CN102513694B - 一种带有刀柄的激光加工机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有刀柄的激光加工机构，结构为：刀柄安装在框架上部，用于将多轴联动数控机床主轴与激光加工机构连接，光纤连接座固定安装在框架的一侧，用于安装传输光纤接头，将激光器发射出的激光束通过光纤传输导入到该激光加工机构内；激光加工头安装在框架的下部，其内部安装有导光系统，导光系统用于将激光束导出激光加工头至待加工工件上。该机构可以增设回转机构或/和摆动机构。激光加工机构带有标准结构的刀柄，使其与常规多轴联动数控机床的组合非常简易，大大提高了工艺柔性，可以方便地将常规的多轴联动数控机床快速转换为兼有激光加工功能的多功能机床。
Description
技术领域
本发明属于激光加工应用领域，特别涉及一种带有刀柄的激光加工机构。
背景技术
激光加工是一种被日益广泛应用的非接触式加工方法，它是利用高功率密度激光束作用于工件，将其加热、熔化或气化从而实现切割、焊接、硬化、熔覆、变形或划线等加工目的。一个完整的激光加工系统包括控制系统，激光器，导光系统，多轴联动数控机床或机器人以及激光加工头等。
现有的激光加工机床是激光器和多轴联动数控机床或机器人的组合系统，其中激光器一般为CO2激光器、Nd：YAG激光器和光纤激光器。此前大部分激光加工机床都是采用CO2激光器，由于其导光系统必须采用光学镜片等所谓“硬光路系统”传输，故其导光系统与多轴联动数控机床主轴运动机构平行，则激光加工头一般是通过固定架安装在主轴运动执行机构上。加工头的这种安装方法，决定了激光加工机床的专门化。专利申请号为200810034265.8的发明专利“多轴数控、双工作台激光加工系统”报告了这种CO2激光加工专用机床。与CO2激光器不同，Nd：YAG激光器可采用光纤传输。但目前行业领域内Nd：YAG激光加工机床也是作为激光加工专用机床，专利申请号为200510122655.7的发明专利“一种新型激光加工机床”和专利申请号为201010240139.5的发明专利“一种五轴联动激光加工机床”报告了Nd：YAG激光器利用光纤传输方式与多轴联动数控机床组合的激光加工专用机床。光纤激光器由于其光传输过程的柔性化特性，使其既可与机器人也可与多轴联动数控机床相结合，组成专业的激光加工机床。专利申请号为201010528434.0的发明专利“一种多轴数控激光加工装置”即报告了一种光纤激光器与多轴数控机床以及多关节机器人三者组合的激光加工专用机床。
迄今为止，激光加工机床正在工业中得到越来越广泛的应用。但大部分激光加工机床都是根据激光加工功能，设计专用的激光加工机床，形成独立的特种加工机床体系，不具备的传统机械加工的切削、铣削加工功能，而且价格昂贵。现有的激光加工机床还存在以下问题：
1.零部件加工范围、加工精度有限：大幅面加工主要限于平面激光切割机。三维激光加工机床，特别是高精度三维激光加工机床，尺寸范围都相对较小，目前在工业中的应用范围有限。制约其发展的最主要因素可能是设备成本过高，一般企业难以接受；
2.激光加工机床和常规多轴联动数控机床这两类设备部分功能相同，部分功能互补。如果能够将两者结合起来运用，或者将一台机床经过改造、整合后具备两台机床的功能，将会受到企业的特别欢迎。但是，目前国内外却没有见到与常规多轴联动数控机床如龙门铣相结合的、集成有机械加工/激光加工功能的大型设备。
发明内容
本发明的目的在于提出一种带有刀柄的激光加工机构，该激光加工机构易拆装、可与多种常规多轴联动数控机床连接，快速将其转换为兼有激光加工功能的多功能机械加工/激光加工机床，工艺简单可靠，可对各种二维平面和复杂三维空间的工件进行激光加工。
