CN105414769B - 激光加工中心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工中心，包括控制系统、激光器、光路系统、加工机床、聚光系统、激光刀头、气源和废料接收装置，所述激光刀头活动安装在所述加工机床上，所述光路系统连接在所述激光器和所述激光刀头之间，所述激光刀头中设有保护气喷咀，所述保护气喷咀与所述气源连通，所述聚光系统位于所述光路系统与所述激光刀头之间，所述废料接收装置位于所述激光刀头的下方，所述激光器和加工机床均与所述控制系统通信连接。该激光加工中心工作效率高，加工精度高，并且节能环保。

Description

激光加工中心

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种激光加工中心。

背景技术

随着技术的进步零件加工的方法和手段也越来越多样化，机械零件加工成型的方法，从基本思路来说可以分成两大类，一种就是传统的从整体逐渐去除材料而最终得到成品零件，如传统的车、铣、钻、磨、刨等；另一种就是从离散添加的角度，逐层添加材料来堆积出所需零件，如各种快速成型方法，sls、lom、fdm等，人们分别沿两种思路，或将两种思路结合，开发出各种新的机械加工成型设备，比如电火花成型，线切割技术、激光切割，水刀切割技术等。

对这些现有的零件加工方法来说各有优缺点，比如传统的切削加工方法，消耗刀具，切削力大，加工系统容易变形，影响加工精度，同时，绝大部分切削加工需要切削液，而切削液往往有毒副作用，而且加工材料受限制，比如特别硬的材料，或其他一些特殊材料都难以加工。各种离散堆积成型的方法，还大多只能制造原型件，其制件的强度和精度都较低，大多无法实际应用。其他如电火花成型等也都存在污染大，效率低等缺点。零件机加工后微观表面依然是高低起伏不平的。很多应用场合要求零件有较高的表面精度，所以需要对之进行光整加工。复杂曲面表面的光整加工较为困难。

激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，随着激光技术的发展，在材料加工方面，已逐步形成了一系列崭新的激光加工方法——统称激光加工(Lasser BeamMachining简称IBM)。激光加工可以用于打孔、切割、打标、焊接、热处理、以及激光雕刻等各个领域。由于激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料，已经在生产实践领域中愈来愈多地显示了它的优越性，越来越受到人们的重视。激光加工是利用光的能量，经过透镜焦聚，在焦点上达很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。

机械加工行业里，金属零件或其他材质的零件的切削加工中，有些材料特别难加工比如航空制造业里的高温合金，陶瓷材料等等，加工过程中刀具使用寿命低，切削质量也不容易保证，如果可以使用高能激光取代传统刀具，就可以解决刀具消耗大和切削热以及切削力影响加工质量的问题，并且可以加工传统切削手段所难以加工的材料，比如玻璃、陶瓷等等。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种激光加工中心，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种工作效率高，加工精度高，节能环保的激光加工中心。

本发明提出的一种激光加工中心，其特征在于：包括控制系统、激光器、光路系统、加工机床、聚光系统、激光刀头、气源和废料接收装置，所述激光刀头活动安装在所述加工机床上，所述光路系统连接在所述激光器和所述激光刀头之间，所述激光刀头中设有保护气喷咀，所述保护气喷咀与所述气源连通，所述聚光系统位于所述光路系统与所述激光刀头之间，所述废料接收装置位于所述激光刀头的下方，所述激光器和加工机床均与所述控制系统通信连接。

作为本发明的进一步改进，还包括一激光冷却系统，所述激光冷却系统为激光冷却机，所述激光器安装在所述激光冷却机中并与所述激光冷却机通信连接。

作为本发明的进一步改进，还包括一安全系统，所述安全系统为一监控设备，所述激光器和加工机床均与所述安全系统通信连接，所述安全系统与所述控制系统通信连接。

作为本发明的进一步改进，所述加工机床包括床身、夹具、立柱、横梁和悬臂，所述夹具固定在所述床身上所述夹具供工件装夹，所述立柱为两个且分别竖直固定在所述床身的后端两侧，所述横梁上下移动连接在所述立柱上，所述悬臂左右移动连接在所述横梁上，所述悬臂与所述横梁垂直，所述激光刀头前后移动连接在所述悬臂的下方。

