CN102151990A - 激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光表面微加工领域中要求激光头轴向旋转与竖直方向升降运动相复合的应用场合，特指一种激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置。此装置在实现激光头既旋转又上下直线运动的同时，采用独立气腔传输辅助气体，保证系统良好的气密性及辅助气体输出压强；激光头内的聚焦透镜可实现轴向调节，从而改变激光束聚焦焦点所在位置；激光头旋转时保持较高精度的旋转同轴度。

Description

激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置

技术领域

本发明涉及到激光表面微加工领域中要求激光头轴向旋转与竖直方向升降运动相复合的应用场合，特指一种激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置。

背景技术

激光表面微加工技术以加工速度快、对环境无污染以及优良的尺寸控制能力等优点在摩擦副表面微观形貌加工方法中受到高度重视。专利申请号为CN200610039758.1的“单脉冲同点间隔多次法”中提出了一种新的激光微造型加工工艺。此专利中，采用工件夹持旋转、激光头做上下直线运动的控制方案。倘若加工大型机器器件，工件很难与激光脉冲进行耦合，带来很大的加工局限性。激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置在实现激光头旋转的同时，传输辅助气体，激光头还可以做上下直线运动，解决了由于工件体积、质量较大所带来的加工局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在激光微加工领域中要求激光头轴向旋转与竖直方向运动相复合的应用场合，在实现激光头旋转的同时，通光并传输辅助气体，激光头还可以做上下直线运动，解决了由于工件体积、质量较大带来的加工局限性。

本发明所采取的技术方案是，在Z轴立式工作台上水平安装一个悬臂梁，悬臂梁是由六块硬质铝合金构成的长方体腔体。悬臂梁的右端开设一通孔，一个密封气腔套筒经过这个通孔固定在悬臂梁的下端面。一根旋转轴通过两个密封轴承与密封气腔套筒的内壁连接。气体传输采用独立式气腔设计，即密封气腔套筒不随旋转轴旋转。圆环状的上轴承压盖穿过旋转轴固定在悬臂梁上端面，此上轴承压盖与悬臂梁上端面连接处设有密封圈，与上密封轴承之间设有毡圈，保证气腔套筒上端面的密封。圆环状的下轴承压盖穿过旋转轴固定在密封气腔套筒下端面，此下轴承压盖与密封气腔套筒下端面连接处设有密封圈，与下密封轴承之间设有毡圈，保证密封气腔套筒下端面的密封。上轴承压盖、旋转轴、密封气腔套筒、下轴承压盖之间就形成一个密闭腔。密封气腔套筒外部开设一个气腔进气孔用于外部气源气体的输入。悬臂梁的左端固定一个步进电机，步进电机通过同步带的传动驱动旋转轴的旋转，旋转轴的旋转速度时刻保持与步进电机一致。在两个密封轴承之间的那段旋转轴外圆周表面上开设一定数量的通气孔用作旋转轴上的输气孔，这样就能在旋转轴旋转的同时把辅助气体通入到旋转轴内部。在旋转轴顶端放置一块高透光度透镜并用透镜压盖固定。悬臂梁上架设一个机箱外壳，机箱外壳盖住整个装置中位于悬臂梁上端面之上的部分。机箱外壳上开设一个圆孔，圆孔的轴心与高透光度透镜轴心重合，圆孔内安装一块透光玻璃用作激光束的传播。旋转轴下端连接一个激光头，为了保证激光头旋转同轴度以及激光头与旋转轴连接处的密封性，旋转轴与激光头的连接方式有莫氏锥度联接和法兰连接。在激光头的内部安装一个聚焦透镜用于对激光束的聚焦，激光头的底部安装一块45°全反镜用于将聚焦以后的激光束反射到工件加工表面。聚焦透镜插在一个聚焦透镜套筒的插槽里，聚焦透镜套筒的外径小于激光头的内径。聚焦透镜套筒外圆周表面设有三个均匀分布的凸台，凸台与激光头内表面为间隙配合。聚焦透镜套筒插在激光头内部，在激光头外表面上均匀开设3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入3个紧定螺钉与聚焦套筒接触，从而固定聚焦透镜在激光头内的位置。松开3个紧定螺钉，聚焦透镜套筒可在激光头的轴向位置实现移动，从而改变聚焦焦点的位置。聚焦透镜套筒与激光头内壁之间留有的空隙用作传输辅助气体。激光束经由激光发生器输出，进入旋转轴内部，由激光头里的聚焦透镜聚焦，再由激光头底部的45°全反镜反射后，从激光头出光出气孔射出。

