CN109940270A - 一种七轴五联动超快激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种七轴五联动超快激光加工系统，该系统由一个激光光源、一个光束传输系统、一个振镜加工头、一个五轴运动系统、一个结构光三维在线监测系统、一个功率实时在线检测部件和一个光路指正部件等组成。本发明提供的超快七轴激光加工系统能够实现空间任意位姿定位、视觉快速边缘检测、五轴联动加工与5+2七轴五联动加工。

Description

一种七轴五联动超快激光加工系统

技术领域

本发明属于激光精密加工制造技术领域，具体涉及一种七轴五联动超快激光加工系统，用于实现对修型部件的在线边缘检测与超快激光修型。

背景技术

航天器固面天线反射器、雷达部件频率选择器、航空发动机陶瓷型芯、涡轮部件等核心构件复杂表面的精细制造是新型航天器、航空发动机研制成败的关键技术，是影响飞行器深空探测、隐身/反隐身、飞机动力及寿命等方面的性能和水平的重要因素。

激光具有很多优异的光学特性，相比用传统加工，激光加工的效率明显提高，如对航空发动机叶片和燃烧室成千上万个形状各异的孔的3D加工，比传统EDM加工效率至少提高5～8倍；激光光斑直径可以小至微米，可用于材料表面调控或者加工微孔微槽，在航空航天领域发挥着重要作用。

五轴超快激光加工装备是先进激光加工技术的发展方向是国家战略技术的制高点，国内在五轴超快激光加工方面的研究还存在很多空白。目前国内虽然已经拥有五轴大功率激光切割设备，但在超快激光加工领域，性能先进、集视觉在线检测与七轴五联动功能为一体的超快激光加工装备还未见报道。

发明内容

针对航空航天复杂构建表面修型，面向多轴超快激光加工制造领域，为弥补国内相关装备空白，本发明提供了一种七轴五联动超快激光加工系统，具有加工边缘在线检测及5+2联动加工的功能，能够实现对复杂航空航天复杂零部件切割、修调一体式加工。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种七轴五联动超快激光加工系统，包括机床底座和大理石基台；其中，

机床底座上安装有五轴运动平台，用于实现X、Y、Z三个方向的平动和A、C两个方向的转动，包括安装在机床底座上的X向运动台和立柱，安装在X向运动台上的Y向运动台，以及安装在立柱上的加工头和结构光三维视觉测量装置；

大理石基台上安装有激光光源、光束传输系统和功率实时在线检测装置；

光束传输系统包括第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜、扩束镜、1/4波片、光闸、光学支架和光学支架；

立柱上安装有Z向电机、Z向光栅尺、Z向导轨、Z向前轴承座、Z向后轴承座和第六反光镜，立柱通过Z向导轨上安装的Z向滑块、Z向螺母、Z向丝杠连接Z向运动台，通过Z向电机转动带动Z向丝杠转动、通过丝杠螺母传动实现Z向运动台的上下运动，Z向运动台上安装着加工头支架和视觉测量装置底座，其中加工头支架用来支撑加工头，视觉测量装置底座用来支撑结构光三维视觉测量装置，Z向运动台上下移动时通过加工头支架、视觉测量装置底座带动加工头与结构光三维视觉测量装置上下运动；

在加工头中安装有第四反光镜、第五反光镜、分光镜、光路指正模块和振镜，这几个模块按照光路传递方向中心对正；

机床底座上安装有X向光栅尺读数头、X向导轨、X向电机、X向前轴承座和X向后轴承座，X向导轨上安装有X向滑块，X向前轴承座和X向后轴承座上安装有X向丝杠，通过X向电机旋转带动X向丝杠旋转，带动X向运动台沿着X向运动，X向运动台通过X向滑块的支撑和X向螺母、X向导轨实现与机床底座的连接；

工作时，第一反光镜、第二反光镜和第三反光镜用来将激光产生的光反射到第六反光镜，通过第六反光镜反射到加工头；加工头中第四反光镜用于将第六反光镜反射来的激光反射到振镜，振镜通过自身运动将光束按照设定的角度反射到分光镜，经过分光镜后的光束一部分用于加工，另一部分通过第五反光镜反射到光路指正模块中用于光路偏移校正。

