CN102451953A - 一种多功能激光加工制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能激光加工制造系统，该系统包括：激光器、光纤、激光加工头、工作平台、用于承载激光加工头和工件的带有电机的多运动参量机器人、用于控制激光器和机器人的控制装置。其中控制装置包括计算机、激光器控制单元和机器人控制单元。机器人控制激光加工头的横向位移、纵向位移、垂直位移、水平旋转关节转动、垂直旋转关节转动这五个运动参量。计算机与激光器，多运动参量机器人相接。本发明解决了在现有技术的激光加工头沿小曲率轨迹运动困难的问题，且有多运动参量控制性和可扩展性，适用多种环境下大型和复杂曲面工件的激光加工。

Description

一种多功能激光加工制造系统

技术领域

本发明涉及一种多功能激光加工制造系统，特别涉及可用于对各种复杂曲面工件进行多种方式的激光加工制造系统。

背景技术

目前的激光加工制造系统可分为三大类：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。在这些系统中，激光传输采用光学折返镜式传输系统，通过中空的腔式结构将大功率激光从激光器传到加工面(例如美国专利US4870246“用于切割与焊接的激光加工机器人”和US5221823“用于焊接与切割的激光机械设备”)。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。除此之外，它们都只是通过光学折返镜式传输系统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。这虽然是目前的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。

为了解决以上问题，中国发明专利98101217.5中提到一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置。在这种装置中激光器输出的激光通过柔性光纤传输到光束整形器，经过变换后通过激光加工头聚焦输出。此发明解决了激光传输装置复杂的问题。激光的空间分布和强度分布能够依据实际加工需求进行转换。同时解决了加工面数据获取装置与激光加工头的换位时易产生的与周边环境的碰撞干涉的问题，且控制系统开放性强。但是仍然存在一个问题，即对复杂形状零件的特殊位置进行加工时，激光加工头或者测量头无法完成相应的轨迹运动。例如：曲率很小的轨迹运动。

因此，需要一种能够方便加工复杂特殊形状工件，能够提供更多种并且质量更好的加工制造工艺的多功能激光加工制造系统。

发明内容

为解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种多功能激光加工制造系统，该系统包括：激光器；光纤；与所述激光器通过光纤形成光路连接的激光加工头；用于承载所述激光加工头的带有电机的多运动参量机器人；用于控制所述激光器和所述机器人的控制装置。

进一步，所述多运动参量机器人包括纵向横梁及设置在其上的纵向滑轨，水平横梁及设置在其上的水平滑轨，和设置在水平横梁上的垂直机械臂。

进一步，所述垂直机械臂下端连接有可绕垂直机械臂360°旋转的水平旋转关节。

进一步，所述水平旋转关节上安装一个水平机械臂，水平机械臂末端连接垂直旋转关节和连接在所述垂直旋转关节上的垂直的加工臂。

进一步，所述激光加工制造系统还包括设置在所述机器人下方的工作平台。

进一步，所述控制装置包括激光器控制单元和机器人运动控制单元，所述激光器控制单元与所述激光器连接，所述机器人运动控制单元与所述电机相接；激光器控制单元和机器人运动控制单元与协调控制单元连接。

本发明具有以下优点：使用本发明中的多功能激光加工制造系统，使得复杂形状工件在加工制造过程中更加方便和自动化，加工制造工艺种类更加完善化，操作更加安全化。此外，本发明中五个运动参量的机器人使得系统能够方便灵活的完成多种加工。

附图说明

图1：本发明提供的多功能激光加工制造系统；

图2：本发明提供的多功能激光加工制造系统工作框图；

图3：垂直机械臂与水平机械臂及旋转关节示意图；

图4：机控制加工制造流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明提出的多功能激光加工制造系统如图1、2所示，整个系统由激光器1、激光加工头4、用于承载激光加工头的带有电机的多运动参量机器人3、设置在机器人3的下方用于承载工件7的工作平台6、用于控制激光器1和机器人3的控制装置等组成。其中，用于控制激光器1和机器人3的控制装置包括：计算机5、激光器控制单元、机器人运动控制单元和协调控制单元。激光器1输出激光通过光纤2传输到激光加工头4聚焦输出。计算机5与激光器1、多运动参量机器人3相接；激光器控制单元与激光器1连接；机器人运动控制单元与多运动参量机器人3上的电机相接；激光器控制单元和机器人运动控制单元与协调控制单元连接。

如图1所示，多运动参量机器人3包括：在纵向横梁3.1上装有纵向滑轨3.8，在纵向滑轨3.8上设有由电机带动而能前后移动的水平横梁3.2，在水平横梁上设有水平滑轨3.9，在水平横梁3.2的水平滑轨3.9上安装了由电机带动既能沿水平方向左右移动也能垂直于水平横梁3.2上下运动的垂直机械臂3.3。垂直机械臂3.3下端连接有可绕垂直机械臂360°旋转的水平旋转关节3.4，其旋转方向如图中J4所示方向；并在其末端连接用于固定激光加工头4。激光加工头4的横向位移、纵向位移、垂直位移、水平旋转关节转动、这四个运动参量可通过运动控制装置协调运动，具有拓展性，从而能够完成更丰富的加工动作和轨迹。所述控制装置包括与激光器相连接的激光器控制单元和与电机相连接的运动控制单元，其中激光器控制单元和机器人运动控制单元通过协调控制单元协调连接。该控制装置采用单主站的线型网络拓扑结构，将带有现场总线卡的控制用计算机设为过程现场总线的主站，将带有与该现场总线对应的通信协议的激光器设为从站。编程结合现场总线卡动态链接库实现主站与从站之间的通信。