本发明提供的一种带有刀柄的激光加工机构，其特征在于，该机构包括刀柄、导光系统、光纤连接座、激光加工头和框架；刀柄安装在框架上部，用于将多轴联动数控机床主轴与激光加工机构连接，光纤连接座固定安装在框架的一侧，用于安装传输光纤接头，将激光器发射出的激光束通过光纤传输导入到该激光加工机构内；激光加工头安装在框架的下部，其内部安装有导光系统，导光系统用于将激光束扩束、导出激光加工头至待加工工件上。
作为上述技术方案的改进，本发明可以增设回转机构或/摆动机构；回转机构安装在框架内部，它用于控制框架以及与框架固定安装的机构内部件以Z轴为中心作回转运动。摆动机构安装在框架内部，激光加工头与摆动机构固定连接，摆动机构控制激光加工头作摆动运动。两者与机床直线运动的三个轴X、Y、Z轴一起，构成五轴联动系统，能够根据数控系统的指令，完成三维金属零部件的各种加工。
针对激光加工机床存在的上述问题，本发明提出了将激光加工机床与常规多轴联动数控机床相组合的技术路线：将激光加工机构看成一把刀具，在激光加工机构上设有刀柄，取下多轴联动数控机床的主轴加工头，换成带有刀柄的激光加工机构，再利用光纤激光器的光传输特性，将激光束传输到该激光加工机构内。然后，通过专业设计的加工系统和软件作为控制系统，即可将常规的多轴联动数控机床快速转换为兼有激光加工功能的多功能机床。
这种带有刀柄的激光加工机构可以根据实际的工艺需要，将激光加工机构内的激光加工头设计为激光焊接加工头、激光切割加工头、激光熔覆加工头和激光热处理加工头等，从而实现激光焊接、切割和表面处理等特种加工功能。
将该激光加工机构与常规的多轴联动数控机床相结合，即可成为集冷加工、热加工为一体的高性能机床。该激光加工机构主要具有以下优点：
1.可以将常规的多轴联动数控机床快速转换为兼有激光加工功能的多功能机械加工/激光加工机床，不但大幅度扩展与增强了原有多轴联动数控机床的功能，而且可以有效提高设备的使用效率；
2.在完成特定零部件的机械加工工艺后，可以在不拆卸工件的前提下，通过快速更换该激光加工机构内的激光加工头，根据零部件的加工特点与要求，直接实现激光切割、焊接、熔覆、淬火等加工过程，有效节省加工工序，包括零部件的拆卸、清洗、对中等步骤，大幅度提高生产效率，降低生产成本；
3.该激光加工机构投入费用的增加有限，可以大幅度降低设备的购置成本，从而更好地利用当前资源，取得显著的经济效益好社会效益。
4.开启了一条高效利用现有高端数控加工机床等资源的新途径，使激光加工技术能够实现与常规多轴数控机床的成功嫁接，以有限的费用增加满足企业的重大、关键需求。
总之，本发明提供的激光加工机构带有标准结构的刀柄，使其与常规多轴联动数控机床的组合非常简易，大大提高了工艺柔性，可以方便地将常规的多轴联动数控机床快速转换为兼有激光加工功能的多功能机床。而将该激光加工机构取下，换上常规的铣削加工头，就又恢复为常规的多轴联动数控机床。因此，这种多功能的加工设备具有重要的实用价值。
附图说明
图1是本发明带有刀柄的激光加工机构的结构示意图。
图2是本发明带有刀柄的两坐标激光加工机构的结构示意图。
图3是回转机构的一种实例的结构示意图。
图4是摆动机构的一种实例的机构示意图。
图1和图2中，1为刀柄，2为回转机构，3为摆动机构，4为导光系统，5为光纤连接座，6为激光加工头，7为框架。图3中，21为第一电机，22为小齿轮，23为大齿轮，24为主轴。图4中，31为第二电机，32为蜗杆，33为蜗轮，34为空心轴。
具体实施方式
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所示，本发明所述的带有刀柄的激光加工机构包括：刀柄1、导光系统4、光纤连接座5、激光加工头6和框架7。
刀柄1固定安装在框架7上部，用于将多轴联动数控机床主轴与激光加工机构连接，实现多轴联动数控机床与激光加工机构的组合。
