CN106271051A - 一种三维柔性低功率激光加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维柔性低功率激光加工系统，包括工业机器人，小臂和第四轴、第六轴为中空结构的工业六自由度机器人；激光器，功率低于200W的CO2激光器；精密导光结构，用于光路传输、整形和聚焦等；工作台，用于待加工零件的安装定位；水冷系统，用于激光器、导光结构等发热部分的水冷散热；激光控制柜，用于激光器出光控制。本发明加工精度高、效率高，可用于工程塑料、橡胶、玻璃、布匹、皮革等非金属材料的三维加工，也可用于金属材料的焊接等。

Description

一种三维柔性低功率激光加工系统
技术领域
本发明涉及激光精密加工技术领域，具体为一种三维柔性低功率激光加工系统。
背景技术
近年来，非金属三维复杂工件的加工需求日益增多，使用模具来加工的成本高，且模具自身加工周期长，因此柔性激光加工系统的需求日益增多。非金属材料对光纤机光器等吸收率较低，最佳的方案是使用CO2激光器，但CO2激光本身难以通过光纤等柔性介质传输，一般只能通过由多面反射镜组成的模拟柔性的机械导光臂来传输。由于CO2激光器的重量过重，市面上常用的解决方案是将激光器安置在地面上，通过长导光臂将激光传导到激光头上，激光头安装在工业机器人上，由于导光臂是悬吊在空中，到工业机器人在运动时难免会发生运动干涉，这样就大大缩减了工业机器人的活动范围，整个系统的加工范围受限。
针对现有解决方案上的不足，本发明提供一种激光与机器人高度集成的混搭方案。对于功率在低于200W的CO2激光器，自身重量在50kg以内的，可以直接背负在机器人的臂上。通过激光导光结构将光路传输至六轴末端。六自由度导光臂巧妙的安装在机器人的第五关节附近，这样，当机器人的第四关节和第五关节做旋转运动时，导光臂的六关节随着机器人的关节转动，导光臂对机器人的活动范围没有任何影响。
此种解决方案，在低功率激光加工中运动灵活性高、光路精度高，且系统成本较传统方案有所减低，可广泛应用在用于工程塑料、橡胶、玻璃、布匹、皮革、印刷电路板等非金属材料的三维加工，也可用于金属材料的焊接等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维柔性低功率激光加工系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三维柔性低功率激光加工系统,包括工业机器人、激光器、精密导光结构、工作台、水冷系统、激光控制柜；所述工业机器人采用小臂和第四轴、第六轴为中空结构的工业六自由度机器人；所述激光器采用功率低于200W的CO2激光器；所述工业机器人上端固定设置精密导光结构，所述精密导光结构上端固定设有激光器，所述工作台设置在工业机器人一侧，且设置在精密导光结构正下方，所述激光控制柜与水冷系统相连，所述激光控制柜与激光器电性连接。
优选的，所述精密导光结构包括指示光组件、扩束组件、第一平面反射组件、第二平面反射组件、导光管、6自由度导光臂和激光加工头，所述指示光组件固定连接扩束组件，所述扩束组件与第一平面反射组件相连，所述第一平面反射组件与第二平面反射组件相连，所述第二平面反射组件通过导光管连接6自由度导光臂，所述6自由度导光臂前端固定连接激光加工头。
优选的，所述6自由度导光臂上设有通光孔，且所述通光孔孔径为15mm，所述通光孔设置在机器人的第五关节处。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的系统结构高度集成、结构紧凑，占用厂房中的工作面积较小；保留了机器人原有的加工范围，解决了运动中机器人可能与导光臂的碰撞干涉问题；另外激光通过高精度导光结构传输，机器人全活动范围内，激光聚焦后焦点保持在喷嘴中心轴线0.06mm范围以内。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的精密导光结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种三维柔性低功率激光加工系统,包括工业机器人1、激光器2、精密导光结构3、工作台4、水冷系统5、激光控制柜6；所述工业机器人1采用小臂和第四轴、第六轴为中空结构的工业六自由度机器人；所述激光器2采用功率低于200W的CO2激光器，低功率的CO2激光器自身重量通常较低，可直接背在机器人臂上，激光器的线缆、水冷管路等可沿着机器人本身的管线包行走；所述工业机器人1上端固定设置精密导光结构3，精密导光结构3用于光路传输、整形和聚焦等；所述精密导光结构3上端固定设有激光器2，所述工作台4设置在工业机器人1一侧，且设置在精密导光结构3正下方，工作台4用于待加工零件的安装定位；所述激光控制柜6与水冷系统5相连，水冷系统5用于激光器、导光结构等发热部分的水冷散热；所述激光控制柜6与激光器2电性连接。
本实施例中，精密导光结构3包括指示光组件301、扩束组件302、第一平面反射组件303、第二平面反射组件304；导光管305；6自由度导光臂306和激光加工头307，所述指示光组件301固定连接扩束组件302，所述扩束组件302与第一平面反射组件303相连，所述第一平面反射组件303与第二平面反射组件304相连，所述第二平面反射组件304通过导光管305连接6自由度导光臂306，所述6自由度导光臂306前端固定连接激光加工头307；其中，指示光组件为系统的调试用指示光，通常为红光，如果激光器自身带红光指引可省略此模块；激光器射出的激光传输较长距离后会发散，扩束模块用于光路扩束，降低光束的发散角，确保激光远距离传输后光斑直径在合理范围内；两组平面反射镜组件用于光路调中和角度调节，保证光路同轴；激光加工头将准直的激光进行聚焦，焦距可根据工艺要求微调。
另外，本实施例中，6自由度导光臂306上设有通光孔，且所述通光孔孔径为15mm，所述通光孔设置在机器人的第五关节处，当机器人的第四关节和第五关节做旋转运动时，导光臂的六关节随着机器人的关节转动，导光臂对机器人的活动范围没有任何影响。
本实施例中，激光传输经过扩束、反射镜、六自由度导光臂和激光加工头后，机器人全活动范围内，激光聚焦后焦点保持在喷嘴中心轴线0.06mm范围以内。
本实施例中，激光的开关光、水路开关、切割辅助气路的开关都直接整合到机器人自身的控制机柜中。机器人1编程后，带动激光加工头307在工件待切割路径处运动，焦点离工件的距离可通过激光加工头上的调节结构调整，根据工艺要求不断优化。
本发明的系统结构高度集成、结构紧凑，占用厂房中的工作面积较小；保留了机器人原有的加工范围，解决了运动中机器人可能与导光臂的碰撞干涉问题；另外激光通过高精度导光结构传输，机器人全活动范围内，激光聚焦后焦点保持在喷嘴中心轴线0.06mm范围以内。
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物限定。

