CN106238908A - 一种激光加工机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种激光加工机器人。它包括底盘、激光加工头、万向臂总成、供电电缆和激光器电源装置；激光加工头包括外壳体、用于产生激光束的氦氖激光器、用于对氦氖激光器输出的激光束进行路径变换的第一反射镜和第二反射镜以及呈直线排列的全反镜、腔内望远镜、激光振荡器、耦合输出镜、用于对耦合输出镜输出的激光束进行能量调节的激光放大器、扩束镜，同时还包括一将经由扩束镜扩大后的激光束引导至聚焦镜表面的第三反射镜。本发明对激光束的能量进行两级放大输出，从而可大大提高激光的输出功率，保证机器人能够对超硬材料进行诸如切割、打孔、焊接以及表面处理等，有利于提高机器人的作业效率。

Description

一种激光加工机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种激光加工机器人。
背景技术
激光加工机器人是一种采用激光切割技术对被加工件进行自动切割、打孔、表面处理及修复等处理的自动化设备，因其利用聚焦后的激光束作为主要热源，在切割速度及精度、切口光滑度以及具有清洁安全无污染等突出优点，而被广泛应用于诸如汽车制造、机械零部件加工、工程机械等诸多技术领域。
目前，现有的激光加工机器人虽然在结构以及功能方面得到了迅速的提升和改进，但仍然存在以下弊端：1、结构构造相对复杂、作业范围小、加工效率低；2、激光加工头发出的激光束的热效率偏低，无法对诸如聚晶金刚复合片等超硬材料进行有效的切割，造成现有的激光加工机器人的应用范围受到了很大的限制；3、在机器人作业的过程中无法对被加工件与激光束之间的位置关系以及状态进行实时观察，从而无法根据实际的作业情况对机器人进行工作状态的调整；4、激光电源作为激光加工头的功力装置，其直接关系到激光加工头能否进行正常工作，然而，由于现有的激光电源在电路结构及功能方面设计的不甚理想，导致激光电源的工作效率较低，激光加工头的工作稳定性和可靠性无法得到有效的保证。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光加工机器人。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光加工机器人，它包括底盘、激光加工头、装设于底盘与激光加工头之间的万向臂总成以及装设于底盘内并通过供电电缆与激光加工头电连接的激光器电源装置；
所述激光加工头包括装设于万向臂总成上的外壳体以及封装于外壳体内的用于产生激光束的氦氖激光器、用于对氦氖激光器输出的激光束进行路径变换的第一反射镜、用于对第一反射镜反射的激光束进行路径变换的第二反射镜、用于对第二反射镜反射的激光束进行全反射的全反镜、用于对全反镜射出的激光束进行聚焦的腔内望远镜、用于对经由腔内望远镜输出的激光束进行一次能量放大并同时对激光脉冲及光束发散角进行调整的激光振荡器、用于将激光振荡器输出的多束激光束汇集到同一光路上的耦合输出镜、用于对耦合输出镜输出的激光束进行能量调节的激光放大器、用于对激光放大器输出的激光束进行直径扩大的扩束镜以及将经由扩束镜扩大后的激光束引导至聚焦镜表面的第三反射镜；
所述全反镜、腔内望远镜、激光振荡器、耦合输出镜、激光放大器和扩束镜呈直线排列并封装于外壳体内，所述激光器电源装置通过供电电缆分别与氦氖激光器、激光振荡器和激光放大器电连接，所述第二反射镜与全反镜的中轴线之间的夹角为45°，所述第一反射镜与第二反射镜呈镜像分布，所述第三反射镜与扩束镜的中轴线之间的夹角以及与聚焦镜的中轴线之间的夹角均为45°，所述聚焦镜装设于外壳体的端口内，且所述外壳体的端口内还设置有一位于聚焦镜的出光侧的保护镜。
优选地，所述激光加工头上还装设有一定位器，所述定位器包括一CCD录像机和一物镜，所述物镜位于第三反射镜与CCD摄像机之间，所述物镜的中轴线与聚焦镜的中轴线相重合，且所述物镜和聚焦镜分别位于第三反射镜的两侧。
优选地，所述激光振荡器和激光放大器均采用Nd：YAG固体激光器，所述激光放大器的工作物质为Φ8mmX180mm的Nd：YAG晶体棒、谐振腔长度为330mm。