光纤连接座5固定安装在框架7的一侧，用于安装传输光纤接头，将激光器发射出的激光束通过光纤传输导入到该激光加工机构内；
激光加工头6安装在框架7的下部，其内部安装有导光系统4，导光系统4用于将激光束导出激光加工头6至待加工工件上。
根据零件的复杂程度，可以在上述机构中增加回转机构2或摆动机构3，或者同时增加回转机构2和摆动机构3。
图2所示的是一种同时增加回转机构2和摆动机构3的该激光加工机构。
回转机构2安装在框架7内部，它用于控制框架7以及与框架7固定安装的机构内部件以Z轴为中心作回转运动。
摆动机构3也安装在框架7内部，激光加工头6与摆动机构3固定连接，摆动机构3控制激光加工头6以第二电机31的轴心为中心作摆动运动。
下面再举例说明回转机构2和摆动机构3的具体结构，但二者的结构并不局限于此。
如图3所示，回转机构2包括第一电机21、小齿轮22、大齿轮23和主轴24。第一电机21的机身与框架7固定连接，第一电机21的输出轴上固定安装有小齿轮22，与小齿轮22啮合的为大齿轮23，大齿轮23固定安装在主轴24上，主轴24的上端与刀柄1的底部固定连为一体，其上、下端与框架7之间均采用轴承连接。其中第一电机21的输出轴末端与框架7之间也采用轴承连接。
如图4所示，摆动机构3包括第二电机31、蜗杆32、蜗轮33和空心轴34。第二电机31的机身与框架7固定连接，其输出轴上安装有蜗杆32，与蜗杆32啮合的为蜗轮33，其中蜗轮33固定安装在空心轴34上，空心轴34的一端与激光加工头6固定连接，其两端与框架7之间均采用轴承连接。
导光系统4如果采用图1所示的结构，则导光系统4为一片光学镜片41，其固定安装在激光加工头6内，既可是反射镜也可是反射聚焦镜，需要根据具体的激光加工头6来确定；导光系统4如采用图2所示的结构，则导光系统内增加一片反射镜42，其固定安装在框架7内。
将本发明所述的图2所示的带有刀柄的两坐标激光加工机构通过刀柄1安装至常规的三轴联动数控机床上，即可构成五轴联动激光加工机床；若安装至常规的五轴联动数控机床，即可构成五轴联动且带有两坐标运动机构附件的激光加工机床，从而可以实现二维平面工件或三维空间工件的激光加工。
具体的讲，传输光纤接头安装在光纤连接座5后，激光器所发射出的激光束则通过光纤传输导入到激光加工机构内，导光系统4再将激光束从激光加工头6内导出至待加工工件上。
在对工件的加工过程中，回转机构2中的第一电机21带动小齿轮22作旋转运动，由于刀柄1安装在多轴联动数控机床主轴的刀座是固定不动的，故安装在与刀柄1固定连为一体的主轴24上的大齿轮23也是固定不动的，所以小齿轮23在自转运动的同时也绕大齿轮24的轮齿周向以Z轴为中心作公转运动，从而带动第一电机21、与第一电机21固定连接的框架7以及与框架7固定安装的机构内部件以Z轴为中心作旋转运动，从而实现激光加工机构的旋转功能。
在对工件的加工过程中，摆动机构3中的第二电机31通过蜗杆32和蜗轮33的传动，带动与蜗轮33固定连接的空心轴34以及固定安装在空心轴34一端的激光加工头6一起以第二电机31的轴心为中心作摆动运动，从而实现激光加工机构的摆动功能。
该激光加工机构的旋转运动和摆动运动不启动时，激光加工机床则可以完成二维平面工件的激光加工。
该激光加工机构的旋转运动和摆动运动启动并叠加时，激光加工机床则可以完成复杂的三维空间工件的激光加工。
本发明所述的带刀柄的激光加工机构可以是如图1所示的不带回转运动机构和摆动机构的结构形式，也可以是如图2所示的带有回转运动机构和摆动运动机构的结构形式，或者是只带有摆动或回转运动机构的结构形式。
刀柄1按照标准刀柄结构设计，可以是圆刀柄、键槽刀柄、矩形或六方孔型等各种形状的刀柄，由将要安装的多轴联动数控机床配置的刀柄确定具体型号。