本发明进一步的改进在于，还包括基台，大理石基台安装在该基台上，机床底座安装在地面上。

本发明进一步的改进在于，第六反光镜安装于位于立柱上的反光镜支架上。

本发明进一步的改进在于，第六反光镜与光束传输系统之间安装有通光管，用于防止环境灰尘进入光束传输系统。

本发明进一步的改进在于，振镜采用工业加工用的振镜，运动控制平台采用工业常见五轴运动平台，控制系统采用西门子840Dsl数控系统，结构光三维在线检测装置采用以工控机为计算核心的工业常用结构光三维测量装置，功率检测装置采用工业常用激光功率检测装置，光路指正装置采用工业上常用的CMOS相机。

本发明进一步的改进在于，激光光源采用工业常用皮秒激光器，用来产生用于加工的激光脉冲光束，激光的脉冲宽度在皮秒的时间尺度。

本发明进一步的改进在于，结构光三维在线检测装置包括CCD视觉相机和条纹光投影仪，通过条纹光测量原理实现加工工件三维点云的在线生成及加工轮廓的边缘提取，结构光三维在线检测装置安装在五轴运动平台Z轴运动台上，并且处于加工头的下部；

功率实时在线监测装置包括功率计、分光镜及相应的接口，安装于光束传输系统中用于监测激光功率；

光路指正部件包括CMOS相机、分光镜及相应的接口，安装于光束传输系统中用于对光路偏斜检测。

本发明进一步的改进在于，X向运动台上安装有Y向导轨、Y向电机、Y向光栅尺读数头、Y向前轴承座、Y向后轴承座，通过Y向电机旋转带动Y向丝杠、Y向螺母的运动，进而带动Y向运动台沿着Y向运动，Y向运动台通过Y向滑块的支撑和Y向螺母、Y向丝杠、Y向前轴承座、Y向后轴承座实现与X向运动台的连接。

本发明进一步的改进在于，Y向运动台上安装着双转台机构，包括转台、转台电机和摆台电机。

本发明进一步的改进在于，还包括主控制机，加工时，将毛坯装夹到转台上，移动加工装备Z轴运动台到预定的位置，然后三维结构光视觉测量装置投射条纹光到毛坯表面，条纹光投射后由三维结构光视觉测量装置拍照，然后转台转动设定的角度使得毛坯处于下一个工位，重复投影拍照过程，当所需要的测量步骤完成后，将三维结构光视觉测量装置获得的数据传输到主控制机上，控制器计算机处理后获得所需要的修型轮廓数据，将加工数据传输给七轴加工中心，对毛坯进行加工，得到工件，加工后取下工件，然后加工下一个毛坯。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、本发明设计一种能够对陶瓷型芯等航空航天零部件视觉在线检测与修型的超快五轴激光加工系统。该系统由一个激光光源、一个光束传输系统、一个振镜加工头、一个五轴运动系统、一个结构光三维在线监测系统、一个功率实时在线检测部件和一个光路指正部件组成。采用超快激光激光加工，可以充分发挥激光加工优势，加工效率高，能够实现光轴任意空间位姿的定位，能够实现待加工零件轮廓的三维结构光在线检测、加工一体化，能够切削硬脆材料等传统机床刀具难以切削的材料。

2、采用5轴运动平台作为激光加工装备的载体能够实现激光光束任意空间位姿定位，从而能够更高效的加工复杂空间轮廓，同时光束空间位姿的任意调整能够提高加工质量和效率。

3、通过5轴运动平台与2轴振镜可以实现五轴联动加工，也可以实现5+2五轴定位、振镜加工两种加工运动形式，通过将振镜轴配置成冗余轴控制可以实现7轴轨迹加工。

4、本发明中集成了功率实时监测装置与光路指正装置，能够实时检测激光器输出功率、光路偏移情况，通过功率监测可以保证功率波动在一定的范围内，保证加工质量，通过光路指正能够校正长时间运行引起的光漂等问题。

5、本发明中集成的结构光三维测量装置，能够实现视觉在线测量与激光加工一体化，提高了自动化水平和加工效率。

综上所述，本发明提供的七轴五联动超快激光加工系统，能够实现空间任意位姿定位、视觉快速边缘检测以及对光路偏移的检测和补偿、五轴联动加工与5+2七轴五联动加工。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为光路系统结构示意图。