作为本发明的进一步改进，所述废料接收装置为一水箱，所述床身的中间设有敞开的空腔，所述水箱放置在所述空腔中。

作为本发明的进一步改进，所述床身上端面的四周固定有挡板。

作为本发明的进一步改进，所述聚光系统为一凸透镜，所述聚光系统固定安装在所述激光刀头的上端。

作为本发明的进一步改进，所述激光刀头的外壁上设有一接气口，所述接气口与所述保护气喷咀连通，所述接气口通过气管与所述气源连接。

作为本发明的进一步改进，所述气源的出气口处固设有气阀，所述光路系统的出口处固设有开关。

作为本发明的进一步改进，所述控制系统为一计算机。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明激光加工中心使用高能激光束作为加工刀具，不用使用传统刀具，几乎没有切削力，也不存在冷却和润滑问题，几乎不受材料限制，可加工各种高硬、脆性、韧性材料。工作效率高，加工精度高，节能环保。同时，本发明综合利用了两类加工思想，以离散的思想为指导，以应用高能激光精准去除材质的方法为手段，高效、高精度地加工零件，是制造方法的一个全新突破。利用用高能激光束，以适当的功率扫描零件的表面，使得为突起部分熔融，回缩向零件基体表面，从而实现零件的光整加工。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明激光加工中心的组成示意图；

图2为本发明中加工机床的结构示意图；

图3为本发明中激光刀头的结构示意图；

图4为实验例中零件加工的示意图；

图5为实验例中激光扫描路径示意如图；

其中：1-控制系统；2-激光器；3-光路系统；4-加工机床；5-聚光系统；6-激光刀头；7-气源；8-废料接收装置；9-保护气喷咀；10-激光冷却系统；11-安全系统；12-气管；13-气阀；14-开关；15-工件；41-床身；42-夹具；43-立柱；44-横梁；45-悬臂；46-挡板；61-接气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例：一种激光加工中心，包括控制系统1、激光器2、光路系统3、加工机床4、聚光系统5、激光刀头6、气源7和废料接收装置8，所述激光刀头活动安装在所述加工机床上，所述光路系统连接在所述激光器和所述激光刀头之间，所述激光刀头中设有保护气喷咀9，所述保护气喷咀与所述气源连通，所述聚光系统位于所述光路系统与所述激光刀头之间，所述废料接收装置位于所述激光刀头的下方，所述激光器和加工机床均与所述控制系统通信连接。

该激光加工中心使用高能激光束作为加工刀具，不用使用传统刀具，几乎没有切削力，也不存在冷却和润滑问题，几乎不受材料限制，可加工各种高硬、脆性、韧性材料。工作效率高，加工精度高，节能环保。同时根据加工需要可以在激光刀头内通入相应气体，比如惰性保护气体等使其与激光束共同作用在工件加工区域，以对加工区域形成惰性保护氛围，完成切削加工工作。

该激光加工中心利用了两类加工思想，以离散的思想为指导，以应用高能激光精准去除材质的方法为手段，把零件和毛坯件分别相应分层离散，同时比较各层，将不属于零件的材料，采用用激光去除，这样逐层进行，直到最终完成零件的加工，高效、高精度地加工零件，是制造方法的一个全新突破。同时也能利用用高能激光束，以适当的功率扫描零件的表面，使得为突起部分熔融，回缩向零件基体表面，从而实现零件的光整加工。

还包括一激光冷却系统10，所述激光冷却系统为激光冷却机，所述激光器安装在所述激光冷却机中并与所述激光冷却机通信连接。

还包括一安全系统11，所述安全系统为一监控设备，所述激光器和加工机床均与所述安全系统通信连接，所述安全系统与所述控制系统通信连接。

所述加工机床包括床身41、夹具42、立柱43、横梁44和悬臂45，所述夹具固定在所述床身上，所述夹具供工件装夹，所述立柱为两个且分别竖直固定在所述床身的后端两侧，所述横梁上下移动连接在所述立柱上，所述悬臂左右移动连接在所述横梁上，所述悬臂与所述横梁垂直，所述激光刀头前后移动连接在所述悬臂的下方。

所述废料接收装置为一水箱，所述床身的中间设有敞开的空腔，所述水箱放置在所述空腔中。水箱中存放吸收多余激光能量的黑色液体，比如碳素墨水等，用以吸收激光切除工件材料后，多余光束的能量，以保证机床安全；根据需要可以在切削区的侧面设置集尘、吸气和除烟装置，用以除去汽化的金属烟尘，保证切削的顺利进行。

