CN102672353A - 一种多维激光加工数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维激光加工数控系统，包括机箱、激光焊接器、PC机、人机交互模块、转盘、步进电机、平面磁阻电机、直线开关磁阻电机和控制驱动模块；在机箱上设置有第一支撑臂和第二支撑臂，激光焊接器装设在第一支撑臂上，并与控制驱动模块连接；人机交互模块装设在第二支撑臂上，直线开关磁阻电机的定子基座装设在机箱的侧壁上，平面磁阻电机的固定基座安装在直线开关磁阻电机的动子平台上，且平面磁阻电机的固定基座与直线开关磁阻电机的定子基座垂直；转盘安装在平面磁阻电机的移动平台上，且位于激光焊接器的下方。本发明采用XY方向的平面磁阻电机和Z轴方向的直线开关磁阻电机，其传动量少，结构优化，制造和加工相对方便。

Description

一种多维激光加工数控系统

技术领域

本发明涉及激光焊接数控加工技术领域，特别涉及一种多维激光加工数控系统。

背景技术

现有的激光加工数控系统一般采用的二轴联动的激光加工装备，这种设备只能在二维平面内完成焊接加工，无法完成工作表面处理等需要旋转加工的场合，也无法完成需要三轴联动的复杂曲面三维激光焊接加工。而且在现有的激光加工数控系统中，采用普通的电机（如伺服电机）平台驱动，其传动量大、结构复杂，在工作时需要丝杆把旋转运动转化为直线运动，而且加工尺寸和形状不能适应不同工业场合进行灵活改变，其通用性程度低。并且上述的数控加工系统缺乏辅助设计功能，操作复杂，对操作人员素质的要求高。

有鉴于此，本发明提供一种多维激光加工数控系统。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多维激光加工数控系统，能进行三维激光精密加工，在加工过程中还能旋转转盘实现对工件的表面加工处理。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种多维激光加工数控系统，其包括机箱、激光焊接器、PC机、人机交互模块、转盘、用于控制转盘转动的步进电机、用于控制转盘在XY平面上移动的平面磁阻电机、用于控制转盘沿Z轴方向移动的直线开关磁阻电机和用于对整机的工件进行控制的控制驱动模块；

所述PC机和控制驱动模块装设在所述机箱中，在所述机箱上设置有第一支撑臂和第二支撑臂，所述激光焊接器装设在所述第一支撑臂上，并与控制驱动模块连接；所述人机交互模块装设在所述第二支撑臂上，并与PC机连接；

所述直线开关磁阻电机的定子基座装设在机箱的侧壁上，所述平面磁阻电机的固定基座安装在所述直线开关磁阻电机的动子平台上，且所述平面磁阻电机的固定基座与直线开关磁阻电机的定子基座垂直；所述转盘安装在所述平面磁阻电机的移动平台上，且位于激光焊接器的下方；所述直线开关磁阻电机、平面磁阻电机和步进电机与控制驱动模块连接。

所述的多维激光加工数控系统中，在第一支撑臂上设置有用于采集工件加工过程的视频图像的机器视觉模块，所述机器视觉模块与PC机连接。

所述的多维激光加工数控系统中，所述控制驱动模块包括运动控制卡、驱动器模块和用于对工件加工过程进行开始、暂停及急停控制的脚踏开关，所述运动控制卡与PC机连接，所述驱动器模块和脚踏开关与运动控制卡连接。

所述的多维激光加工数控系统中，所述驱动器模块包括用于驱动平面磁阻电机的第一驱动器，用于驱动直线开关磁阻电机的第二驱动器，用于驱动步进电机的第三驱动器；所述运动控制卡通过第一驱动器连接驱动平面磁阻电机，所述运动控制卡通过第二驱动器连接直线开关磁阻电机，所述运动控制卡通过第三驱动器连接步进电机。

所述的多维激光加工数控系统中，所述直线开关磁阻电机包括定子基座、动子平台、直线导轨和光栅尺，所述直线导轨装设在定子基座上，所述动子平台装设在直线导轨上，所述光栅尺装设在所述定子基座上，且位于动子平台的一侧。

所述的多维激光加工数控系统中，所述平面磁阻电机包括固定基座、移动平台、X直线导轨、Y直线导轨、X传感器、Y传感器和定子矩阵，所述移动平台包括X轴移动平台和Y轴移动平台；所述Y直线导轨装设在固定基座上，所述X直线导轨设置在Y轴移动平台上，所述Y轴移动平台装设在Y直线导轨上，所述X轴移动平台套设在X直线导轨上，所述Y传感器装设在固定基座上，且位于Y直线导轨的一侧，X传感器位于X直线导轨的一侧，定子矩阵设置在固定基座上，且位于X轴移动平台的下方。

