CN103212861A - 一种双工位薄壁管材的激光微加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双工位薄壁管材的激光微加工设备，包括两个加工工位，每个加工工位独立加工不同的工件；每个加工工位设有旋转轴、直线轴、激光切割头、辅助高压气体供气单元、Z轴模块、激光发生器、准直扩束镜、照明光源、45°反射镜、CCD；所述激光切割头包括激光喷嘴、保护镜、聚焦镜。所述旋转轴包括电机、联轴器、蜗杆、蜗轮、拉杆模块、外壳、端盖、夹头；所述拉杆模块包括拉杆盖、活塞、拉杆座、滚动轴承、轴套、拉杆，拉杆为中空结构。本发明提出的双工位薄壁管材的激光微加工设备，一台设备具有两个工位，能容许两个工人同时在一台设备上操作，设备结构紧凑，极大的降低了生产成本。

Description

一种双工位薄壁管材的激光微加工设备

 

技术领域

本发明属于薄壁管材激光微加工领域，涉及一种激光加工设备，特别涉及一种双工位薄壁管材的激光微加工设备。

 

背景技术

激光微加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。 某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。

激光微加工由于加工效率高、切割残渣少、非接触加工、易实现加工过程的自动化等特点，因而成为薄壁管材加工的主要方法。

现有的薄壁管材激光微加工设备通常为单工位，单个操作工操作的形式，设备占地面积大，生产效率低，不利于生产成本的控制。

有鉴于此，如今迫切需要一种生产效率高、产品成本低的薄壁管材的激光微加工设备。

 

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有单工位薄壁管材激光微加工设备占地面积大，生产效率低，产品成本高的问题。

为达到上述目的，本发明提出了一种双工位薄壁管材的激光微加工设备，包括两个加工工位，每个加工工位独立加工不同的工件；每个加工工位设有旋转轴、直线轴、激光切割头、辅助高压气体供气单元、Z轴模块、激光发生器、准直扩束镜、照明光源、45°反射镜、CCD；所述激光切割头包括激光喷嘴、保护镜、聚焦镜；

所述旋转轴包括电机、联轴器、蜗杆、蜗轮、拉杆模块、外壳、端盖、夹头；所述拉杆模块包括拉杆盖、活塞、拉杆座、滚动轴承、轴套、拉杆，拉杆为中空结构；所述外壳的一端设置拉杆盖、拉杆座，另一端设置端盖；所述拉杆盖、拉杆座之间设有活塞、轴套、滚动轴承；活塞的两侧分别设有第一气腔、第二气腔，第一气腔、第二气腔分别设有出入口，通过出入口充放气, 所述出入口连接辅助高压气体供气单元；所述夹头设置于拉杆的一端，穿过端盖露出一部分；夹头通过从旋转轴靠近拉杆盖的一端拧入拉杆模块的另一端螺纹孔中；所述联轴器将电机的输出轴和蜗杆轴连接，蜗杆与蜗轮配合，所述蜗轮与拉杆共轴，蜗轮轴即为拉杆轴；电机的转动最终带动拉杆轴旋转运动；

所述旋转轴用于夹持薄壁管材，并带动薄壁管材高精度旋转，旋转轴的底座安装在直线轴的动板上，可沿直线轴进给；直线轴和旋转轴组成了激光加工设备的精密二维运动平台； 

两个激光切割头安装在各自的Z轴模块上，两个Z轴模块分别安装在基准上，可手动或者自动实现在Z轴模块的上下直线运动，从而能够根据不同管径调整激光喷嘴下沿距离薄壁管材最表面的距离，控制待加工薄壁管材聚焦光斑的能量分布，同时在加工过程中能够随时根据激光光斑的变化调整喷嘴与加工薄壁管材表面的距离； 

所述激光发生器所发出的激光束经过准直扩束镜形成水平激光束，而后与照明光源发射的光同时入射至45°反射镜，45°反射镜对水平激光束全反射，并对照明光45°增透，激光束垂直入射到聚焦镜上；透过聚焦镜的激光束经过保护镜在焦点处聚成一极小的光斑，光斑在加工平台上的薄壁管材表面使工件瞬间汽化，再配合辅助高压气体供气单元提供的辅助切割气体将汽化的金属吹走；

所述CCD接收从45°反射镜反射的光，CCD用以在激光光斑位置调整时观察光斑聚焦情况，同时在加工过程中随时查看加工情况，并对加工过程全程录像；

所述微加工设备还包括控制系统；所述控制系统包括用于控制两个加工工位上的直线轴、旋转轴和Z轴模块的运动控制单元，以及用于控制激光发生器的激光控制单元；所述控制系统与直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器、CCD连接。