优选地，所述万向臂总成包括座设于底盘上的第一旋转马达、沿Y轴方向装设于第一旋转马达的输出轴上的旋转盘、沿X轴方向装设于旋转盘上的第二旋转马达、沿Y轴方向布置并套装于第二旋转马达的输出轴上的主臂以及沿X轴方向装设于主臂的顶端的第三旋转马达，所述激光加工头沿Z轴方向装设于第三旋转马达的输出轴上。
优选地，所述旋转盘上开设有一供供电电缆进行布线的出线过线孔，所述主臂的侧壁上装设有一用于固定供电电缆的压线板，所述外壳体上设置有一供供电电缆进行布线的入线过线孔。
优选地，所述主臂的底端侧壁上、与第二旋转马达的输出轴相对位的区域装设有一第一导线盘，所述主臂的顶端侧壁上、位于压线板的上方侧装设有第二导线盘，所述第一导线盘和第二导线盘上均装设有若干个用于卡合供电电缆的导线梳齿排。
优选地，所述激光器电源装置包括与外部电源相连的输入整流滤波模块、用于对输入整流滤波模块输出的电压进行降压处理的高频变压器、通过供电电缆将高频变压器的次级侧的电压对外输出的输出整流滤波模块、用于控制输出整流滤波模块启闭的开关电源控制模块以及用于对开关电源控制模块进行保护的钳位保护模块；
所述输入整流滤波模块通过钳位保护模块连接于高频变压器的初级侧，所述输出整流滤波模块的输入端连接于高频变压器的次级侧，所述开关电源控制模块连接于钳位保护模块与输出整流滤波模块之间。
优选地，所述开关电源控制模块包括TNY256型开关电源芯片、TLP521型线性光耦和TL431型稳压二极管，所述开关电源芯片的漏极引脚连接于钳位保护模块的输出端、源极引脚接地、旁路端引脚通过第九电容接地、使能欠压端引脚连接线性光耦的集电极，所述线性光耦的发射极接地、阳极连接输出整流滤波模块、阴极通过稳压二极管接地。
优选地，所述输入整流滤波模块包括互感器、单相整流桥和自感器，所述单相整流桥的两个输入端通过互感器连接于外部电源的零线和火线之间、一个输出端通过自感器连接钳位保护模块的输入端、另一个输出端通过第十一电容接地，所述外部电源的零线和火线之间还串接有第一电容，所述自感器的两端分别通过第二电容和第三电容接地，且所述自感器还并联有第一电阻。
优选地，所述钳位保护模块包括1N4937型恢复二极管，所述恢复二极管的阳极连接于高频变压器的初级侧的一端、阴极通过并联设置的第二电阻和第四电容连接高频变压器的初级侧的另一端。
由于采用了上述方案，本发明可通过万向臂总成的作用实现对激光加工头的作业范围的有效变换及控制，利用激光器电源装置为激光加工头提供电源动力；同时，通过对激光加工头的组成部件的位置关系以及角度关系的设置，在实现激光束路径变换的同时，利用激光振荡器和激光放大器的共同作用对激光束的能量进行两级放大输出，从而可大大提高激光的输出功率，保证机器人能够对超硬材料进行诸如切割、打孔、焊接以及表面处理等，有利于提高机器人的作业效率；其结构简单、作业范围大、稳定性高、适用范围广，具有很强的实用价值和市场推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的激光加工头的主要组成元器件的位置布置关系及激光束路径走向示意图；
图3是本发明实施例的激光器电源装置的控制原理框图；
图4是本发明实施例的激光器电源装置的电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1至图4所示，本实施例提供的一种激光加工机器人，它包括底盘a、激光加工头b、装设于底盘a与激光加工头b之间的万向臂总成c以及装设于底盘a内并通过供电电缆d与激光加工头b电连接的激光器电源装置；其中，激光加工头b包括装设于万向臂总成c上的外壳体1以及封装于外壳体1内的用于产生激光束的氦氖激光器2、用于对氦氖激光器2输出的激光束进行路径变换的第一反射镜3、用于对第一反射镜3反射的激光束进行路径变换的第二反射镜4、用于对第二反射镜4反射的激光束进行全反射的全反镜5、用于对全反镜5射出的激光束进行聚焦的腔内望远镜6、用于对经由腔内望远镜6输出的激光束进行一次能量放大并同时对激光脉冲及光束