所述的多维激光加工数控系统中，所述定子矩阵由多个相同的矩阵元素单元拼接而成。

所述的多维激光加工数控系统中，所述机器视觉模块包括视频采集卡和摄像机，所述摄像机通过视频采集卡连接PC机。

所述的多维激光加工数控系统中，所述转盘上设置有用于固定工件的夹具。

所述的多维激光加工数控系统中，在所述机箱上设置有电源开关，所述电源开关与PC机连接。

相较于现有技术，本发明提供的多维激光加工数控系统，包括机箱、激光焊接器、PC机、人机交互模块、转盘、步进电机、平面磁阻电机、直线开关磁阻电机和控制驱动模块，通过平面磁阻电机控制转盘在XY平面上移动，并结合直线开关磁阻电机控制转盘沿Z轴方向移动实现三维精密加工，可使工件在三维空间内按加工要求实现直线和曲线移动，在加工过程中，还可通过进步电机控制转盘转动，完成工件表面的加工处理。本发明提供的多维激光加工数控系统采用XY方向的平面磁阻电机和Z轴方向的直线开关磁阻电机，其传动量少，结构优化，制造和加工相对方便，使所支撑的运动平台成本极大减小，而且控制精度高、成本低，同时结合视觉伺服技术，大大降低了操作人员的操作难度。

并且，本发明提供的多维激光加工数控系统中的平面磁阻电机采用拼接结构，电机的尺寸和形状可根据不同加工场合灵活改变，采用此磁阻电机具有多维、高精度、超低成本等优点。

附图说明

图1为本发明多维激光加工数控系统的结构示意图。

图2为本发明多维激光加工数控系统的控制结构框图。

图3为本发明多维激光加工数控系统中直线开关磁阻电机的结构示意图。

图4为本发明多维激光加工数控系统中平面磁阻电机的结构示意图。

图5为本发明多维激光加工数控系统中平面磁阻电机的定子矩阵拼接示意图。

具体实施方式

本发明提供一种多维激光加工数控系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，本发明提供的多维激光加工数控系统包括机箱10、激光焊接器20、PC机30、人机交互模块40、转盘50、步进电机60、平面磁阻电机80、直线开关磁阻电机70和控制驱动模块90。

其中，所述PC机30和控制驱动模块90装设在所述机箱10中，在所述机箱10上设置有第一支撑臂101和第二支撑臂102，所述激光焊接器20装设在所述第一支撑臂101上，并与控制驱动模块90连接，用于对工件进行激光焊接加工。其中，所述激光焊接器20包括激光发射器201和保护气体开关202，所述激光发射器201和保护气体开关202均与运动控制卡901连接。

所述人机交互模块40装设在所述第二支撑臂102上，并与PC机30连接，用于供操作人员输入操作参数。人机交互模块40可采用键盘或触摸屏输入方式，供操作人员抽取相应的工件参数。

所述转盘50安装在所述平面磁阻电机80的移动平台802（如图4所示）上，且位于激光焊接器20的下方，通过步进电机60控制转盘50转动。所述平面磁阻电机80的固定基座801（如图4所示）安装在所述直线开关磁阻电机70的动子平台702（如图3所示）上，且所述平面磁阻电机80的固定基座801与直线开关磁阻电机70的定子基座701（如图3所示）垂直，所述平面磁阻电机80用于控制转盘50在XY平面上移动，即在加工过程中控制工件按加工要求沿X轴方向和Y轴方向移动。所述直线开关磁阻电机70的定子基座701装设在机箱10的侧壁上，用于控制转盘50沿Z轴方向移动，即通过平面磁阻电机80和直线开关磁阻电机70控制转盘沿X轴、Y轴和Z轴方向移动，实现三维精密加工。步进电机60控制转盘旋转，用于完成工件外形加工的场合。

所述直线开关磁阻电机70、平面磁阻电机80和步进电机60与控制驱动模块90连接，形成四轴联动平台实现三维和工件外形的加工。控制驱动模块90用于对整机的工作进行控制，为各轴（即X轴、Y轴、Z轴及转盘50的旋转轴）分配脉冲数量，实现精密加工。

本发明提供的多维激光加工数控系统还包括机器视觉模块103，所述机器视觉模块103装设在第一支撑臂101上，并与PC机30连接，用于采集工件加工过程的视频图像。该机器视觉模块103采集的视频图像在人机交互模块40上实时显示，便于操作人员实时观看加工过程。

本发明实施例中，所述机器视觉模块103包括视频采集卡131和摄像机132，所述摄像机132通过视频采集卡131连接PC机30，由摄像机132实时捕捉工件加工的过程，监控整个加工过程的运动状态，并通过视频采集卡131传输给PC机30，该摄像机132还用于实现复杂的视觉示教功能，降低操作人员的操作难度。

