CN110039202A - 一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置，包括横移滑台支架(1)，升降滑台法兰板组件(2)，横移滑台法兰板(3)，导轨滑块组件(4)，激光振镜头(5)，独立运动伺服电机(6)，方管支架(7)，同步底座组件(8)，工件夹具(9)，复合材料板(10)，同步伺服电机(11)，齿轮齿条传动装置(12)(13)，机械限位块(14)。本发明还提供了一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置加工大直径孔的方法。本发明该厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法，采用激光振镜头聚焦激光束并高速环形扫描切割材料制孔，相比传统的机械法加工，提高了厚板复合材料制大直径孔的加工效率、加工质量及经济性。

Description

一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法
技术领域
本发明涉及一种激光制孔方法，尤其涉及一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法。
背景技术
随着复合材料的生产发展和应用规模的扩大，尤其是为满足航空、航天等高精尖领域的使用工况要求，复合材料承力构件板厚越来越大，所需制孔的直径也越来越大。作为典型的难加工材料，厚板复合材料大直径孔的加工，目前所采用的传动机械制孔方法，存在着制孔工序多、刀具磨损严重、加工质量及效率低下、经济性差等缺点，已成为制约各国航空工业发展的技术瓶颈之一。
激光制孔是激光技术应用的一个重要领域。相比于传统的机械法制孔加工，激光制孔具有无刀具磨损、加工效率高、经济性高、易于自动化控制等优点，目前，金属材料激光制孔已逐步应用于汽车、电子等领域，但是对于诸如碳纤维增强树脂基复合材料，由于材料热物特性的各向异性存在，激光制孔难度巨大，尤其是对于厚板复合材料的激光制孔，仍停留在实验室研究阶段。因此，复材材料激光制孔技术受到世界各国的极大重视。
对于金属材料薄板大孔的激光加工，目前所用的方法是采用单光束激光环形机械移动切割方式。但是对于厚板复合材料大孔的制孔，激光束环形机械移动方式引起的热累积造成材料热影响区严重，并且随着打孔深度的增加，激光束的能量衰减严重，热影响区增大，加工深处形成锥形孔，造成制孔质量差、孔型精度低、加工效率急剧下降、可加工厚度小等制孔缺陷，使得制孔整体质量不高，极大的限制了复合材料激光制孔的工业应用。
综上，对于厚板复合材料大孔的制备，传统机械法制孔因其存在制孔工序多、刀具磨损严重、加工质量及效率低下、经济性差等缺点，激光制孔基于其无刀具磨损、加工效率高、经济性高等优点，所以开发高质量、高效率、适应性广、结构简单的复合材料激光制孔装置已成为市场急需。
发明内容
本发明的目的是针对厚板复合材料大直径孔的制备，现有传统机械法制孔的不足，提供一种能够针对厚板型(12mm以上)的复合材料大孔(孔直径10mm以上)加工，克服传统机械制孔方法加工效率低、加工质量和经济性差、适应性窄等缺点的装置和方法，为厚板复合材料大孔的制备提供一种高质量、高效率、适应性广、结构简单的加工设备。
本发明的技术方案是提供了一种厚板复合材料错位双光束激光制孔装置，包括横移滑台支架，升降滑台法兰板组件，横移滑台法兰板，导轨滑块组件，激光振镜头，独立运动伺服电机，方管支架，同步底座组件，工件夹具，复合材料板，同步伺服电机，齿轮齿条传动装置，机械限位块，其特征在于：
激光振镜头用于将激光束聚焦并实现高速环形扫描逐层切割材料制孔，通过螺栓连接固定在升降滑台法兰板组件上，升降滑台法兰板组件起到支撑和移动激光振镜头的作用；升降滑台法兰板组件通过导轨滑块组件连接在横移滑台法兰板上，独立运动伺服电机通过螺栓连接固定在升降滑台法兰板组件上，经齿轮齿条传动装置传动，从而实现激光振镜头的独立上下运动；
横移滑台法兰板通过导轨滑块组件连接在横移滑台支架上，同理，横移滑台法兰板上固定安装独立运动伺服电机，经齿轮齿条传动装置传动，实现激光振镜头的独立左右移动；机械限位块通过螺栓分别固定安装于升降滑台法兰板组件和横移滑台法兰板两端部，用于限制两个独立运动极限位置；
横移滑台支架通过螺栓连接固定在方管支架上面，方管支架下面通过螺栓连接着同步底座组件，同步底座组件支撑着整个装置保持稳定，并保证两个激光振镜头同时做左右运动；
