坐标系和工具坐标系。

4.根据待加工工件的三维几何尺寸，运用机器人语言进行离线编程。

5.将编程程序输入控制器11，并示教测试。

6.测试结果无误后，进行正式加工。

7.加工完毕，关闭加工中心各部件。

本发明装置也可以采用如图4所示的结构，它包括以下几个部分：激光器1，激光冷却机2，龙门框架3，滑台4，机器人5，滚珠螺杆6，工作台8，滑鞍20，第一伺服电机10，控制器11，第二伺服电机12，激光加工头14。该结构与图1所示的结构有以下区别：

(1)龙门框架3与上一方案中龙门框架3不同，龙门框架3固定在工作台中部，不能移动；

(2)滑鞍20安装在工作台8的滑槽上，可以在第二伺服电机12的作用下沿着工作台进行运动

在功能上区别是：龙门移动式方案是依靠龙门框架3的运动来扩大系统的加工范围；而龙门固定式是依靠滑鞍20来扩大系统的加工范围。

其他部件在功能和结构上基本与前一种方案相同。

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

1.一种数控激光加工装置，其特征在于：

该装置包括激光器(1)，冷却机(2)，龙门框架，机器人滑台(4)，机器人(5)，床头箱(7)，工作台(8)，立柱导轨，第一、第二伺服电机(10、12)，控制器(11)，尾座(13)和激光加工头(14)；

龙门框架的横梁上安装有直线导轨，机器人滑台(4)安装在龙门框架(3)的横梁上的直线导轨(19)上，第一伺服电机(10)安装在龙门框架(3)的立柱上，第一伺服电机(10)控制机器人滑台(4)沿直线导轨(19)移动；

机器人(5)为三轴以上的工业机器人，固定安装在机器人滑台(4)上，通过机器人滑台(4)倒挂在龙门立柱(4)的横梁上面，激光加工头(14)安装在机器人(5)的最后一个关节末端上；激光加工头(14)通过光纤与激光器(1)相连；冷却机(2)通过冷却管分别与激光器(1)及激光加工头(14)相连；

工作台(8)位于龙门框架的下方，床头箱(7)固定在工作台(8)的端部，尾座(13)活动安装在工作台(8)上；第二伺服电机(12)控制工作台(8)上的待加工工件与龙门框架(3)相对移动；

控制器(11)分别通过控制线与机器人(5)及机器人滑台(4)连接。

2.根据权利要求1所述的数控激光加工装置，其特征在于：机器人滑台(4)包括滑座(15)和限位开关(16)，滑座(15)的底部上设有与直线导轨(19)配合的凸台(18)，限位开关(16)装在滑座(15)两侧，通过信号线接到第一伺服电机(10)；在滑座(15)中部安装有一个滚珠丝杠螺母(17)，滚珠螺杆(6)位于龙门框架(3)的横梁中间，中部与安装在滑座(15)上的滚珠丝杠螺母(17)相配合，末端与第一伺服电机(10)相连。

3.根据权利要求1或2所述的数控激光加工装置，其特征在于：工作台(8)两侧对称安装有第一、第二立柱导轨(9、9’)，龙门框架(3)的两个立柱安装在立柱导轨(9、9’)上，构成机械滑台结构，第二伺服电机(12)驱动龙门框架(3)沿立柱导轨(9、9’)移动。

4.根据权利要求1或2所述的数控激光加工装置，其特征在于：工作台(8)的滑槽上安装有滑鞍(20)，第二伺服电机(12)带动滑鞍(20)沿工作台上的滑槽移动。