Claims (3)

1.一种三维柔性低功率激光加工系统,其特征在于：包括工业机器人(1)、激光器(2)、精密导光结构(3)、工作台(4)、水冷系统(5)、激光控制柜(6)；所述工业机器人(1)采用小臂和第四轴、第六轴为中空结构的工业六自由度机器人；所述激光器(2)采用功率低于200W的CO2激光器；所述工业机器人(1)上端固定设置精密导光结构(3)，所述精密导光结构(3)上端固定设有激光器(2)，所述工作台(4)设置在工业机器人(1)一侧，且设置在精密导光结构(3)正下方，所述激光控制柜(6)与水冷系统(5)相连，所述激光控制柜(6)与激光器(2)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种三维柔性低功率激光加工系统，其特征在于：所述精密导光结构(3)包括指示光组件(301)、扩束组件(302)、第一平面反射组件(303)、第二平面反射组件(304)；导光管(305)；6自由度导光臂(306)和激光加工头(307)，所述指示光组件(301)固定连接扩束组件(302)，所述扩束组件(302)与第一平面反射组件(303)相连，所述第一平面反射组件(303)与第二平面反射组件(304)相连，所述第二平面反射组件(304)通过导光管(305)连接(6)自由度导光臂(306)，所述6自由度导光臂(306)前端固定连接激光加工头(307)。
3.根据权利要求2所述的一种三维柔性低功率激光加工系统，其特征在于：所述6自由度导光臂(306)上设有通光孔，且所述通光孔孔径为(15)mm，所述通光孔设置在机器人的第五关节处。
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