在本发明的一个实施例中，将两个加工工位的二维运动平台分别安装在天然花岗岩材质制作的基准上；该二维运动平台集管材装夹与材料处理于一体，采用高分辨率光栅尺和高精度编码器位置反馈实现全闭环控制；所述两个Z轴模块分别安装在天然花岗岩的基准上。

在本发明的一个实施例中，所述微加工设备包括水平工作面、与水平工作面垂直设置的立柱；两个加工工位的二维运动平台分别安装在水平工作面上，两个Z轴模块分别安装在立柱上。

在本发明的一个实施例中，所述控制系统控制集成于一体，或者包括两个子控制系统，分别控制两个加工工位上的直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器。

在本发明的一个实施例中，所述控制系统安装于PC机中或安装于手持移动终端中，PC机或手持移动终端通过控制线缆与直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器、CCD连接。

在本发明的一个实施例中，所述活塞包括活塞套、活塞内套，活塞套、活塞内套设有0形密封圈密封。

在本发明的一个实施例中，所述端盖与外盖之间设有端内盖；所述旋转轴装置包括底座，所述外壳设置于该底座上。

在本发明的一个实施例中，所述拉杆为中空无缝管。

在本发明的一个实施例中，所述拉杆的一端设有拉杆旋钮，可手动旋转拉杆。

在本发明的一个实施例中，所述旋转轴在夹紧管材时，对第一气腔充气，高压气体会推动拉杆模块朝第一方向运动，从而带动外壳、端内盖和端盖一起朝第一方向运动，直到端盖的内圆锥面与夹头的外圆锥面紧贴为止，端盖继续向第一方向运动，导致弹性夹头收紧，将管材抱住，保持该状态，管材将一直被夹头抱紧；

需要松开管材时，为第二气腔充气、第一气腔放气，高压气体带动拉杆模块朝第二方向运动从而推动外壳、端内盖和端盖朝第二方向运动，进而使得弹性夹头的外圆锥面与端盖的内圆锥面相脱离，保持松开状态，此时弹性夹头依靠自身的弹性回复力保持松开状态，管材将被松开。

通过本发明提出的双工位薄壁管材的激光微加工设备，一台设备上能容许两个工人同时操作，设备结构紧凑，极大的降低了生产成本。同时，本发明设备加工速度快、加工精度高；且各个功能块模块化设计，结构紧凑，互换性强，更新换代容易。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

 

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为双工位薄壁管材的激光微加工设备的俯视图；

图2为双工位薄壁管材的激光微加工设备的工作平台示意图；

图3为旋转轴的立体图；

图4为旋转轴主要部件的剖视图。

 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的主要创新之处在于，本发明创新地提出了一种双工位薄壁管材的激光微加工设备，一台设备上设有两个工位，设备结构紧凑，有效降低了生产成本。

请参阅图1，本发明双工位薄壁管材的激光微加工设备包括两个加工工位，每个加工工位独立加工不同的工件；每个加工工位设有旋转轴、直线轴、激光切割头、辅助高压气体供气单元、Z轴模块、激光发生器、准直扩束镜、照明光源、45°反射镜、CCD；所述激光切割头包括激光喷嘴、保护镜、聚焦镜。

请参阅图2，本发明激光微加工设备还包括水平工作台1、垂直设置于水平工作台1上的立柱2；水平工作台1的下方设置若干方钢管3，方钢管3下方设有调整垫脚4，可以调整高度。本实施例中，两个加工工位的二维运动平台分别安装在水平工作面上，两个Z轴模块分别安装在立柱2上。具体地，将两个加工工位的二维运动平台分别安装在天然花岗岩材质制作的基准上；该二维运动平台集管材装夹与材料处理于一体，采用高分辨率光栅尺和高精度编码器位置反馈实现全闭环控制；所述两个Z轴模块分别安装在天然花岗岩的基准上。

本实施例中，两个工位的激光切割头安装在各自的Z轴模块上，两个Z轴模块分别安装在基准上，可手动或者自动实现在Z轴模块的上下直线运动，从而能够根据不同管径调整激光喷嘴下沿距离薄壁管材最表面的距离，控制待加工薄壁管材聚焦光斑的能量分布，同时在加工过程中能够随时根据激光光斑的变化调整喷嘴与加工薄壁管材表面的距离。

