CN109623161A - 一种多轴数控激光加工设备及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高精密雕刻加工领域，提供了一种多轴数控激光加工设备及其加工方法，以解决复杂曲面的雕刻加工，提高工业中的雕刻加工的加工精度和效率，本发明的设备包括机床主体，还包括用于产生激光束，还用于与数控机床模块进行通信振镜模块；用于控制振镜模块在垂直方向上移动控制组件；用于装夹待加工的加工件，还用于控制加工件的工件装夹支座；用于划分轴向并控制振镜模块和工件装夹支座在相应的轴向上运动及数控机床模块；工件装夹支座安装在机床主体上，振镜模块安装在工件装夹支座的上方，控制组件与振镜模块相连，数控机床模块分别与振镜模块、控制组件、以及工件装夹支座连接。

Description

一种多轴数控激光加工设备及其加工方法

技术领域

本发明涉及高精密雕刻加工领域，尤其涉及一种多轴数控激光加工设备及其加工方法。

背景技术

在汽车工业和航空航天工业中，高精密雕刻加工占据着非常重要的位置，目前在工业应用上主要采用传统的机械雕刻加工，但是，传统的机械雕刻加工存在加工精度不高、效率低等问题，随着技术的快速发展，传统的机械雕刻加工已不能满足于新的工艺研发和生产。目前，出现了激光雕刻技术，其中，激光雕刻是通过激光所产生的巨大能量直接将材料融化或者气化,通过与数控系统的配合从而达到我们零件想要的雕刻加工目的，但是，已有的激光器加工设备，大多存在雕刻加工的加工精度不高，效率不高等问题。

因此，解决复杂曲面的雕刻加工，提高工业中的雕刻加工的加工精度和效率是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种多轴数控激光加工设备及其加工方法，以实现针对复杂曲面的高精度和高效率的加工，降低加工件的报废率，并提高激光加工的自动化程度。

为实现上述目的，本发明提供了一种多轴数控激光加工设备，包括机床主体，还包括：

振镜模块，用于产生激光束，还用于与数控机床模块进行通信；所述振镜模块包括激光器、用于聚焦所述激光束的聚焦器件、以及用于控制所述激光束偏转扫描的调节机构；

控制组件，用于控制所述振镜模块在垂直方向上移动；

工件装夹支座，用于装夹待加工的加工件，并控制加工件在水平方向上的移动；

数控机床模块，用于划分轴向，将所述激光器模块的垂直移动方向划分为Z轴，将所述聚焦器件的旋转方向划分为B轴，将所述工件装夹支座所在的水平方向划分为X轴，平面内垂直于所述X轴的方向为Y轴，将加工件旋转的方向划分为A轴；所述数控机床模块还用于控制所述振镜模块和所述工件装夹支座在相应的轴向上运动；

所述工件装夹支座安装在所述机床主体上，所述振镜模块安装在所述工件装夹支座的上方，所述控制组件与所述振镜模块相连，所述数控机床模块分别与所述振镜模块、所述控制组件、以及所述工件装夹支座连接。

优选地，所述调节机构包括第一电机和第二电机，所述第一电机用于控制激光束在D轴上的扫描方向；所述第二电机用于控制激光束在F轴上的扫描方向；所述D轴与所述F轴为待加工曲面的切面中互相垂直的两个方向。

优选地，所述调节机构为DD马达，所述聚焦器件安装在所述DD马达的轴线上。

优选地，所述聚焦器件为振镜头。

优选地，所述振镜模块还包括设于所述激光器出射位置的镜片，所述镜片用于折射所述激光束，以保证激光束垂直进入聚焦器件的中心。

优选地，所述控制组件包括用于控制所述激光器模块在垂直方向上移动的升降机构，所述升降机构与所述激光器模块连接；且所述升降机构为导轨滑台。

优选地，所述工件装夹支座包括旋转轴，所述旋转轴用于连接待加工工件，并带动所述待加工工件旋转。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种多轴数控激光加工设备的加工方法，包括以下步骤：

S1：根据待加工件设定包括加工图像单元的待加工信息，将所述待加工信息输入数控机床模块和所述振镜模块中；

S2：数控机床模块根据所述待加工信息，控制工件装夹支座在X，Y，Z轴以及A轴上移动到需加工的位置，振镜模块根据所述待加工信息控制调节机构调节聚焦器件旋转，以使激光束发射方向与待加工曲面的法线方向一致，并由数控机床模块产生“位置到达”信号发送给振镜模块，振镜模块接收“位置到达”信号后产生“握手信号”反馈给数控机床模块以完成振镜模块与数控机床模块之间的信号连接；