本发明的有益效果是：实现激光头多角度均匀通光送气；激光头旋转的同时传输辅助气体并保证良好的气密性；激光头旋转时保证较小的圆跳动；足够的吹气压力去除加工表面的金属残渣、同时使聚焦透镜和工件加工表面及时散热。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置结构示意图。

图2是旋转轴上开设通气孔的正面剖视图。

图3是旋转轴上开设通气孔的横截面剖视图。

图4是旋转轴与激光头莫氏锥度连接的示意图。

图5是旋转轴与激光头法兰连接的示意图。

图6是聚焦透镜套筒在激光头内部固定的示意图。

图中，1-激光发生器  2-透光玻璃  3-机箱外壳  4-透镜压盖  5-高透光度透镜  6-Z轴立式工作台  7-同步带轮A   8-同步带轮B  9-步进电机  10-悬臂梁  11-旋转轴  12-上轴承压盖  13-密封圈A  14-毡圈A  15-密封轴承A  16-密封轴承B  17-气腔进气孔  18-密封气腔套筒  19-下轴承压盖   20-密封圈B  21-毡圈B  22-激光头  23-聚焦透镜  24-45°全反镜   25-激光头出光出气孔  26-O型密封圈   27-聚焦透镜套筒   28-紧定螺钉A   29-紧定螺钉B  30-紧定螺钉C。

具体实施方式

结合图1，所述激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置包括悬臂梁10、密封气腔套筒18、上轴承压盖12、下轴承压盖19、旋转轴11、密封轴承A15、密封轴承B16、步进电机9、同步带轮A7、同步带轮B8、透光玻璃2、高透光度透镜5、透镜压盖4、机箱外壳3、激光头22、聚焦透镜套筒27、45°全反镜24和激光头出光出气孔25。悬臂梁10是由六块硬质铝合金板构成的一个长方形腔体，悬臂梁10的高度为6~7cm，宽度与长度的比为1:5~1:6。悬臂梁10通过螺栓连接水平安装在Z轴立式工作台6上，悬臂梁10右端开一个通孔，一个密封气腔套筒18经过这个通孔通过螺栓连接固定在悬臂梁10的下端面，密封气腔套筒18的高度为悬臂梁10高度的2~3倍。旋转轴11穿过密封气腔套筒18，通过密封轴承A15和密封轴承B16与密封气腔套筒18内壁连接。圆环状的上轴承压盖12与旋转轴11同轴，套在旋转轴11上，通过螺栓连接固定在悬臂梁10的上端面。圆环状的下轴承压盖19与旋转轴11同轴，套在旋转轴11上，通过螺栓连接固定在密封气腔套筒18的下端面。密封轴承A15和密封轴承B16的内圈与旋转轴11的连接方式为过盈配合，随旋转轴11转动。密封轴承A15和密封轴承B16的外圈与密封气腔套筒18的连接方式为过盈配合，不随旋转轴11旋转。密封轴承A15与上轴承压盖12之间设有毡圈A14，上轴承压盖12与悬臂梁上端面连接处设有密封圈A13。密封轴承B16与下轴承压盖19之间设有毡圈B21，下轴承压盖19与密封气腔套筒下端面连接处设有密封圈B20。密封气腔套筒18、上轴承压盖12、下轴承压盖19和旋转轴11之间形成一个密闭腔。密封气腔套筒18上开设一气腔进气孔17，此气腔进气孔17与外部气源连接，为整个系统供气。

在旋转轴11与密封轴承A15、密封轴承B16配合的中间段面上开设12~14个通气孔，辅助加工气体经过这些通气孔进入旋转轴11内部。图2为在旋转轴11上开设通气孔的正面剖视图，图3为在旋转轴上开设通气孔的横截面剖视图，所开通气孔的横截面直径选为5mm，方向一律延旋转轴切线方向并且与水平线呈30⁰～45⁰ 夹角，每层开设4个。开孔数目为开孔层数与每层开孔数目的乘积，相邻两层之间的距离为15mm。同步带轮A7安装在上轴承压盖12上方的旋转轴11上。悬臂梁10左端固定一个步进电机9，步进电机9的旋转主轴上安装一个同步带轮B8，同步带轮B8与同步带轮A7的传动比为1:1，且同步带轮B8与同步带轮A7在同一水平高度上。步进电机9转动时，通过同步带的传动驱动旋转轴11转动，且旋转轴11的转速时刻保持与步进电机9转速一致。旋转轴11的顶端设置一块高透光度透镜5，并通过透镜压盖4与旋转轴11的螺纹连接将其固定，透镜压盖4与旋转轴11之间设有O型密封圈。机箱外壳3架设在悬臂梁10上端面，盖住整个装置中位于悬臂梁10上端面之上的部分。在机箱外壳3上开设一个圆孔，在圆孔内安装一块透光玻璃2，透光玻璃2与高透光度透镜5在同一轴心线上。