如图4所示，本实施例中的多功能激光加工制造系统的工作流程为：首先打开计算机；然后依次打开冷却水、气阀、激光器电源和机器人控制电源等设备开关；然后整个系统进行初始化；随后，判断整个系统是否正常，如果系统不正常则返回重新进行初始化；如果系统正常则将按照所需要运行的功能进行下列步骤：1、运行扫描测量程序后运行加工程序或2、直接运行加工程序；如果运行的功能为1、运行扫描测量程序后运行加工程序：则在程序运行过程中要首先判断该程序运行的是否正常，并在不运行异常的情况下进行故障处理，在扫描测量程序运行结束后，系统将自动生成加工程序，并随后开始运行加工程序，加工程序的运行同样也需要判断该程序运行的是否正常，并在运行异常的情况下进行故障处理，在加工程序运行结束后，即可关闭在整个加工系统。

实施例2

本实施例中的多功能激光加工制造系统的结构和工作流程与实施例1中的基本相同，不同之处在于，如图1、3所示，多运动参量机器人的垂直机械臂3.3还包括在水平旋转关节3.4上安装一个水平机械臂3.5，水平机械臂3.5末端连接垂直旋转关节3.6和在垂直旋转关节3.6上连接垂直的加工臂3.7，垂直旋转关节3.6的旋转方向如图中J5所示；激光加工头4固定在加工臂3.7下端。激光加工头4的横向位移、纵向位移、垂直位移、水平旋转关节转动、垂直旋转关节转动这五个运动参量可通过运动控制装置协调运动，具有拓展性，从而能够完成更丰富的加工动作和轨迹。

本发明的用途：

用途1：可以用于曲(平)面上的激光打孔、切割、焊接。利用实施例1述及的多功能激光加工制造系统，可对大尺寸工件的平面或复杂曲面施行高精度的打孔、切割和焊接加工。这种借助于适当的光束变换与聚焦系统而完成的打孔、切割和焊接无需后续处理，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，利用机器人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，利用水平和垂直旋转关节的运动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。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。

用途2：提供一台具有五个运动参量的，它用于工件表面处理，包括相变强化、熔凝、熔覆、合金化等。利用实施例1的多功能激光加工制造系统，可对某些圆形工件表面进行表面处理，如气缸盖表面的涂覆。将气缸盖固定在转台上，气缸盖上表面是中心对称的曲面，在这里通过转台的转动和激光加工头沿x及z方向的运动，就能实现小曲率的运动轨迹，使得气缸盖上表面的表面处理更加容易和控制。

在本发明中，由于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两运动参量运动方式，也可根据需要采用两运动参量到五个运动参量的运动方式，既可专门研制，也可利用现有设备改造而成。通过运动控制装置的控制，始终保持激光加工头沿被加工面法线运动时的动作姿态，并且实现多运动参量协调运动。可在三维空间内进行大范围、高精度的灵活快速的激光加工和制造，包括在曲面上打孔、切割和焊接，表面强化处理以及快速成形和模具的制造等。

最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而不是要限制本发明。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应被涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种多功能激光加工制造系统，其特征为，所述激光加工制造系统包括：激光器；光纤；与所述激光器通过光纤形成光路连接的激光加工头；用于承载所述激光加工头的带有电机的多运动参量机器人；用于控制所述激光器和所述机器人的控制装置。

2.根据权利要求1中所述激光加工制造系统，其特征为，所述多运动参量机器人包括纵向横梁及设置在其上的纵向滑轨，水平横梁及设置在其上的水平滑轨，和设置在水平横梁上的垂直机械臂。

3.根据权利要求2中所述激光加工制造系统，其特征为，所述垂直机械臂下端连接有可绕垂直机械臂360°旋转的水平旋转关节。

4.根据权利要求3中所述激光加工制造系统，其特征为，所述水平旋转关节上安装一个水平机械臂，水平机械臂末端连接垂直旋转关节和连接在所述垂直旋转关节上的垂直的加工臂。

5.根据权利要求1中所述激光加工制造系统，其特征为，所述激光加工制造系统还包括设置在所述多运动参量机器人下方的工作平台。

6.根据权利要求1中所述激光加工制造系统，其特征为，所述控制装置包括激光器控制单元和机器人运动控制单元，所述激光器控制单元与所述激光器连接，所述机器人运动控制单元与所述电机相接；激光器控制单元和机器人运动控制单元与协调控制单元连接。

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