所述激光发生器所发出的激光束经过准直扩束镜形成水平激光束，而后与照明光源发射的光同时入射至45°反射镜，45°反射镜对水平激光束全反射，并对照明光45°增透，激光束垂直入射到聚焦镜上；透过聚焦镜的激光束经过保护镜在焦点处聚成一极小的光斑，光斑在加工平台上的薄壁管材表面使工件瞬间汽化，再配合辅助高压气体供气单元提供的辅助切割气体将汽化的金属吹走。

所述CCD接收从45°反射镜反射的光，CCD用以在激光光斑位置调整时观察光斑聚焦情况，同时在加工过程中随时查看加工情况，并对加工过程全程录像。

所述微加工设备还包括控制系统；所述控制系统包括用于控制两个加工工位上的直线轴、旋转轴和Z轴模块的运动控制单元，以及用于控制激光发生器的激光控制单元；所述控制系统与直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器、CCD连接。在本发明的一个实施例中，所述控制系统控制集成于一体，或者包括两个子控制系统，分别控制两个加工工位上的直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器。此外，所述控制系统安装于PC机中或安装于手持移动终端中，PC机或手持移动终端通过控制线缆与直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器、CCD连接。

请参阅图3、图4，以下介绍本实施例中旋转轴的结构，当然，旋转轴还可以为其他形状。旋转轴包括伺服电机114、联轴器116、蜗杆117、蜗轮109、拉杆模块、外壳108、端内盖111、端盖112、夹头113。所述旋转轴装置包括底座115，所述外壳108设置于该底座115上。由此，旋转轴整体可以非常方便的安装固定在直线轴平台上，整体便于安装（安装到直线轴平台上），利用定位销，可以实现粗定位。

如图4所示，所述拉杆模块包括拉杆盖102、活塞（包括活塞套103、活塞内套104，活塞套103、活塞内套104设有0形密封圈密封）、拉杆座105、滚动轴承107、轴套106、拉杆110，拉杆110为中空无缝结构。本实施例中，旋转轴是内部中空的结构，能让拉杆110从中间通过，同时中空的旋转轴能够实现管材输送功能和湿切割作业功能。拉杆110为一个中空的薄壁无缝管，当湿切加工时，采用后置导水方式：整根管材浸入导水管中，一旦导水管泄露，水流也是在拉杆的中空密封腔内，不会影响电机114的正常工作。

所述拉杆的一端设有拉杆旋钮101，可手动旋转拉杆110。所述外壳108的一端设置拉杆盖102、拉杆座105，另一端设置端盖112；所述拉杆盖102、拉杆座105之间设有活塞、轴套106、滚动轴承107。活塞的两侧分别设有第一气腔118、第二气腔119，第一气腔118、第二气腔119分别设有出入口，通过出入口充放气；所述夹头113设置于拉杆110的一端，穿过端盖112露出一部分；夹头113通过从旋转轴靠近拉杆盖102的一端拧入拉杆模块的另一端螺纹孔中。所述联轴器116将电机114的输出轴和蜗杆117的轴连接，蜗杆117与蜗轮109配合，所述蜗轮109与拉杆110共轴，蜗轮轴即为拉杆轴。电机114的转动最终带动拉杆轴旋转运动。

旋转轴夹紧管材时，对第一气腔118充气，高压气体会推动拉杆模块朝第一方向（如图4中的右边）运动，从而带动外壳108、端内盖111和端盖112一起朝第一方向运动，直到端盖112的内圆锥面与夹头113的外圆锥面紧贴为止，端盖112继续向第一方向运动，导致弹性夹头113收紧，将管材抱住，保持该状态，管材将一直被夹头113抱紧。需要松开管材时，为第二气腔119充气、第一气腔118放气，高压气体带动拉杆模块朝第二方向运动从而推动外壳108、端内盖111和端盖112朝第二方向（如图4中的左边）运动，进而使得弹性夹头113的外圆锥面与端盖112的内圆锥面相脱离，保持松开状态，此时弹性夹头113依靠自身的弹性回复力保持松开状态，管材将被松开。此外，为了保证气密性各个部分之间采用0形密封圈密封。

此外，本发明加工设备还可以设置两个以上的工位，即一台设备可以供3个或3个以上工人同时操作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，包括两个加工工位，每个加工工位独立加工不同的工件；

每个加工工位设有旋转轴、直线轴、激光切割头、辅助高压气体供气单元、Z轴模块、激光发生器、准直扩束镜、照明光源、45°反射镜、CCD；所述激光切割头包括激光喷嘴、保护镜、聚焦镜；