同步伺服电机和工件夹具固定安装在同步底座组件的工作台上；其中，通过连接外部的数控系统控制独立运动伺服电机和同步伺服电机，保证横移滑台法兰板的左右移动、升降滑台法兰板组件的上下移动以及同步底座组件的左右移动，确保两个激光振镜头在极限距离内可以在X轴和Y轴上任意移动，以及两个激光振镜头在X轴上的同步移动，以适应工件变孔距制孔的进给加工；
进一步地，所述升降滑台法兰板组件包括升降滑台下法兰、支撑座、支撑座上法兰，所述支撑座上法兰通过螺栓连接支撑座，所述支撑座通过螺栓固定在升降滑台下法兰上；
进一步地，所述同步底座组件包括工作台、滑块、底座下支撑架、导轨、齿轮、齿条，所述导轨通过螺栓连接固定在底座下支撑架的左右两侧，所述滑块通过移动副安装在导轨上，所述工作台通过螺栓固定在滑块上，所述齿轮通过紧固件连接在同步伺服电机上，所述齿条通过螺栓固定于底座下支撑架。
本发明还提供了一种所述的厚板复合材料错位双光束激光制孔装置加工孔的方法，其特征在于:
步骤1：将复合材料板通过螺栓紧定安装在工件夹具上，启动外部数控机床来控制独立运动伺服电机来保证横移滑台法兰板的左右移动、升降滑台法兰板组件的上下移动，使得两个激光振镜头错位一定距离并移动到指定加工位置，调整激光离焦量，使用指示光对焦；
步骤2：先启动一个激光振镜头，将激光束聚焦并高速环形扫描逐层切割复合材料,加工完成复合材料板第一个孔，通过数控机床控制同步伺服电机来确保同步底座组件左右移动，使得位于同步底座组件上方的两个激光振镜头同步移动到下一加工位置，此时同时打开两个激光振镜头进行加工，开始进行双光束的错位加工制孔；
步骤3：通过数控系统控制独立运动伺服电机和同步伺服电机保证同步底座组件的左右移动和横移滑台法兰板的独立左右运动以及升降滑台法兰板组件的独立升降移动，确保两个激光振镜头既可独立实现X轴、Y轴的位置调整，以适应不同孔距要求，又可同步左右移动加工，且激光振镜头只在加工位置发出光束；在升降滑台法兰板组件和横移滑台法兰板上的机械限位块保证激光振镜头的上下左右运动时，不会超出极限距离，最终实现复合材料板的错位双光束激光制孔。
本发明的有益效果在于：
1、该用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法，如图2所示，采用激光振镜头聚焦激光束并环形高速扫描逐层切割复合材料孔加工，相比传统的机械法加工，提高了制孔的加工效率、加工质量及经济性。
2、该用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法，为解决单光束激光制孔加工造成的厚板材料形成微小孔内锥度和能量衰减缺陷，如图3所示，通过使用错位双光束激光加工能有效避免较大孔内锥度的形成，显著提高了制孔精度和制孔效率。
3、该复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法，通过使用错位双光束激光加工，显著提高了加工效率，增大了激光器的可制孔厚度，结构简单，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法整体结构示意图；
图2为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法的横移和升降滑台结构示意图；
图3为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法的加工运动状态图；
图4为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法单光束和双光束制孔对比示意图；
图5为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法的升降滑台法兰板组件结构示意图；
图6为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法的同步底座组件结构示意图；
图7为本发明提出的一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置及加工方法的加工运动控制流程图；
其中：1-横移滑台支架、2-激光振镜头、201-升降滑台下法兰、202-支撑座、203-支撑座上法兰、3-横移滑台法兰板、4-导轨滑块组件、5-激光振镜头、6-独立运动伺服电机、7-方管支架、8-同步底座组件、801-工作台、802-滑块、803-底座下支撑架、804-导轨、805-齿轮、806-齿条、9-工件夹具、10-复合材料板、11-同步伺服电机、12-齿轮齿条传动装置的齿轮、13-齿轮齿条传动装置的齿条、14-机械限位块。