在旋转轴11的下端安装一个激光头22，为了保证激光头22旋转时的同轴度以及激光头22与旋转轴11连接处的密封性，激光头22与旋转轴11的连接方式有2种。图4为旋转轴11和激光头22莫氏锥度连接示意图，激光头内部的聚焦透镜未画出。在旋转轴11下端和激光头22内表面加工出相互配合的锥度端面，装配时将激光头22与旋转轴11配合，利用配合处相互之间的摩擦力可以将激光头22固定。图5为旋转轴11和激光头22法兰连接示意图，激光头内部的聚焦透镜未画出，旋转轴11与激光头22分别做成法兰盘形状，在法兰盘上开设对称角度的法兰孔，在旋转轴11和激光头22的法兰结合部位嵌入一个O形密封圈26，保证连接部位的气密性。

对于加工不同缸径的工件，需要改变激光束聚焦以后焦点所在的位置，这就要求激光头里的聚焦透镜23在轴向方向可以调节位置。为了实现这一目的，如图6所示，一个外径小于激光头22内径的聚焦透镜套筒27，聚焦透镜套筒27上设有插槽，聚焦透镜23插在插槽里，聚焦透镜23的轴心在聚焦透镜套筒27的轴心上。聚焦透镜套筒27的外圆周上设有三个均匀分布的凸台，凸台与激光头内表面是间隙配合。聚焦透镜套筒27插入激光头22中，聚焦透镜套筒27与激光头22内径之间留有的空隙用作传输辅助气体。在激光头22外表面上每隔120^o开设3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入的三个紧定螺钉A28、B29、C30与聚焦透镜套筒27接触，固定聚焦透镜套筒27在激光头22中的位置。调焦时，预先算好聚焦透镜23在竖直方向的位移，然后将调节尺塞伸入激光头22，轻抵聚焦透镜套筒27，松开紧定螺钉A28、B29、C30，此时聚焦透镜套筒27由调节尺塞支撑，改变调节尺塞在竖直方向的位置最后重新拧紧紧定螺钉A28、B29、C30将聚焦透镜23固定在新的位置。45°全反镜24置于激光头22的底部，激光头出光出气孔25开设于激光头22的底部，激光头出光出气孔25正对指向45°全反镜24。激光束经激光头里的聚焦透镜23聚焦，再由激光头底部的45°全反镜24反射后，从激光头出光、出气孔25射出。

Claims (6)