S3：建立S2中的信号连接后，振镜模块产生激光束，对待加工件进行雕刻，当雕刻完一个加工图像单元后，振镜模块产生“启动位移”信号发送给数控机床模块；

S4：数控机床模块接收到“启动位移”信号后，调整工件装夹支座至下一个加工图像单元，返回S2继续加工，重复直至加工完整个待加工件。

优选地，所述振镜模块还包括第一电机和第二电机，在加工面雕刻图像单元时，通过所述第一电机控制调节激光器在D轴上的扫描方向，通过所述第二电机控制调节激光器在F轴上的扫描方向。

优选地，所述S4中，所述调整工件装夹支座至下一个加工图像单元时，移动至下一个加工图像单元的中心位置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种多轴数控激光加工设备及其加工方法，包括机床主体，还包括用于产生激光束，还用于与数控机床模块进行通信振镜模块；用于控制振镜模块在垂直方向上移动控制组件；用于装夹待加工的加工件，还用于控制加工件的工件装夹支座；用于划分轴向并控制振镜模块和工件装夹支座在相应的轴向上运动及数控机床模块；本发明中，通过调节机构调节聚焦器件旋转以使激光束发射方向时刻与待加工件的加工曲面的法线方向一致，能更好地使激光束作用于加工表面，实现针对复杂曲面的高精度和高效率的加工，降低加工件的报废率。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的多轴数控激光加工设备结构示意图；

图2是本发明优选实施例的轴向划分情况示意图；

图3是本发明优选实施例的调节机构旋转情况示意图。

附图标记：

1、振镜模块；2、控制组件；3、工件装夹支座；4、数控机床模块；5、调节机构。

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。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种多轴数控激光加工设备，包括机床主体，还包括：

振镜模块1，用于产生激光束，还用于与数控机床模块4进行通信；振镜模块1包括激光器、用于聚焦激光束的聚焦器件、以及用于控制激光束偏转扫描的调节机构5；

控制组件2，用于控制振镜模块1在垂直方向上移动；

工件装夹支座3，用于装夹待加工的加工件，并控制加工件在水平方向上的移动；

数控机床模块4，用于划分轴向，如图2所示，将激光器模块的垂直移动方向划分为Z轴，将聚焦器件的旋转方向划分为B轴，将工件装夹支座3所在的水平方向划分为X轴，平面内垂直于X轴的方向为Y轴，将加工件旋转的方向划分为A轴；数控机床模块4还用于控制振镜模块1和工件装夹支座3在相应的轴向上运动；

工件装夹支座3安装在机床主体上，振镜模块1安装在工件装夹支座3的上方，控制组件2与振镜模块1相连，数控机床模块4分别与振镜模块1、控制组件2、以及工件装夹支座3连接。

上述的多轴数控激光加工设备，通过调节机构5调节聚焦器件旋转以使激光束发射方向时刻与待加工件的加工曲面的法线方向一致，能更好地使激光束作用于加工表面，实现针对复杂曲面的高精度和高效率的加工，降低加工件的报废率。

作为本实施例优选的实施方式，调节机构5包括第一电机和第二电机，其中第一电机用于控制激光束在D轴上的扫描方向；第二电机用于控制激光束在F轴上的扫描方向；D轴与F轴为待加工曲面的切面中互相垂直的两个方向。其中，待加工曲面的切面指当前单元图案中心点的切向平面，且，由于待加工曲面的切平面在不同位置不一样，所以D轴与F两个轴的方向也随之一起变化。需要说明的是，在加工面雕刻图像时，通过第一电机和第二电机可以调节激光束在该切向平面(该切向平面的切向垂直于加工曲面的法向)内两个垂直的方向上实现偏转扫描，能更灵活的实现对加工件的多角度的雕刻。

作为本实施例优选的实施方式，调节机构5为DD马达，但本发明并不仅限于此，调节机构5还可以为由电机带动螺杆转动的位移台，即本发明并不对调节机构5采用的具体器件做限制，只需达到能带动聚焦器件旋转的作用即可。本实施例中，聚焦器件安装在DD马达的轴线上，且聚焦器件为振镜头内部的远心场镜或者Φθ场镜。优选地，振镜模块1可将图像单元进行细化分解，缩小单次加工过程中的扫描范围，减少远场的扫描光学畸变，从而有效提高加工质量和精度。

作为本实施例优选的实施方式，振镜模块1还包括设于激光束出射位置的镜片，该镜片用于折射(或者反射)激光束以保证激光束垂直进入聚焦器件。即，经过镜片的折射作用(或者反射作用)，激光束垂直进入振镜头，且通过振镜头的中心位置，以保证激光束可以更精准的作用于加工件的加工面，避免出现光学畸变等现象。