具体实施方式
以下将结合附图1-7对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-7所示，该实施例提供了一种厚板复合材料错位双光束激光制孔装置，此装置采用对称结构，所述零部件均为对半的组件，包括横移滑台支架1，升降滑台法兰板组件2，横移滑台法兰板3，导轨滑块组件4，激光振镜头5，独立运动伺服电机6，方管支架7，同步底座组件8，工件夹具9，复合材料板10，同步伺服电机11，齿轮齿条传动装置，机械限位块14。
激光振镜头5用于将激光束聚焦并实现高速环形扫描逐层切割材料制孔，通过螺栓连接固定在升降滑台法兰板组件2上，升降滑台法兰板组件2起到支撑和移动激光振镜头的作用；升降滑台法兰板组件2通过导轨滑块组件4连接在横移滑台法兰板3上，独立运动伺服电机6通过螺栓连接固定在升降滑台法兰板组件2上，经齿轮齿条传动装置12、13传动，从而实现激光振镜头5的独立上下运动(Y轴方向)；横移滑台法兰板3通过导轨滑块组件连接在横移滑台支架1上，同理，横移滑台法兰板3上固定安装独立运动伺服电机，经齿轮齿条传动装置传动，实现激光振镜头5的独立左右移动(X轴方向),配合激光振镜头5的上下运动(Y轴方向)，可满足工件不同孔距的打孔要求；机械限位块14通过螺栓分别固定安装于升降滑台法兰板组件2和横移滑台法兰板3两端部，用于限制两个独立运动极限位置；横移滑台支架1通过螺栓连接固定在方管支架7上面，方管支架7下面通过螺栓连接着同步底座组件8，同步底座组件8支撑着整个装置保持稳定，并保证两个激光振镜头5同时做左右运动(X轴方向)；同步伺服电机11和工件夹具9固定安装在同步底座组件8的工作台801上；其中，通过连接外部的数控系统控制独立运动伺服电机6和同步伺服电机11，保证横移滑台法兰板3的左右移动(X轴方向)、升降滑台法兰板组件2的上下移动(Y轴方向)以及同步底座组件8的左右移动(X轴方向)，确保两个激光振镜头5在极限距离内可以在X轴和Y轴上任意移动，以及两个激光振镜头(5)在X轴上的同步移动，以适应工件变孔距制孔的进给加工。
所述升降滑台法兰板组件2包括升降滑台下法兰201、支撑座202、支撑座上法兰203，所述支撑座上法兰203通过螺栓连接支撑座202，所述支撑座202通过螺栓固定在升降滑台下法兰201上；
所述同步底座组件8包括工作台801、滑块802、底座下支撑架803、导轨804、齿轮805、齿条806，所述导轨804通过螺栓连接固定在底座下支撑架803的左右两侧，所述滑块802通过移动副安装在导轨804上，所述工作台801通过螺栓固定在滑块802上，所述齿轮805通过紧固件连接在同步伺服电机11上，所述齿条806通过螺栓固定于底座下支撑架803上。
该实施例还提供了一种厚板复合材料错位双光束激光制孔加工方法，使用步骤如下，并以打孔碳纤维增强复合材料板(简称复合材料板)为例：
步骤1：将复合材料板10通过螺栓紧定安装在工件夹具9上，启动外部数控机床来控制独立运动伺服电机6来保证横移滑台法兰板3的左右移动(X轴方向)、升降滑台法兰板组件2的上下移动(Y轴方向)，使得两个激光振镜头5错位一定距离并移动到指定加工位置，调整激光离焦量，使用指示光对焦；
步骤2：先启动一个激光振镜头5，将激光束聚焦并高速环形扫描逐层切割复合材料,加工完成复合材料板10第一个孔，通过数控机床控制同步伺服电机11来确保同步底座组件8左右移动，使得位于同步底座组件8上方的两个激光振镜头5同步移动到下一加工位置，此时同时打开两个激光振镜头5进行加工，开始进行双光束的错位加工制孔；
步骤3：通过数控系统控制独立运动伺服电机6和同步伺服电机11保证同步底座组件8的左右移动和横移滑台法兰板3的独立左右运动以及升降滑台法兰板组件2的独立升降移动，确保两个激光振镜头5既可独立实现X轴、Y轴的位置调整，以适应不同孔距要求，又可同步左右移动加工，且激光振镜头5只在加工位置发出光束；在升降滑台法兰板组件2和横移滑台法兰板3上的机械限位块14保证激光振镜头5的上下左右运动时，不会超出极限距离，最终实现复合材料板10的错位双光束激光制孔。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置，此装置采用对称结构，所述零部件均为对半的组件，包括横移滑台支架(1)，升降滑台法兰板组件(2)，横移滑台法兰板(3)，导轨滑块组件(4)，激光振镜头(5)，独立运动伺服电机(6)，方管支架(7)，同步底座组件(8)，工件夹具(9)，复合材料板(10)，同步伺服电机(11)，齿轮齿条传动装置，机械限位块(14)，其特征在于：其特征在于：