1.激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置，其特征在于，包括悬臂梁（10）、密封气腔套筒（18）、上轴承压盖（12）、下轴承压盖（19）、旋转轴（11）、密封轴承A（15）、密封轴承B（16）、步进电机（9）、同步带轮A（7）、同步带轮B（8）、透光玻璃（2）、高透光度透镜（5）、透镜压盖（4）、机箱外壳（3）、激光头（22）、聚焦透镜套筒（27）、45°全反镜（24）和激光头出光出气孔（25）；所述悬臂梁（10）通过螺栓连接水平安装在Z轴立式工作台（6）上，悬臂梁（10）右端开一个通孔，所述密封气腔套筒（18）经过这个通孔通过螺栓连接固定在悬臂梁（10）的下端面；所述旋转轴（11）穿过密封气腔套筒（18），通过密封轴承A（15）和密封轴承B（16）与密封气腔套筒（18）内壁连接；所述上轴承压盖（12）为圆环状且与旋转轴（11）同轴，套在旋转轴（11）上，通过螺栓连接固定在悬臂梁（10）的上端面；所述下轴承压盖（19）为圆环状且与旋转轴（11）同轴，套在旋转轴（11）上，通过螺栓连接固定在密封气腔套筒（18）的下端面；所述密封轴承A（15）和密封轴承B（16）的内圈与旋转轴（11）的连接方式为过盈配合，随旋转轴（11）转动；所述密封轴承A（15）和密封轴承B（16）的外圈与密封气腔套筒（18）的连接方式为过盈配合，不随旋转轴（11）旋转；所述密封轴承A（15）与上轴承压盖（12）之间设有毡圈A（14），所述上轴承压盖（12）与悬臂梁上端面连接处设有密封圈A（13）；所述密封轴承B（16）与下轴承压盖（19）之间设有毡圈B（21），所述下轴承压盖（19）与密封气腔套筒（18）下端面连接处设有密封圈B（20）；所述密封气腔套筒（18）、上轴承压盖（12）、下轴承压盖（19）和旋转轴（11）之间形成一个密闭腔；所述密封气腔套筒（18）上开设一气腔进气孔（17），所述气腔进气孔（17）与外部气源连接，为整个系统供气；在所述旋转轴（11）与密封轴承A（15）、密封轴承B（16）配合的中间段面上开设12~14个通气孔，辅助加工气体经过这些通气孔进入旋转轴（11）内部；所述同步带轮A（7）安装在上轴承压盖（12）上方的旋转轴（11）上；在所述悬臂梁（10）左端固定一个步进电机（9），所述步进电机（9）的旋转主轴上安装一个同步带轮B（8），所述同步带轮B（8）与同步带轮A（7）的传动比为1:1，且同步带轮B（8）与同步带轮A（7）在同一水平高度上；所述步进电机（9）转动时，通过同步带的传动驱动旋转轴（11）转动，且旋转轴（11）的转速时刻保持与步进电机（9）转速一致；所述旋转轴（11）的顶端设置一块高透光度透镜（5），并通过透镜压盖（4）与旋转轴（11）的螺纹连接将其固定，所述透镜压盖（4）与旋转轴（11）之间设有O型密封圈；所述机箱外壳（3）架设在悬臂梁（10）上端面，盖住整个装置中位于悬臂梁（10）上端面之上的部分；在所述机箱外壳（3）上开设一个圆孔，在圆孔内安装一块透光玻璃（2），所述透光玻璃（2）与高透光度透镜（5）在同一轴线上；在所述旋转轴（11）的下端安装一个激光头（22）；所述聚焦透镜套筒（27）的外径小于激光头（22）内径，并设有插槽；将聚焦透镜（23）插在聚焦透镜套筒（27）的插槽中，聚焦透镜（23）的轴心在聚焦透镜套筒（27）的轴心线上，聚焦透镜套筒（27）插入激光头（22）内部；所述聚焦透镜套筒（27）的外圆周有三个均匀分布的凸台，凸台与激光头（22）内表面是间隙配合；聚焦透镜套筒（27）与激光头（22）之间留有的空隙传输辅助气体，在激光头（22）外表面上每隔120^o开设3个螺纹孔，从三个螺纹孔旋入的三个紧定螺钉A（28）、B（29）、C（30）与聚焦透镜套筒（27）接触；所述45°全反镜（24）置于激光头的底部，激光头出光出气孔（25）开设于激光头的底部；所述激光头出光出气孔（25）正对指向45°全反镜（24）；激光束经激光头里的聚焦透镜（23）聚焦以后，再由激光头底部的45°全反镜（24）反射后从激光头出光出气孔（25）射出。

2.根据权利要求1所述的激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置，其特征在于，所述旋转轴（11）和激光头（22）的连接方式为莫氏锥度连接；在旋转轴（11）下端和激光头（22）内表面设置相互配合的锥度端面，装配时，将激光头（22）与旋转轴（11）配合，利用配合处相互之间的摩擦力将激光头（22）固定。

3.根据权利要求1所述的激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置，其特征在于，所述旋转轴（11）和激光头（22）的连接方式为法兰连接；旋转轴（11）与激光头（22）分别做成法兰盘形状，在法兰盘上开设对称角度的法兰孔，在旋转轴（11）和激光头（22）的法兰结合部位嵌入一个O形密封圈（26），保证连接部位的气密性。

4.根据权利要求1所述的激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置，其特征在于，所述旋转轴上开设的通气孔的横截面直径选为5mm，方向一律延旋转轴切线方向并且与水平线呈30⁰～45⁰ 夹角，每层开4个通气孔；开孔数目为开孔层数与每层开孔数目的乘积，相邻两层之间的距离为15mm。

5.根据权利要求1所述的激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置，其特征在于，所述悬臂梁（10）是由六块硬质铝合金板构成的一个长方形腔体，悬臂梁（10）的高度为6~7cm，宽度与长度的比为1:5~1:6。

6.根据权利要求1所述的激光加工机床的旋转激光头辅助气体传输装置，其特征在于，所述密封气腔套筒（18）的高度为悬臂梁（10）高度的2~3倍。

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