激光加工头6可以是激光切割头、激光焊接头或激光熔覆头等各种用途的加工头。
激光加工头6的中心线可以与Z轴重合，也可以与Z轴平行。
多轴联动数控机床可以是三轴或五轴联动数控机床。
本发明所述激光加工机构对应的激光传输方式为光纤传输，但不一定非要是光纤激光器。以光纤方式输出的盘片状固体激光器或者端泵、侧泵输出甚至灯泵浦输出的固体激光器，都适合本发明。本发明所述激光加工机构对应的激光器是连续激光器或脉冲激光器。
本发明的实施方式不局限于上述具体实施方式的内容，可以与该带刀柄的激光加工机构进行组合加工的设备并不局限于常规的三轴或五轴联动数控机床，也可以是自行设计的任何工件变位机。本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明。因此，凡是采用本发明的技术方案和思路，仅做一些本领域技术人员所公知的替换和修改，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种带有刀柄的激光加工机构，其特征在于，该机构包括刀柄(1)、回转机构(2)、摆动机构(3)、导光系统(4)、光纤连接座(5)、激光加工头(6)和框架(7)；
刀柄(1)为圆刀柄、键槽刀柄、矩形刀柄或六方孔型刀柄，并且为标准结构；该刀柄(1)安装在框架(7)上部，用于将多轴联动数控机床主轴与激光加工机构连接，也可用于将多轴联动数控机床主轴与铣削加工头连接；所述多轴联动数控机床为三轴联动数控机床或者五轴联动数控机床；光纤连接座(5)固定安装在框架(7)的一侧，用于安装传输光纤接头，将激光器发射出的激光束通过光纤传输导入到该激光加工机构内；
激光加工头(6)为包括激光切割头、激光焊接头和激光熔覆头在内的任一用途的加工头，激光加工头(6)安装在框架(7)的下部，其内部安装有导光系统(4)，导光系统(4)用于将激光束导出激光加工头(6)至待加工工件上；
回转机构(2)安装在框架(7)内部，它用于控制框架(7)以及与框架(7)固定安装的机构内部件以Z轴为中心作回转运动；
摆动机构(3)安装在框架(7)内部，激光加工头(6)与摆动机构(3)固定连接，摆动机构(3)控制激光加工头(6)作摆动运动。
2.根据权利要求1所述的激光加工机构，其特征在于，回转机构(2)包括第一电机(21)、小齿轮(22)、大齿轮(23)和主轴(24)；第一电机(21)的机身与框架(7)固定连接，第一电机(21)的输出轴上固定安装有小齿轮(22)，与小齿轮(22)啮合的为大齿轮(23)，大齿轮(23)固定安装在主轴(24)上，主轴(24)的上端与刀柄(1)的底部固定连为一体，其上、下端与框架(7)之间均采用轴承连接；其中第一电机(21)的输出轴末端与框架(7)之间也采用轴承连接。
3.根据权利要求1所述的激光加工机构，其特征在于，摆动机构(3)包括第二电机(31)、蜗杆(32)、蜗轮(33)和空心轴(34)；第二电机(31)的机身与框架(7)固定连接，其输出轴上安装有蜗杆(32)，与蜗杆(32)啮合的为蜗轮(33)，其中蜗轮(33)固定安装在空心轴(34)上，空心轴(34)的一端与激光加工头(6)固定连接，其两端与框架(7)之间均采用轴承连接；激光加工头(6)以第二电机(31)的轴心为中心作摆动运动。
4.根据权利要求1所述的激光加工机构，其特征在于，导光系统(4)包括光学镜片(41)和反射镜(42)，光学镜片(41)安装在激光加工头(6)内，反射镜(42)安装在框架(7)内。
5.根据权利要求1所述的激光加工机构，其特征在于，激光加工头(6)的中心线与Z轴重合或者与Z轴平行。
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