CN113210883B - 一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，包括：工作台：用于放置待加工工件；激光切割头：设置在工作台上方，与激光器连接，用于将激光器产生的激光射线射出，对工件进行激光加工；气体喷射机构：包括与激光切割头内部空间连通的气体输送管，气体输送管与气源连接；磨粒流喷射机构：包括固定在激光切割头外周的磨粒喷射管，所述磨粒喷射管与磨粒流循环机构连接，本发明的切割装置能够去除加工过程中产生的焊渣和毛刺，提高了工件加工质量。

Description

一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置

技术领域

本发明涉及机械精密切割设备技术领域，具体涉及一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

激光切割金属板材时，高能量密度的激光束聚焦在切割材料很小的区域，使该区域材料在极短的时间汽化，形成直径微小的孔洞。随着激光束的移动，使孔洞叠加在一起，形成较窄的切缝。由于激光束只能使得微小区域温度升高，汽化后的材料随着激光束的远离，温度急剧下降，从而堆积在切缝处，形成焊渣。在实际的加工生产中，由于激光束焦点的位置出现偏差或输出功率不够等问题，使工件未被充分汽化，容易在切缝处产生毛刺。发明人发现，在精密切割中，焊渣和毛刺严重影响了工件的加工精度。为了去除激光切割中的焊渣、毛刺等瑕疵，工人需要对工件进行额外的打磨抛光处理，不但耗费工时，还会导致二次定位带来的加工误差。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，方便对工件的焊渣和毛刺进行处理，保证了工件的加工精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的实施例提供了一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，包括：

工作台：用于放置待加工工件；

激光切割头：设置在工作台上方，与激光器连接，用于将激光器产生的激光射线射出，对工件进行激光加工；

气体喷射机构：包括与激光切割头内部空间连通的气体输送管，气体输送管与气源连接；

磨粒流喷射机构：包括固定在激光切割头外周的磨粒喷射管，所述磨粒喷射管与磨粒流循环机构连接。

可选的，所述工作台与驱动机构连接，驱动机构能够驱动工作台沿水平面内第一方向运动；

相应的，所述激光切割头与转动驱动元件连接，转动驱动元件能够驱动激光切割头绕竖直线摆动，转动驱动元件与二轴联动机构连接，二轴联动机构能够带动转动驱动元件沿竖直方向运动及沿水平面内与第一方向垂直的第二方向运动。

可选的，所述激光切割头包括依次设置的光纤接入部、准直部、聚焦部及喷嘴部，光纤接入部通过光纤线缆与激光器连接，准直部内设有准直镜片组，聚焦部内设置有聚焦组件，喷嘴部用于激光射线的射出。

可选的，所述喷嘴部包括锥形的壳体，所述壳体顶部设有聚焦镜，底部通过连接法兰连接激光头喷嘴，所述气体输送管与壳体内部空间连通，壳体外周固定有套筒，套筒内嵌入连接有磨粒喷射管，磨粒喷射管一端与磨粒流循环机构连接，另一端用于向工件喷射磨粒流。

可选的，所述连接法兰上方设有保护镜片。

可选的，所述激光头喷嘴与壳体底部之间设置有垫圈。

可选的，所述工作台顶面放置多排用于支撑待加工工件的剑栅，剑栅与工作台固定连接；

相应的，所述磨粒流循环机构包括设置在工作台相对两侧的气体收集箱及磨粒收集箱，气体收集箱通过设置在箱壁的出气口与工作台顶面剑栅之间空间连通，气体收集箱与气泵连接，所述磨粒收集箱通过设置在箱壁的进液口与工作台顶面剑栅之间空间连通，磨粒收集箱还与循环箱连通，循环箱与磨粒喷射管连接。

可选的，同一排的剑栅通过连接杆连接，构成剑栅条，所述工作台顶面与水平面呈设定夹角设置，且剑栅条设置方向，工作台顶面一端的高度大于另一端的高度。

可选的，所述磨粒收集箱的高度大于循环箱的高度，使得磨粒收集箱内的水溶液和磨粒能够在重力作用下流入循环箱。

可选的，所述循环箱通过泵体与磨粒喷射管连接。

本发明的有益效果：

1.本发明的切割装置，通过设置气体喷射机构，能够防止加工中的灰尘等杂志进入激光切割头的激光束聚焦光路中，同时可以辅助去除加工过程中产生的部分工件的焊渣，通过设置磨粒流喷射机构，能够对激光切割头起到散热作用，同时喷射出的磨粒流能够对加工区域进行冲击，冷却工件的同时，能够对加工产生的焊渣和毛刺进行打磨抛光，对工件一次定位即可完成切割和抛光打磨的工艺要求，改善了工件切缝处的质量，提高了生产制造的效率。