所述床身上端面的四周固定有挡板46。

所述聚光系统为一凸透镜，所述聚光系统固定安装在所述激光刀头的上端。

所述激光刀头的外壁上设有一接气口61，所述接气口与所述保护气喷咀连通，所述接气口通过气管12与所述气源连接。

所述气源的出气口处固设有气阀13，所述光路系统的出口处固设有开关14。

所述控制系统为一计算机。

激光聚焦后，光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。例如耐热合陶瓷，英石，金刚石等硬脆材料都能加工；激光光斑大小可以焦聚到微米级，输出功率可以调节，因此可用以精密微细加工；加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快，热影响区小，容易实现加工过程自动化；和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置；激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护镜。

该激光加工中心工作原理为：利用高能激光束，瞬间熔化或汽化工件相应区域去除材料，当激光光斑大小一定，能力分布规律一定，照射时间一定，激光作用点与零件加工表面距离一定，工件材料一定时，高能激光束单位脉冲或单位时间去除的材料量也就确定了。我们类比快速成型中粉末激光烧结成型的原理，粉末激光烧结成型时，是将零件的三维CAD模型，分层切片(由计算机自动完成)然后用激光逐层扫描烧结切片轮廓，形成最终零件。在激光加工中心上，是将零件毛坯和零件的三维CAD模型同时切片，然后用毛坯的相应切片轮廓减去零件相应切片轮廓，剩下的面积就是要去除的材料。然后用高能激光束在去除材料的轮廓内按一定的扫描方式移动，这样逐层去除材料最终形成成品零件。

实验例：如图4所示，需要加工零件的毛坯是一块长方形的原料。假定圆孔轴线为z轴方向，对本零件显然以垂直于z轴方向的平面，在零件范围内任意截面轮廓是一样的，则对于每一部分来说阴影部分就是要去除的材料。在各参数一定的情况下，如以一定的扫描速度移动激光束，其去除材料的深度为h(比如0.05mm)的话，那么就可以设置切片cad软件，每隔h高度进行切片。然后控制计算机按照切片数据逐层扫描毛坯去除材料，最终得到相应的零件。当然这是一个等截面的特例，对于变截面出来过程完全一样，只是这时候的切片厚度将直接影响零件的最终加工精度和表面质量。理论上切片越薄，加工出的零件就越精确，当然这时要相应调节激光参数，使得去除材料的深度和切片深度相适应。

扫描路径可以根据截面有多种方式，其优化的方法可以借鉴激光烧结成型中的激光光斑的扫描路径优化算法。扫描路径示意如图5所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种激光加工中心，其特征在于：包括控制系统、激光器、光路系统、加工机床、聚光系统、激光刀头、气源和废料接收装置，所述激光刀头活动安装在所述加工机床上，所述光路系统连接在所述激光器和所述激光刀头之间，所述激光刀头中设有保护气喷咀，所述保护气喷咀与所述气源连通，所述聚光系统位于所述光路系统与所述激光刀头之间，所述废料接收装置位于所述激光刀头的下方，所述激光器和加工机床均与所述控制系统通信连接；

还包括一激光冷却系统，所述激光冷却系统为激光冷却机，所述激光器安装在所述激光冷却机中并与所述激光冷却机通信连接；

还包括一安全系统，所述安全系统为一监控设备，所述激光器和加工机床均与所述安全系统通信连接，所述安全系统与所述控制系统通信连接；

所述加工机床包括床身、夹具、立柱、横梁和悬臂，所述夹具固定在所述床身上，所述夹具供工件装夹，所述立柱为两个且分别竖直固定在所述床身的后端两侧，所述横梁上下移动连接在所述立柱上，所述悬臂左右移动连接在所述横梁上，所述悬臂与所述横梁垂直，所述激光刀头前后移动连接在所述悬臂的下方；

所述激光刀头的外壁上设有一接气口，所述接气口与所述保护气喷咀连通，所述接气口通过气管与所述气源连接；

所述废料接收装置为一水箱，所述床身的中间设有敞开的空腔，所述水箱放置在所述空腔中；

所述床身上端面的四周固定有挡板；

所述聚光系统为一凸透镜，所述聚光系统固定安装在所述激光刀头的上端；

所述气源的出气口处固设有气阀，所述光路系统的出口处固设有开关；

所述水箱中存放有吸收多余激光能量的黑色液体。

2.根据权利要求1所述的激光加工中心，其特征在于：所述控制系统为一计算机。