发散角进行调整的激光振荡器7、用于将激光振荡器7输出的多束激光束汇集到同一光路上的耦合输出镜8、用于对耦合输出镜8输出的激光束进行能量调节的激光放大器9、用于对激光放大器9输出的激光束进行直径扩大的扩束镜10以及将经由扩束镜10扩大后的激光束引导至聚焦镜11表面的第三反射镜12；并且全反镜5、腔内望远镜6、激光振荡器7、耦合输出镜8、激光放大器9和扩束镜10呈直线排列并封装于外壳体1内，激光器电源装置通过供电电缆d分别与氦氖激光器2、激光振荡器7和激光放大器9电连接，第二反射镜4与全反镜5的中轴线之间的夹角为45°，第一反射镜3与第二反射镜4呈镜像分布，第三反射镜12与扩束镜10的中轴线之间的夹角以及与聚焦镜11的中轴线之间的夹角均为45°，聚焦镜11装设于外壳体1的端口内，且在外壳体1的端口内还设置有一位于聚焦镜11的出光侧的保护镜13。
如此，整个机器人在运行时，可通过万向臂总成c的作用实现对激光加工头b的作业范围的有效变换及控制，利用激光器电源装置为激光加工头b提供电源动力；同时，通过对激光加工头b的组成部件的位置关系以及角度关系的设置，在实现激光束路径变换的同时，利用激光振荡器7和激光放大器9的共同作用对激光束的能量进行两级放大输出，从而可大大提高激光的输出功率，保证机器人能够对超硬材料进行诸如切割、打孔、焊接以及表面处理等，有利于提高机器人的作业效率。
为便于操作人员可实时观测被加工件的处理状况，在激光加工头b上还装设有一定位器e，定位器e主要由一CCD录像机14和一物镜15构成，其中，物镜15位于第三反射镜12与CCD摄像机14之间，物镜15的中轴线与聚焦镜11的中轴线相重合，且物镜15和聚焦镜11分别位于第三反射镜12的两侧。以此，操作人员可利用CCD录像机14从激光束的出光侧的反方向对被加工件进行实时观测，并可根据处理情况实时调整机器人的工作状态；而由于采用CCD录像机14作为主要的观测设备，利于实现对机器人的远程控制。
作为一个优选方案，本实施例的激光振荡器7和激光放大器9均优先采用Nd：YAG固体激光器，其中，激光放大器9的工作物质为Φ8mmX180mm的Nd：YAG晶体棒、谐振腔长度为330mm。以此，可有效满足对激光束能量放大的调节要求。
为优化整个机器人的结构，以最大限度地扩大其作业范围并增强其运行的灵活性，本实施例的万向臂总成c包括座设于底盘a上的第一旋转马达16、沿Y轴方向装设于第一旋转马达16的输出轴上的旋转盘17、沿X轴方向装设于旋转盘17上的第二旋转马达18、沿Y轴方向布置并套装于第二旋转马达18的输出轴上的主臂19以及沿X轴方向装设于主臂19的顶端的第三旋转马达20，而激光加工头b沿Z轴方向装设于第三旋转马达20的输出轴上。以此，通过第一旋转马达16所提供的动力可最终控制激光加工头b能够在X-Z平面内作任意角度的旋转运动，通过第二旋转马达18所提供的动力科最终控制激光加工头b在Y-Z平面内作一定角度的旋转运动(可以理解为：相对于底盘a作俯仰运动)，而通过第三旋转马达18则可保证激光加工头b能够相对于主臂19在Y-Z平面内进一步进行旋转运动，从而通过万向臂总成c的多级控制以及不同形式的动作，可使激光加工头b进行大范围多角度的动作，以满足对被加工件多方位的处理要求。
为能够为供电电缆d提供合理的布线空间，在旋转盘17上开设有一供供电电缆d进行布线的出线过线孔17-1，在主臂19的侧壁上装设有一用于固定供电电缆d的压线板19-1，在外壳体1上设置有一供供电电缆c进行布线的入线过线孔1-1。以此，不但能够对供电电缆d进行合理布线，同时也便于对供电电缆d进行快速的拆卸。
为保证供电电缆d在实现正常供电的同时，避免其对万向臂总成c的正常运行造成干扰，在主臂19的底端侧壁上、与第二旋转马达18的输出轴相对位的区域装设有一第一导线盘19-2，在主臂19的顶端侧壁上、位于压线板19-1的上方侧装设有第二导线盘19-3，并且在第一导线盘19-2和第二导线盘19-3上均装设有若干个用于卡合供电电缆d的导线梳齿排f。