请继续参阅图1，所述机箱10上设置有电源开关104，该电源开关104与PC机30连接，用于控制系统的电源。为了避免工件在加工过程中移动，在所述转盘50上设置有固定工件的夹具（图中未示出）。

请继续参阅图2，所述控制驱动模块90包括运动控制卡901、驱动器模块902和脚踏开关105。所述运动控制卡901与PC机30连接，PC机30用于将待加工工件的加工文件代码进行解译，生成相应的控制命令发送给运动控制卡901，运动控制卡901则用于接收PC机30的控制命令。所述驱动器模块902和脚踏开关105均与运动控制卡901连接，其中，脚踏开关105用于对工件加工过程进行开始、暂停及急停控制，驱动器模块902用于根据PC机30的命令为各个轴（即X轴、Y轴、Z轴及转盘50的旋转轴）分配脉冲数量。

本发明实施例中，所述驱动器模块902包括用于驱动平面磁阻电机80的第一驱动器911，用于驱动直线开关磁阻电机70的第二驱动器912，用于驱动步进电机60的第三驱动器913；所述运动控制卡901通过第一驱动器911连接驱动平面磁阻电机80，所述运动控制卡901通过第二驱动器912连接直线开关磁阻电机70，所述运动控制卡901通过第三驱动器913连接步进电机60。第一驱动器911、第二驱动器912和第三驱动器913分别为平面磁阻电机80、直线开关磁阻电机70和步进电机60提供驱动力。譬如，如果要实现二轴运动，运动控制卡901将实时计算这两个轴在不同时刻各自需要的脉冲个数，并传送个相应的驱动器，完成相关轴的直线或圆弧的插补运动。

请参阅图3，在本发明提供的多维激光加工数控系统中，所述直线开关磁阻电机70包括定子基座701、动子平台702、直线导轨703和光栅尺704。定子基座701可嵌置在机箱10的一侧壁上，控制转盘50沿机箱10侧壁方向（即Z轴方向）移动。所述直线导轨703装设在定子基座701上，所述动子平台702装设于直线导轨703上，所述光栅尺704装设在所述定子基座701上，且位于动子平台702的一侧，用于精确测量动子平台702移动的位移，并采用相应的控制算法进行计算，使控制精度高达微米级，确保了工件在Z轴方向的精确加工。

所述直线开关磁阻电机70导磁部分采用硅钢片705制成，无需任何昂贵的材料如永磁体等。电机基座及动子平台702均采用铝合金材料，其重量轻，直线导轨703为两个，固定在定子基座701上，使动子平台702与定子基座701之间可以进行平滑的移动，直线开关磁阻电机70的线圈706缠绕在动子平台702上。

请参阅图4，所述平面磁阻电机80包括固定基座801（即平面磁阻电机80的定子基座）、移动平台802（即平面磁阻电机80的动子平台）、X直线导轨803、Y直线导轨804、X传感器805、Y传感器806和定子矩阵807。其中，X直线导轨803和Y直线导轨804均为两根，使移动平台802在X轴方向和Y轴方向平滑的移动。所述移动平台802包括两个Y轴移动平台8021和X轴移动平台8022。

所述Y直线导轨804装设在固定基座801上，所述X直线导轨803设置在Y轴移动平台8021上，所述Y轴移动平台8021装设在Y直线导轨804上，所述X轴移动平台8022套设在X直线导轨803上，所述Y传感器806装设在固定基座801上，且位于Y直线导轨804的一侧，用于检测Y轴移动平台8021移动的位移，X传感器805位于X直线导轨803的一侧其中，在Y轴移动平台8021上沿X直线导轨803的方向设置有X传感器安装条809，该X传感器安装条809与X直线导轨803平行，可精确检测X轴移动平台8022的沿X轴方向的移动的位移，并将相应的数据反馈给PC机30。

请继续参阅图４和图５，所述定子矩阵807设置在固定基座801上，且位于X轴移动平台8022的下方。本实施例中，所述定子矩阵807由多个相同的矩阵元素单元拼接而成，使得定子矩阵807可根据加工尺寸，以及加工场合的要求选择需要拼接的矩阵元素单元的数量，其拼接过程如图５所示。在具体实施过程中，每个矩阵元素单元[如图5中的(b)]由多块相同形状的硅钢片705[如图5中的(a)]叠置形成。每硅钢片705的底部具有一缺口，顶部具有第一突起部，在硅钢片705的一侧具有第二突起部，在拼接时按键图5（c）的方式，将第二突起部插入缺口中，通过这种方式将多个矩阵元素单元拼接在一起形成预定定子矩阵807[如图5中的(d)]。