图3为加工头结构示意图。

图4为机床底座及X向运动部件结构示意图。

图5为机床X向运动台及Y向运动部件结构示意图。

图6为机床Z向运动台与加工头、视觉测量装置装配关系结构示意图。

图7为机床Z向运动台及Z向运动部件结构示意图。

图8为机床Y向运动台及双转台结构示意图。

图9为超快激光加工流程示意图。

附图标记说明：

1-激光光源；

2-光束传输系统，21-扩束镜，23-1/4波片，24-光闸，22/25/28-第一至第三反光镜，26-光学支架，27-光学支架；

3-加工头，31-振镜，32-光路指正模块，33-分光镜，34-第四反光镜，35-第五反光镜；

4-机床底座，41-X向光栅尺扫描头，42-X向导轨，43-X向电机，44-X向滑块，45-X向后轴承座，48-X向前轴承座，46-X向螺母，47-X向丝杠；

5-结构光三维视觉测量装置；

6-功率实时在线检测装置；

8-基台；

9-通光管；

10-X向运动台，101-Y向电机，102-Y向滑块，103-Y向导轨，104-Y向后轴承座、105-Y向丝杠螺母，106-Y向前轴承座，107-Y向光栅尺读数头，108-Y向丝杠；

11-立柱，111-Z向光栅尺，112-Z向丝杠，113-Z向电机，114-Z向导轨，115-Z向前轴承座，116-加工头支架，118-视觉测量装置底座，119-Z向后轴承座，1110-反光镜支架，1111-第六反光镜，1112-Z向运动台，1113-Z向滑块，1114-Z向螺母；

12-Y向运动台，121-摆台电机，122-转台，123-转台电机；

13-大理石基台，131-毛坯，121-摆台电机，122-转台，134-工件，135-主控制机。

具体实施方式

下面结合附图1-9对本发明做详细描述。以下实例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实例的限制。

如图1至图9所示，本发明提供的一种七轴五联动超快激光加工系统，包括一个激光光源1，安装于大理石基台13上，大理石基台13安装于基台8上；一个光束传输系统2，光束传输系统2安装于大理石基台13上，包括第一反光镜22、第二反光镜25、第三反光镜28、扩束镜21、1/4波片23、光闸24、光学支架26和光学支架27，其中第一反光镜22、第二反光镜25和第三反光镜28用来将激光产生的光反射到第六反光镜1111，通过第六反光镜1111反射到加工头3，其中第六反光镜1111安装于位于立柱11上的反光镜支架1110上，为了防止环境灰尘进入光束传输系统2，第六反光镜1111与光束传输系统2之间安装着通光管9；加工头3中第四反光镜34用于将第六反光镜1111反射来的激光反射到振镜31，振镜31通过自身运动将光束按照设定的角度反射到分光镜33，经过分光镜33后的光束一部分用于加工，另一部分通过第五反光镜35反射到光路指正模块32中用于光路偏移校正，加工头3安装在加工头支架116上，加工头支架116安装在Z向运动台1112上，在加工头3中安装有第四反光镜34、第五反光镜35、分光镜33、光路指正模块32和振镜31，这几个模块按照光路传递方向中心对正，振镜31包括两个振镜电机、通过振镜电机带动两个反光镜片，将光束反射到加工平面的加工点上，实现平面上的轮廓激光加工，加工头3通过螺栓安装在五轴运动平台的Z轴运动台1112上，可以实现Z向上下移动；一个五轴运动平台，能够实现X、Y、Z三个方向的平动和A、C两个方向的转动，五轴运动平台基座为机床底座4，放置在地面上，机床底座4上安装有X向光栅尺读数头41、X向导轨42、X向电机43、X向前轴承座48和X向后轴承座45，X向导轨42上安装有X向滑块44，X向前轴承座48和X向后轴承座45上安装有X向丝杠47，通过X向电机43旋转带动X向丝杠47旋转，带动X向运动台10沿着X向运动，X向运动台10通过X向滑块44的支撑和X向螺母46、X向导轨47实现与机床底座4的连接，X向运动台10上安装有Y向导轨103、Y向电机101、Y向光栅尺读数头107、Y向前轴承座106、Y向后轴承座103，通过Y向电机101旋转带动Y向丝杠108、Y向螺母105的运动，进而带动Y向运动台12沿着Y向运动，Y向运动台12通过Y向滑块102的支撑和Y向螺母105、Y向丝杠108、Y向前轴承座106、Y向后轴承座104实现与X向运动台10的连接，Y向运动台12上安装着双转台机构，包括转台122、转台电机123、摆台电机121，五轴运动平台的立柱11安装于机床底座4上，立柱11上安装有Z向电机113、Z向光栅尺111、Z向导轨114、Z向前轴承座115，Z向后轴承座119，立柱11通过Z向导轨上安装的滑块1113、Z向螺母1114、Z向丝杠112连接Z向运动台1112，通过Z向电机113转动带动Z向丝杠112转动、通过丝杠螺母传动实现Z向运动台1112的上下运动，Z向运动台1112上安装着加工头支架116和视觉测量装置底座118，其中加工头支架116用来支撑加工头3，视觉测量装置底座118用来支撑结构光三维视觉测量装置5，Z向运动台1112上下移动时通过加工头支架116、视觉测量装置底座118带动加工头3与结构光三维视觉测量装置5上下运动；一个结构光三维视觉测量装置5安装于视觉测量装置底座上118上；一个功率实时在线检测装置6，安装于大理石平台上13；一个光路指正模块32，安装于加工头3中。