为保证激光加工头b工作的稳定性以及可靠性，本实施例的激光器电源装置包括与外部电源g相连的输入整流滤波模块h、用于对输入整流滤波模块h输出的电压进行降压处理的高频变压器T、通过供电电缆d将高频变压器T的次级侧的电压对外输出的输出整流滤波模块k、用于控制输出整流滤波模块k启闭的开关电源控制模块m以及用于对开关电源控制模块m进行保护的钳位保护模块n；其中，输入整流滤波模块h通过钳位保护模块n连接于高频变压器T的初级侧，输出整流滤波模块k的输入端连接于高频变压器T的次级侧，而开关电源控制模块m则连接于钳位保护模块n与输出整流滤波模块k之间。以此，利用高频变压器T将输出电压与电网进行隔离，在有利于简化激光器电源装置电路结构，减少电源体积及成本的同时，可通过与开关电源控制模块m配合来提高整个电源的效率，进而为激光加工头b工作的稳定性及可靠性提供有力保障。
作为一个优选方案，本实施例的开关电源控制模块m主要由TNY256型开关电源芯片U1、TLP521型线性光耦U2和TL431型稳压二极管D等构成，其中，开关电源芯片U1的漏极引脚连接于钳位保护模块n的输出端、源极引脚接地、旁路端引脚通过第九电容C9接地、使能欠压端引脚连接线性光耦U1的集电极，而线性光耦U2的发射极接地、阳极连接输出整流滤波模块k、阴极通过稳压二极管D接地。以此，通过开关电源芯片U1作为整个电源装置的控制核心，利用线性光耦U2、稳压二极管D等共同构成电压反馈电路，以便开关电源芯片U1能够调整整个电路的占空比，使电源装置输出的电压趋于稳定。
作为一个优选方案，本实施例的输入整流滤波模块h主要包括互感器L1、单相整流桥KBU和自感器L2，其中，单相整流桥KBU的两个输入端通过互感器L1连接于外部电源g的零线和火线之间、一个输出端通过自感器L2连接钳位保护模块n的输入端、另一个输出端通过第十一电容C11接地，外部电源g的零线和火线之间还串接有第一电容C1，而自感器L2的两端则分别通过第二电容C2和第三电容C3接地，且自感器L2还并联有第一电阻R1。从而可利用单相整流桥KBU对输入的电压进行整流，利用互感器L1及自感器L2等构成滤波电路，以保证输入电压的稳定性。
作为一个优选方案，本实施例的钳位保护模块n包括1N4937型恢复二极管D1，恢复二极管D1的阳极连接于高频变压器T的初级侧的一端、阴极通过并联设置的第二电阻R2和第四电容C4连接高频变压器T的初级侧的另一端。当开关电源芯片U1中的功率开关管关断的瞬间，在高频变压器T的初次绕组漏感会产生尖峰电压，而钳位保护模块n则可有效抑制开关电源芯片U1漏极上的反向峰值电压，从而保证开关电源芯片U1不受损坏。另外，本实施例的输出整流滤波模块k主要由二极管、电感以及电容等元器件构成，其具体电路结构可参考图4进行设置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光加工机器人，其特征在于：它包括底盘、激光加工头、装设于底盘与激光加工头之间的万向臂总成以及装设于底盘内并通过供电电缆与激光加工头电连接的激光器电源装置；
所述激光加工头包括装设于万向臂总成上的外壳体以及封装于外壳体内的用于产生激光束的氦氖激光器、用于对氦氖激光器输出的激光束进行路径变换的第一反射镜、用于对第一反射镜反射的激光束进行路径变换的第二反射镜、用于对第二反射镜反射的激光束进行全反射的全反镜、用于对全反镜射出的激光束进行聚焦的腔内望远镜、用于对经由腔内望远镜输出的激光束进行一次能量放大并同时对激光脉冲及光束发散角进行调整的激光振荡器、用于将激光振荡器输出的多束激光束汇集到同一光路上的耦合输出镜、用于对耦合输出镜输出的激光束进行能量调节的激光放大器、用于对激光放大器输出的激光束进行直径扩大的扩束镜以及将经由扩束镜扩大后的激光束引导至聚焦镜表面的第三反射镜；
所述全反镜、腔内望远镜、激光振荡器、耦合输出镜、激光放大器和扩束镜呈直线排列并封装于外壳体内，所述激光器电源装置通过供电电缆分别与氦氖激光器、激光振荡器和激光放大器电连接，所述第二反射镜与全反镜的中轴线之间的夹角为45°，所述第一反射镜与第二反射镜呈镜像分布，所述第三反射镜与扩束镜的中轴线之间的夹角以及与聚焦镜的中轴线之间的夹角均为45°，所述聚焦镜装设于外壳体的端口内，且所述外壳体的端口内还设置有一位于聚焦镜的出光侧的保护镜。