以下结合图1至图4对本发明的多维激光加工数控系统的工作原理进行详细说明：

将工件固定在转盘50的夹具中后，按下电源开关104，系统启动并登录进入操作加工界面，PC机30先自行判断转盘50是否处于原点位置，如果处于非原点位置，先将转盘50控制至原点处，之后在人机交互模块40中调协加工参数，并按下脚踏开关105，系统启动加工后，PC机30不断读取加工参数，控制步进电机60、直线开关磁阻电机70和平面磁阻电机80进行相应动作，同时不断检测参数的合法性以及判断加工是否完成，在整个循环的过程中，人机交互模块40不断完成加工位置、速度、加工状态的实时显示；同时PC机30不断检测I/O信息，判断是否有急停或暂停命令需要停止加工，如有先处理突发事件，再通过脚踏开关105恢复加工状态，直到工件加工完成。

综上所述，本发明提供的多维激光加工数控系统采用XY方向的平面磁阻电机和Z轴方向的直线开关磁阻电机，其传动量少，结构优化，制造和加工相对方便，使所支撑的运动平台成本极大减小，而且控制精度高、成本低，同时结合视觉伺服技术，大大降低了操作人员的操作难度。

并且，本发明提供的多维激光加工数控系统中的平面磁阻电机采用拼接结构，电机的尺寸和形状可根据不同加工场合灵活改变，采用此磁阻电机具有多维、高精度、超低成本等优点。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多维激光加工数控系统，其特征在于，包括机箱、激光焊接器、PC机、人机交互模块、转盘、用于控制转盘转动的步进电机、用于控制转盘在XY平面上移动的平面磁阻电机、用于控制转盘沿Z轴方向移动的直线开关磁阻电机和用于对整机的工件进行控制的控制驱动模块；

所述PC机和控制驱动模块装设在所述机箱中，在所述机箱上设置有第一支撑臂和第二支撑臂，所述激光焊接器装设在所述第一支撑臂上，并与控制驱动模块连接；所述人机交互模块装设在所述第二支撑臂上，并与PC机连接；

所述直线开关磁阻电机的定子基座装设在机箱的侧壁上，所述平面磁阻电机的固定基座安装在所述直线开关磁阻电机的动子平台上，且所述平面磁阻电机的固定基座与直线开关磁阻电机的定子基座垂直；所述转盘安装在所述平面磁阻电机的移动平台上，且位于激光焊接器的下方；所述直线开关磁阻电机、平面磁阻电机和步进电机与控制驱动模块连接。

2.根据权利要求1所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，在第一支撑臂上设置有用于采集工件加工过程的视频图像的机器视觉模块，所述机器视觉模块与PC机连接。

3.根据权利要求1所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述控制驱动模块包括运动控制卡、驱动器模块和用于对工件加工过程进行开始、暂停及急停控制的脚踏开关，所述运动控制卡与PC机连接，所述驱动器模块和脚踏开关与运动控制卡连接。

4.根据权利要求3所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述驱动器模块包括：用于驱动平面磁阻电机的第一驱动器，用于驱动直线开关磁阻电机的第二驱动器，用于驱动步进电机的第三驱动器；所述运动控制卡通过第一驱动器连接驱动平面磁阻电机，所述运动控制卡通过第二驱动器连接直线开关磁阻电机，所述运动控制卡通过第三驱动器连接步进电机。

5.根据权利要求1所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述直线开关磁阻电机包括定子基座、动子平台、直线导轨和光栅尺，所述直线导轨装设在定子基座上，所述动子平台装设在直线转轨上，所述光栅尺装设在所述定子基座上，且位于动车平台的一侧。

6.根据权利要求1所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述平面磁阻电机包括固定基座、移动平台、X直线导轨、Y直线导轨、X传感器、Y传感器和定子矩阵，所述移动平台包括X轴移动平台和Y轴移动平台；所述Y直线导轨装设在固定基座上，所述X直线导轨设置在Y轴移动平台上，所述Y轴移动平台装设在Y直线导轨上，所述X轴移动平台套设在X直线导轨上，所述Y传感器装设在固定基座上，且位于Y直线导轨的一侧，X传感器位于X直线导轨的一侧，定子矩阵设置在固定基座上，且位于X轴移动平台的下方。

7.根据权利要求6所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述定子矩阵由多个相同的矩阵元素单元拼接而成。

8.根据权利要求2所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述机器视觉模块包括视频采集卡和摄像机，所述摄像机通过视频采集卡连接PC机。

9.根据权利要求1所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，所述转盘上设置有用于固定工件的夹具。

10.根据权利要求1所述的多维激光加工数控系统，其特征在于，在所述机箱上设置有电源开关，所述电源开关与PC机连接。

Images