2.本发明的切割装置，通过设置磨粒流循环机构，能够实现磨粒和水溶液的循环利用，节省了加工的成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1激光切割头结构示意图；

图3为本发明实施例1激光切割头喷嘴部剖视图；

图4为本发明实施例1套筒与磨粒喷射管装配示意图；

图5为本发明实施例1磨粒流循环机构示意图；

其中，1.底座，2.导轨，3.工作台，4.丝杠电机，5.丝杠，6.激光切割头，7.转动驱动件，8.立柱，9.横梁，10.水平滑轨，11.水平驱动电机，12.导向轨，13.水平齿条，14.竖向滑轨，15.支撑板，16.升降板，17.竖向驱动电机，18.竖向齿条，19.旋转台，20.光纤线缆，21.气体输送管，22.第一固定块，23.气体接入口，24.第二固定块，25.气体输送软管，26.套筒，27.磨粒喷射管，28.磨粒流接入口，29.磨粒流喷嘴，30.气体收集箱，31.磨粒收集箱，32.剑栅A，33.剑栅B，34.汇集区域，35.气泵，36.压缩空气管，37.循环箱，38.磨粒输送软管，39.上位计算机，40.工件，41.挡板；

6-1.光纤接入部，6-2.准直部，6-3.聚焦部，6-4.喷嘴部，6-5.安装条；

6-4-1.壳体，6-4-2.聚焦镜片，6-4-3.连接法兰，6-4-4.喷嘴，6-4-5.保护镜片，6-4-6.垫圈。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种固液气三相磨粒流复合切割装置，如图1所示，包括底座1，所述底座上滑动连接有工作台，所述工作台用于支撑待加工的工件，工作台能够在底座上沿水平面内的第一方向运动，为了保证工作台运动的稳定性，所述底座上设置两条导轨2，工作台3的两端与导轨滑动连接。

工作台与第一驱动机构连接，第一驱动机构能够驱动工作台沿水平面内的第一方向运动。

可以理解的是，第一驱动机构可采用液压缸、直线电机或气缸等能够输出直线运动的设备，本实施例中，工作台的运动与工件的加工精度有关，因此对其运动精度要求较高，因此本实施例中，所述第一驱动机构采用丝杠传动机构。

具体的，所述丝杠传动机构包括安装在底座的丝杠电机4，所述丝杠电机的输出轴通过联轴器与丝杠连接，丝杠5与工作台螺纹连接，丝杠还与安装在底座的轴承座转动连接，利用轴承座对其进行支撑。

所述工作台的上方设置有激光切割头6，所述激光切割头用于发出激光射线，对工作台上的工件进行切割加工。

所述激光切割头与转动驱动件7连接，转动驱动件与二轴联动机构连接，转动驱动件能够带动激光切割头绕竖直轴线摆动，所述二轴联动机构能够带动激光切割头沿竖直方向运动及沿水平面内与第一方向垂直的第二方向运动。

本实施例中，所述二轴联动机构采用龙门式的二轴联动机构，包括设置在底座两侧的立柱8，两个立柱顶端之间连接有横梁9。

所述横梁的前侧面安装有水平滑轨10，水平滑轨沿第二方向设置，所述水平滑轨滑动连接有支撑板，所述支撑板上设置有第二驱动机构，支撑板能够利用第二驱动机构沿第二方向运动。

在一种实施方式中，所述第二驱动机构包括水平驱动电机11，所述水平驱动电机的电机壳通过电机座与支撑板固定，电机座与设置在横梁顶面的导向轨12滑动连接，水平驱动电机的输出轴与齿轮连接，所述齿轮与固定在横梁顶面的水平齿条13相啮合。

在其他一些实施方式中，所述支撑板也可与设置在横梁的丝杠传动机构连接，可以理解的是，根据实际需要设置第二驱动机构即可。

所述支撑板15上固定有沿竖向设置的竖向滑轨14，支撑板通过竖向滑轨滑动连接有升降板16，升降板上设置有第三驱动机构，第三驱动机构能够带动升降板沿竖直方向做升降运动。

本实施例中，所述第三驱动机构包括竖向驱动电机17，所述竖向驱动电机固定在升降板上，竖向驱动电机的输出轴与齿轮连接，所述齿轮与设置在支撑板上沿竖向设置的竖向齿条18相啮合。