2.如权利要求1所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述激光加工头上还装设有一定位器，所述定位器包括一CCD录像机和一物镜，所述物镜位于第三反射镜与CCD摄像机之间，所述物镜的中轴线与聚焦镜的中轴线相重合，且所述物镜和聚焦镜分别位于第三反射镜的两侧。
3.如权利要求1所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述激光振荡器和激光放大器均采用Nd：YAG固体激光器，所述激光放大器的工作物质为Φ8mmX180mm的Nd：YAG晶体棒、谐振腔长度为330mm。
4.如权利要求1所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述万向臂总成包括座设于底盘上的第一旋转马达、沿Y轴方向装设于第一旋转马达的输出轴上的旋转盘、沿X轴方向装设于旋转盘上的第二旋转马达、沿Y轴方向布置并套装于第二旋转马达的输出轴上的主臂以及沿X轴方向装设于主臂的顶端的第三旋转马达，所述激光加工头沿Z轴方向装设于第三旋转马达的输出轴上。
5.如权利要求4所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述旋转盘上开设有一供供电电缆进行布线的出线过线孔，所述主臂的侧壁上装设有一用于固定供电电缆的压线板，所述外壳体上设置有一供供电电缆进行布线的入线过线孔。
6.如权利要求5所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述主臂的底端侧壁上、与第二旋转马达的输出轴相对位的区域装设有一第一导线盘，所述主臂的顶端侧壁上、位于压线板的上方侧装设有第二导线盘，所述第一导线盘和第二导线盘上均装设有若干个用于卡合供电电缆的导线梳齿排。
7.如权利要求1-6中任一项所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述激光器电源装置包括与外部电源相连的输入整流滤波模块、用于对输入整流滤波模块输出的电压进行降压处理的高频变压器、通过供电电缆将高频变压器的次级侧的电压对外输出的输出整流滤波模块、用于控制输出整流滤波模块启闭的开关电源控制模块以及用于对开关电源控制模块进行保护的钳位保护模块；
所述输入整流滤波模块通过钳位保护模块连接于高频变压器的初级侧，所述输出整流滤波模块的输入端连接于高频变压器的次级侧，所述开关电源控制模块连接于钳位保护模块与输出整流滤波模块之间。
8.如权利要求7所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述开关电源控制模块包括TNY256型开关电源芯片、TLP521型线性光耦和TL431型稳压二极管，所述开关电源芯片的漏极引脚连接于钳位保护模块的输出端、源极引脚接地、旁路端引脚通过第九电容接地、使能欠压端引脚连接线性光耦的集电极，所述线性光耦的发射极接地、阳极连接输出整流滤波模块、阴极通过稳压二极管接地。
9.如权利要求8所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述输入整流滤波模块包括互感器、单相整流桥和自感器，所述单相整流桥的两个输入端通过互感器连接于外部电源的零线和火线之间、一个输出端通过自感器连接钳位保护模块的输入端、另一个输出端通过第十一电容接地，所述外部电源的零线和火线之间还串接有第一电容，所述自感器的两端分别通过第二电容和第三电容接地，且所述自感器还并联有第一电阻。
10.如权利要求8所述的一种激光加工机器人，其特征在于：所述钳位保护模块包括1N4937型恢复二极管，所述恢复二极管的阳极连接于高频变压器的初级侧的一端、阴极通过并联设置的第二电阻和第四电容连接高频变压器的初级侧的另一端。
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