需要说明的是，振镜模块1还包括与激光器相连的开关，且该开关还与数控机床模块4相连，数控机床模块4通过开关控制激光器的开启或关闭。

作为本实施例优选的实施方式，激光器为单模固体皮秒激光器，单模固体皮秒激光器的脉冲波长可以为1064nm、532nm或355nm，平均功率的范围为10W至100W。单模固体皮秒激光加工称为光学冷加工，其热影响区小，对材料附加破坏极少。且在皮秒激光器的作用下，切口光滑平整，图案孔边距最小可达0.15mm，加工深度为0.5mm。作为可变换的实施方式，激光器还可以为光纤激光器，可选地，单模光纤激光器的波长可以为1064nm或1080nm，平均功率为10W至3000W。光纤激光器的输出端口可以任意弯曲，灵活度高，可以实现对加工表面更灵活的雕刻。但本发明并不对激光器的类型做限定，可变换地，激光器还可以为同样能达到发射激光的目的的其他类型的激光器。

作为本实施例优选的实施方式，控制组件2包括用于控制激光器模块在垂直空间上移动的升降机构，升降机构与振镜模块1连接。本实施例中，升降机构为导轨滑台。通过导轨滑台控制激光器模块进行位置调整，该调整的距离根据待加工件的曲面高度改变，需要说明的是，当待加工件是一个复杂曲面的时候，其表面高度不一，在加工过程中，需要保证振镜距离曲面切线高度是一个固定值，该固定值为振镜焦距。

作为可变换的实施方式，升降机构还可以为包括数显光栅尺的直线电机(一种电动位移台)，该直线电机为外购的现有产品，在此，不多做赘述。

需要说明的是，本实施例中，采用伺服电机编码盘实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息，具体地，编码盘安装在伺服电机上，随着电机转动，编码盘内部光栅圈转动，随即输出电子脉冲信息给数控机床模块4，从而获取工件装夹支座3旋转的角度信息。

作为本实施例优选的实施方式，工件装夹支座3包括旋转轴，旋转轴用于连接待加工工件，并带动待加工工件旋转。在实际操作中，将待加工工件通过旋转轴安装在工件装夹支座3上，并在旋转轴的作用下进行旋转，并通过旋转以圈为单位实现不同部位的雕刻加工，避免被加工件需要重复拆卸来完成整个雕刻加工，使加工过程更为方便避免了重复拆卸带来的误差，提高了激光加工设备的自动化。

实施例2

与上述实施例相对应地，本实施例提供一种多轴数控激光加工设备的加工方法，包括以下步骤：

S1：根据待加工件设定包括加工图像单元的待加工信息，将待加工信息输入数控机床模块4和振镜模块1中；

S2：数控机床模块4根据待加工信息，控制工件装夹支座3在X，Y，Z轴以及A轴上移动到需加工的位置，振镜模块1根据待加工信息控制调节机构5调节聚焦器件旋转，以使激光束发射方向与待加工曲面的法线方向一致，并由数控机床模块4产生“位置到达”信号发送给振镜模块1，振镜模块1接收“位置到达”信号后产生“握手信号”反馈给数控机床模块4以完成振镜模块1与数控机床模块4之间的信号连接；

S3：建立S2中的信号连接后，振镜模块1产生激光束，对待加工件进行雕刻，当雕刻完一个加工图像单元后，振镜模块1产生“启动位移”信号发送给数控机床模块4；

S4：数控机床模块4接收到“启动位移”信号后，调整工件装夹支座3至下一个加工图像单元，返回S2继续加工，重复直至加工完整个待加工件。

需要说明的是，在进行雕刻步骤之前，需要进行预处理步骤为：根据待加工件的加工图纸得到包含加工图像单元的待加工信息(即，将加工图纸分解成图像单元信息作为待加工信息)，将该待加工信息输入数控机床模块4与振镜模块1中。通过建立振镜模块1和数控机床模块4之间的握手信号连接，可以加强多轴数控激光加工设备工作的稳定性。此外，值得说明的是，工件装夹支座3可以控制加工件以一定的速度进行旋转，当加工完一个图像单元后，还可以控制加工件旋转至另一个角度以雕刻下一个图像单元。优选地，当加工完一个图像单元后，移动至下一个加工图像单元进行继续加工时，移至下一个加工图像单元的中心位置，以减小振镜带来的光学畸变。

作为本实施例优选的实施方式，该多轴数控激光加工设备还包括用于实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息的编码盘，数控机床模块4通过编码盘实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息，本实施例中，采用20位编码器，将一个圆周(360°)分成2的20次方份，精确度高。