激光振镜头(5)用于将激光束聚焦并实现高速环形扫描逐层切割材料制孔，通过螺栓连接固定在升降滑台法兰板组件(2)上，升降滑台法兰板组件(2)起到支撑和移动激光振镜头的作用；
升降滑台法兰板组件(2)通过导轨滑块组件(4)连接在横移滑台法兰板(3)上，独立运动伺服电机(6)通过螺栓连接固定在升降滑台法兰板组件(2)上，经齿轮齿条传动装置传动，从而实现激光振镜头(5)的独立上下运动；
横移滑台法兰板(3)通过导轨滑块组件连接在横移滑台支架(1)上，横移滑台法兰板(3)上固定安装独立运动伺服电机，经齿轮齿条传动装置传动，实现激光振镜头(5)的独立左右移动，配合激光振镜头(5)的上下运动，能够满足工件不同孔距的打孔要求；
机械限位块(14)通过螺栓分别固定安装于升降滑台法兰板组件(2)和横移滑台法兰板(3)两端部，用于限制两个独立运动极限位置；
横移滑台支架(1)通过螺栓连接固定在方管支架(7)上面，方管支架(7)下面通过螺栓连接着同步底座组件(8)，同步底座组件(8)支撑着整个装置保持稳定，并保证两个激光振镜头(5)同时做左右运动；
同步伺服电机(11)和工件夹具(9)固定安装在同步底座组件(8)的工作台(801)上；其中，通过连接外部的数控系统控制独立运动伺服电机(6)和同步伺服电机(11)，保证横移滑台法兰板(3)的左右移动、升降滑台法兰板组件(2)的上下移动以及同步底座组件(8)的左右移动，确保两个激光振镜头(5)在极限距离内可以在X轴和Y轴上任意移动，以及两个激光振镜头(5)在X轴上的同步移动，以适应工件变孔距制孔的进给加工；
将复合材料板(10)通过螺栓紧定安装在工件夹具(9)上，启动外部数控机床来控制独立运动伺服电机(6)来保证横移滑台法兰板(3)的左右移动、升降滑台法兰板组件(2)的上下移动，使得两个激光振镜头(5)错位一定距离并移动到指定加工位置。
2.根据权利要求1所述的用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置，其特征在于：所述升降滑台法兰板组件(2)包括升降滑台下法兰(201)、支撑座(202)、支撑座上法兰(203)，所述支撑座上法兰(203)通过螺栓连接支撑座(202)，所述支撑座(202)通过螺栓固定在升降滑台下法兰(201)上。
3.根据权利要求1所述的用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置，其特征在于：所述同步底座组件(8)包括工作台(801)、滑块(802)、底座下支撑架(803)、导轨(804)、齿轮(805)、齿条(806)，所述导轨(804)通过螺栓连接固定在底座下支撑架(803)的左右两侧，所述滑块(802)通过移动副安装在导轨(804)上，所述工作台(801)通过螺栓固定在滑块(802)上，所述齿轮(805)通过紧固件连接在同步伺服电机(11)上，所述齿条(806)通过螺栓固定于底座下支撑架(803)上。
4.利用权利要求1所述的用于厚板复合材料错位双光束激光制孔装置加工大直径孔的方法，其特征在于:
步骤1：将复合材料板(10)通过螺栓紧定安装在工件夹具(9)上，启动外部数控机床来控制独立运动伺服电机(6)来保证横移滑台法兰板(3)的左右移动(X轴方向)、升降滑台法兰板组件(2)的上下移动(Y轴方向)，使得两个激光振镜头(5)错位一定距离并移动到指定加工位置，调整激光离焦量，使用指示光对焦；
步骤2：先启动一个激光振镜头(5)，将激光束聚焦并高速环形扫描逐层切割复合材料,加工完成复合材料板(10)第一个孔，通过数控机床控制同步伺服电机(11)来确保同步底座组件(8)左右移动，使得位于同步底座组件(8)上方的两个激光振镜头(5)同步移动到下一加工位置，此时同时打开两个激光振镜头(5)进行加工，开始进行双光束的错位加工制孔；
步骤3：通过数控系统控制独立运动伺服电机(6)和同步伺服电机(11)保证同步底座组件(8)的左右移动和横移滑台法兰板(3)的独立左右运动以及升降滑台法兰板组件(2)的独立升降移动，确保两个激光振镜头(5)既可独立实现X轴、Y轴的位置调整，以适应不同孔距要求，又可同步左右移动加工，且激光振镜头(5)只在加工位置发出光束；在升降滑台法兰板组件(2)和横移滑台法兰板(3)上的机械限位块(14)保证激光振镜头(5)的上下左右运动时，不会超出极限距离，最终实现复合材料板(10)的错位双光束激光制孔。
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