所述旋转轴包括电机、联轴器、蜗杆、蜗轮、拉杆模块、外壳、端盖、夹头；所述拉杆模块包括拉杆盖、活塞、拉杆座、滚动轴承、轴套、拉杆，拉杆为中空结构；所述外壳的一端设置拉杆盖、拉杆座，另一端设置端盖；所述拉杆盖、拉杆座之间设有活塞、轴套、滚动轴承；活塞的两侧分别设有第一气腔、第二气腔，第一气腔、第二气腔分别设有出入口，通过出入口充放气, 所述出入口连接辅助高压气体供气单元；所述夹头设置于拉杆的一端，穿过端盖露出一部分；夹头通过从旋转轴靠近拉杆盖的一端拧入拉杆模块的另一端螺纹孔中；所述联轴器将电机的输出轴和蜗杆轴连接，蜗杆与蜗轮配合，所述蜗轮与拉杆共轴，蜗轮轴即为拉杆轴；电机的转动最终带动拉杆轴旋转运动；

所述旋转轴用于夹持薄壁管材，并带动薄壁管材高精度旋转，旋转轴的底座安装在直线轴的动板上，可沿直线轴进给；直线轴和旋转轴组成了激光加工设备的精密二维运动平台； 

两个激光切割头安装在各自的Z轴模块上，两个Z轴模块分别安装在基准上，可手动或者自动实现在Z轴模块的上下直线运动，从而能够根据不同管径调整激光喷嘴下沿距离薄壁管材最表面的距离，控制待加工薄壁管材聚焦光斑的能量分布，同时在加工过程中能够随时根据激光光斑的变化调整喷嘴与加工薄壁管材表面的距离； 

所述激光发生器所发出的激光束经过准直扩束镜形成水平激光束，而后与照明光源发射的光同时入射至45°反射镜，45°反射镜对水平激光束全反射，并对照明光45°增透，激光束垂直入射到聚焦镜上；透过聚焦镜的激光束经过保护镜在焦点处聚成一极小的光斑，光斑在加工平台上的薄壁管材表面使工件瞬间汽化，再配合辅助高压气体供气单元提供的辅助切割气体将汽化的金属吹走；

所述CCD接收从45°反射镜反射的光，CCD用以在激光光斑位置调整时观察光斑聚焦情况，同时在加工过程中随时查看加工情况，并对加工过程全程录像；

所述微加工设备还包括控制系统；所述控制系统包括用于控制两个加工工位上的直线轴、旋转轴和Z轴模块的运动控制单元，以及用于控制激光发生器的激光控制单元；所述控制系统与直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器、CCD连接。

2.如权利要求1所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，将两个加工工位的二维运动平台分别安装在天然花岗岩材质制作的基准上；该二维运动平台集管材装夹与材料处理于一体，采用高分辨率光栅尺和高精度编码器位置反馈实现全闭环控制；所述两个Z轴模块分别安装在天然花岗岩的基准上。

3.如权利要求2所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述微加工设备包括水平工作面、与水平工作面垂直设置的立柱；两个加工工位的二维运动平台分别安装在水平工作面上，两个Z轴模块分别安装在立柱上。

4.如权利要求1所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，所述控制系统控制集成于一体，或者包括两个子控制系统，分别控制两个加工工位上的直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器。

5.如权利要求1至4之一所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述控制系统安装于PC机中或安装于手持移动终端中，PC机或手持移动终端通过控制线缆与直线轴、旋转轴、Z轴模块、激光发生器、CCD连接。

6.如权利要求1至4之一所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述活塞包括活塞套、活塞内套，其中活塞套、活塞内套设有0形密封圈密封。

7.如权利要求1至4之一所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述端盖与外盖之间设有端内盖；所述旋转轴装置包括底座，所述外壳设置于该底座上。

8.如权利要求1至4之一所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述拉杆为中空无缝管。

9.如权利要求1至4之一所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述拉杆的一端设有拉杆旋钮，可手动旋转拉杆。

10.如权利要求1至4之一所述的双工位薄壁管材的激光微加工设备，其特征在于，所述旋转轴在夹紧管材时，对第一气腔充气，高压气体会推动拉杆模块朝第一方向运动，从而带动外壳、端内盖和端盖一起朝第一方向运动，直到端盖的内圆锥面与夹头的外圆锥面紧贴为止，端盖继续向第一方向运动，导致弹性夹头收紧，将管材抱住，保持该状态，管材将一直被夹头抱紧；

需要松开管材时，为第二气腔充气、第一气腔放气，高压气体带动拉杆模块朝第二方向运动从而推动外壳、端内盖和端盖朝第二方向运动，进而使得弹性夹头的外圆锥面与端盖的内圆锥面相脱离，保持松开状态，此时弹性夹头依靠自身的弹性回复力保持松开状态，管材将被松开。

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