作为本实施例优选的实施方式，S3中，调节机构5调节聚焦器件旋转，以使激光束发射方向与加工面的法线方向一致，具体为，如图3所示，由数控机床模块4控制调节机构5DD马达旋转，由于聚焦器件振镜头安装在DD马达的轴线上，所以振镜头会随着DD马达的旋转而旋转，从而使得从振镜头的中心线射出的经过聚焦的激光束与加工曲面的法线重合。在加工过程中，随着待加工件的移动，加工面发生变化，时刻保持经过聚焦的激光束与当下加工面的法线重合，可以得到更精确的加工结果，避免出现激光束倾斜作用于加工件而导致加工精度下降的状况。

上述的加工方法，自动化程度高，能节约大量劳动成本，且雕刻精度高，加工精度为0.002mm，使产品的废品率下降至少90％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多轴数控激光加工设备，包括机床主体，其特征在于，还包括：

振镜模块(1)，用于产生激光束，还用于与数控机床模块(4)进行通信；所述振镜模块(1)包括激光器、用于聚焦所述激光束的聚焦器件、以及用于控制所述激光束偏转扫描的调节机构(5)；

控制组件(2)，用于控制所述振镜模块(1)在垂直方向上移动；

工件装夹支座(3)，用于装夹待加工的加工件，并控制加工件在水平方向上的移动；

数控机床模块(4)，用于划分轴向，将所述激光器模块的垂直移动方向划分为Z轴，将所述聚焦器件的旋转方向划分为B轴，将所述工件装夹支座(3)所在的水平方向划分为X轴，平面内垂直于所述X轴的方向为Y轴，将加工件旋转的方向划分为A轴；所述数控机床模块(4)还用于控制所述振镜模块(1)和所述工件装夹支座(3)在相应的轴向上运动；

所述工件装夹支座(3)安装在所述机床主体上，所述振镜模块(1)安装在所述工件装夹支座(3)的上方，所述控制组件(2)与所述振镜模块(1)相连，所述数控机床模块(4)分别与所述振镜模块(1)、所述控制组件(2)、以及所述工件装夹支座(3)连接。

2.根据权利要求1所述的多轴数控激光加工设备，其特征在于，所述调节机构(5)包括第一电机和第二电机，所述第一电机用于控制激光束在D轴上的扫描方向；所述第二电机用于控制激光束在F轴上的扫描方向；所述D轴与所述F轴为待加工曲面的切面中互相垂直的两个方向。

3.根据权利要求1所述的多轴数控激光加工设备，其特征在于，所述调节机构(5)为DD马达，所述聚焦器件安装在所述DD马达的轴线上。

4.根据权利要求1或3所述的多轴数控激光加工设备，其特征在于，所述聚焦器件为振镜头。

5.根据权利要求1所述的多轴数控激光加工设备，其特征在于，所述振镜模块(1)还包括设于所述激光器出射位置的镜片，所述镜片用于折射所述激光束，以保证激光束垂直进入聚焦器件的中心。

6.根据权利要求1所述的多轴数控激光加工设备，其特征在于，所述控制组件(2)包括用于控制所述激光器模块在垂直方向上移动的升降机构，所述升降机构与所述激光器模块连接；且所述升降机构为导轨滑台。

7.根据权利要求1所述的多轴数控激光加工设备，其特征在于，所述工件装夹支座(3)包括旋转轴，所述旋转轴用于连接待加工工件，并带动所述待加工工件旋转。

8.一种应用于上述权利要求1-7任一所述多轴数控激光加工设备的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据待加工件设定包括加工图像单元的待加工信息，将所述待加工信息输入数控机床模块(4)和所述振镜模块(1)中；

S2：数控机床模块(4)根据所述待加工信息，控制工件装夹支座(3)在X，Y，Z轴以及A轴上移动到需加工的位置，振镜模块(1)根据所述待加工信息控制调节机构(5)调节聚焦器件旋转，以使激光束发射方向与待加工曲面的法线方向一致，并由数控机床模块(4)产生“位置到达”信号发送给振镜模块(1)，振镜模块(1)接收“位置到达”信号后产生“握手信号”反馈给数控机床模块(4)以完成振镜模块(1)与数控机床模块(4)之间的信号连接；

S3：建立S2中的信号连接后，振镜模块(1)产生激光束，对待加工件进行雕刻，当雕刻完一个加工图像单元后，振镜模块(1)产生“启动位移”信号发送给数控机床模块(4)；

S4：数控机床模块(4)接收到“启动位移”信号后，调整工件装夹支座(3)至下一个加工图像单元，返回S2继续加工，重复直至加工完整个待加工件。

9.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，所述振镜模块(1)还包括第一电机和第二电机，在加工面雕刻图像单元时，通过所述第一电机控制调节激光器在D轴上的扫描方向，通过所述第二电机控制调节激光器在F轴上的扫描方向。

10.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，所述S4中，所述调整工件装夹支座(3)至下一个加工图像单元时，移动至下一个加工图像单元的中心位置。