本发明所述激光器采用PX200-2-GF德国EDGEWAVE皮秒激光器1，激光器位于五轴运动平台旁边的大理石基台13上，大理石基台13与五轴运动平台隔离。五轴运动平台采用840Dsl数控系统实现五轴联动控制，包括X、Y、Z三个移动轴和A、C两个旋转轴，具有五轴联动的功能，能够实现激光光束空间位姿的任意调整，用于光轴空间位姿调整。结构光三维测量装置5包括CCD视觉相机、条纹光投影仪，通过条纹光测量原理实现加工工件三维点云的在线生成及加工轮廓的边缘提取，结构光三维在线检测装置5安装在五轴运动平台4的Z轴运动台1112上，并且处于加工头3的下部。振镜加工头31采用CTI二维扫描振镜，包括两个振镜电机、通过振镜电机带动两个反光镜片，将光束反射到加工平面的加工点上，实现平面上的轮廓激光加工，CTI振镜31位于Z向运动台1112上，随着Z轴移动。功率实时检测部件6采用工业常用功率计、分光镜及相应的接口构成，安装于光束传输系统2中用于监测激光功率，详细见图2中部件6。光路指正部件光路指正部件32包括CMOS相机、分光镜及相应的接口，安装于光束传输系统2中用于对光路偏斜检测，详细见图3中部件32。

本发明工作流程基本说明见图9，首先如图9所示，将毛坯131装夹到转台122上，移动加工装备Z轴运动台1112到预定的位置，然后三维结构光视觉测量装置5投射条纹光到毛坯131表面，条纹光投射后由三维结构光视觉测量5装置拍照，然后转台122转动设定的角度使得毛坯131处于下一个工位，重复投影拍照过程，当所需要的测量步骤完成后，将三维结构光视觉测量装置5获得的数据传输到主控制机135上，控制器计算机135处理后获得所需要的修型轮廓数据，将加工数据传输给七轴加工中心，对毛坯131进行加工，得到工件134，加工后取下工件134，然后加工下一个毛坯131。

Claims (10)

1.一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，包括机床底座(4)和大理石基台(13)；其中，

机床底座(4)上安装有五轴运动平台，用于实现X、Y、Z三个方向的平动和A、C两个方向的转动，包括安装在机床底座(4)上的X向运动台(10)和立柱(11)，安装在X向运动台(10)上的Y向运动台(12)，以及安装在立柱(11)上的加工头(3)和结构光三维视觉测量装置(5)；

大理石基台(13)上安装有激光光源(1)、光束传输系统(2)和功率实时在线检测装置(6)；

光束传输系统(2)包括第一反光镜(22)、第二反光镜(25)、第三反光镜(28)、扩束镜(21)、1/4波片(23)、光闸(24)、光学支架(26)和光学支架(27)；

立柱(11)上安装有Z向电机(113)、Z向光栅尺(111)、Z向导轨(114)、Z向前轴承座(115)、Z向后轴承座(119)和第六反光镜(1111)，立柱(11)通过Z向导轨上安装的Z向滑块(1113)、Z向螺母(1114)、Z向丝杠(112)连接Z向运动台(1112)，通过Z向电机(113)转动带动Z向丝杠(112)转动、通过丝杠螺母传动实现Z向运动台(1112)的上下运动，Z向运动台(1112)上安装着加工头支架(116)和视觉测量装置底座(118)，其中加工头支架(116)用来支撑加工头(3)，视觉测量装置底座(118)用来支撑结构光三维视觉测量装置(5)，Z向运动台(1112)上下移动时通过加工头支架(116)、视觉测量装置底座(118)带动加工头(3)与结构光三维视觉测量装置(5)上下运动；

在加工头(3)中安装有第四反光镜(34)、第五反光镜(35)、分光镜(33)、光路指正模块(32)和振镜(31)，这几个模块按照光路传递方向中心对正；

机床底座(4)上安装有X向光栅尺读数头(41)、X向导轨(42)、X向电机(43)、X向前轴承座(48)和X向后轴承座(45)，X向导轨(42)上安装有X向滑块(44)，X向前轴承座(48)和X向后轴承座(45)上安装有X向丝杠(47)，通过X向电机(43)旋转带动X向丝杠(47)旋转，带动X向运动台(10)沿着X向运动，X向运动台(10)通过X向滑块(44)的支撑和X向螺母(46)、X向导轨(47)实现与机床底座(4)的连接；

工作时，第一反光镜(22)、第二反光镜(25)和第三反光镜(28)用来将激光产生的光反射到第六反光镜(1111)，通过第六反光镜(1111)反射到加工头(3)；加工头(3)中第四反光镜(34)用于将第六反光镜(1111)反射来的激光反射到振镜(31)，振镜(31)通过自身运动将光束按照设定的角度反射到分光镜(33)，经过分光镜(33)后的光束一部分用于加工，另一部分通过第五反光镜(35)反射到光路指正模块(32)中用于光路偏移校正。

2.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，还包括基台(8)，大理石基台(13)安装在该基台(8)上，机床底座(4)安装在地面上。

3.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，第六反光镜(1111)安装于位于立柱(11)上的反光镜支架(1110)上。

4.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，第六反光镜(1111)与光束传输系统(2)之间安装有通光管(9)，用于防止环境灰尘进入光束传输系统(2)。

5.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，振镜(31)采用工业加工用的振镜，运动控制平台采用工业常见五轴运动平台，控制系统采用西门子840Dsl数控系统，结构光三维在线检测装置(5)采用以工控机为计算核心的工业常用结构光三维测量装置，功率检测装置(6)采用工业常用激光功率检测装置，光路指正装置(32)采用工业上常用的CMOS相机。

6.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，激光光源(1)采用工业常用皮秒激光器，用来产生用于加工的激光脉冲光束，激光的脉冲宽度在皮秒的时间尺度。

7.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，结构光三维在线检测装置(5)包括CCD视觉相机和条纹光投影仪，通过条纹光测量原理实现加工工件三维点云的在线生成及加工轮廓的边缘提取，结构光三维在线检测装置(5)安装在五轴运动平台Z轴运动台(1112)上，并且处于加工头(3)的下部；

功率实时在线监测装置(6)包括功率计、分光镜及相应的接口，安装于光束传输系统(2)中用于监测激光功率；

光路指正部件(7)包括CMOS相机、分光镜及相应的接口，安装于光束传输系统(2)中用于对光路偏斜检测。

8.根据权利要求1所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，X向运动台(10)上安装有Y向导轨(103)、Y向电机(101)、Y向光栅尺读数头(107)、Y向前轴承座(106)、Y向后轴承座(103)，通过Y向电机(101)旋转带动Y向丝杠(108)、Y向螺母(105)的运动，进而带动Y向运动台(12)沿着Y向运动，Y向运动台(12)通过Y向滑块(102)的支撑和Y向螺母(105)、Y向丝杠(108)、Y向前轴承座(106)、Y向后轴承座(104)实现与X向运动台(10)的连接。

9.根据权利要求8所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，Y向运动台(12)上安装着双转台机构，包括转台(122)、转台电机(123)和摆台电机(121)。

10.根据权利要求9所述的一种七轴五联动超快激光加工系统，其特征在于，还包括主控制机(135)，加工时，将毛坯(131)装夹到转台(122)上，移动加工装备Z轴运动台(1112)到预定的位置，然后三维结构光视觉测量装置(5)投射条纹光到毛坯(131)表面，条纹光投射后由三维结构光视觉测量(5)装置拍照，然后转台(122)转动设定的角度使得毛坯(131)处于下一个工位，重复投影拍照过程，当所需要的测量步骤完成后，将三维结构光视觉测量装置(5)获得的数据传输到主控制机(135)上，控制器计算机(135)处理后获得所需要的修型轮廓数据，将加工数据传输给七轴加工中心，对毛坯(131)进行加工，得到工件(134)，加工后取下工件(134)，然后加工下一个毛坯(131)。