在其他一些实施方式中，所述升降板也可与设置在支撑板的竖向的丝杠传动机构连接，可以理解的是，根据实际需要设置第三驱动机构即可。

所述升降板上安装有安装座，所述安装座与转动驱动件固定连接，本实施例中，所述转动驱动件采用转动电机，所述转动电机的输出轴与旋转台19连接，能够带动旋转台绕竖向轴线转动，所述旋转台的一个侧面与激光切割头固定连接。

如图2所示，所述激光切割头包括由上至下依次设置的光纤接入部6-1、准直部6-2、聚焦部6-3及喷嘴部6-4。

所述光纤接入部通过光纤线缆20与激光器连接，激光器产生的激光光束能够通过光纤线缆进入激光切割头。本实施例中，光纤线缆通过全反射原理，在不搭建光路的情况下，将激光器产生的激光束传递到激光切割头。

本实施例种，所述光纤接入部固定由安装条6-5，安装条通过螺栓与旋转台固定连接。

所述准直部内设置有准直组件，所述准直组件采用准直镜片组，用于对光纤线缆接入的激光进行准直，光线接入部出来的激光不是平行光，无法对其进行精确的聚焦，准直部内通过准直镜片组，能够将非平行光调整为平行光。

所述聚焦部用于将准直后的平行光束进行聚焦，所述聚焦部内装配有聚焦组件，所述聚焦组件采用聚焦镜片组件，聚焦组件可以手动调节激光束的聚焦焦点大小，以适应不同厚度工件的切割需求。

如图3所示，所述喷嘴部包括锥形的壳体6-4-1，所述壳体顶部与聚焦部螺纹固定连接，所述壳体的顶部固定有一片聚焦镜片6-4-2，所述壳体的底部安装有连接法兰6-4-3，具体的，所述壳体内部的底部设有第一凸台，所述连接法兰的顶部设有第二凸台，连接法兰通过第二凸台放置到第一凸台上，实现连接法兰与壳体的连接。

所述连接法兰底部通过螺纹连接有喷嘴6-4-4，所述喷嘴用于将激光束射出。

本实施例中，为了防止灰尘等杂质进入激光头，造成激光束在激光头内烧蚀灰尘，烧蚀产生的高温易导致激光头的使用寿命降低，在连接法兰上方设置一个保护镜片6-4-5，所述保护镜片固定在壳体内部。

所述喷嘴与壳体底部之间设置垫圈6-4-6，由于喷嘴为易损坏部件，垫圈可以保护壳体的下表面，除此之外，垫圈还可以起到放置喷嘴螺纹松动的作用。

所述激光切割头与气体喷射机构连接，所述气体喷射机构包括气体输送管21及气源，具体的，所述连接法兰和壳体设有相连通的通孔，所述通孔中放入气体输送管，气体输送管通过第一固定块22和螺钉与壳体固定连接，气体输送管与连接法兰内部空间相连通，所述气体输送管与气体接入口23连接，气体接入口通过第二固定块24和螺钉与壳体固定连接，气体接入口通过气体输送软管25与气源连接，气源能够通过气体接入口和气体输送管向激光切割头内部空间注入设定压力的气体，气体能够通过喷嘴射出，用于吹走加工过程中产生的汽化金属，同时可以防止加工过程中产生的灰尘等杂志进入激光束的聚焦光路中，还有助于去除切割过程中部分工件的焊渣。

本实施例中，所述气源采用现有的空气压缩机，能够提供设定压力的压缩空气。

所述激光切割头还与磨粒流喷射机构连接，磨粒流喷射机构能够向工件的加工区域喷射水溶液和磨粒，去除加工过程中产生的焊渣和毛刺。

所述磨粒流喷射机构包括套筒26、磨粒喷射管27及磨粒流循环机构。

本实施例中，所述套筒采用与喷嘴部壳体形状相匹配的锥形筒，所述套筒套接固定在喷嘴部壳体的外周，且设有用于气体接入口穿过的孔洞。

所述套筒内嵌入安装有呈螺旋状分布的磨粒喷射管，进一步的优选实施方式中，所述磨粒喷射管采用铜管，成本低且耐腐蚀性好。

所述磨粒喷射管的一端与磨粒流接入口28连接，并通过磨粒流接入口与磨粒循环机构连接，另一端与磨粒流喷嘴29连接，磨粒流喷嘴竖直朝下设置，设置在喷嘴部的一侧，用于向工件加工区域喷出水溶液和磨粒。

本实施例中，所述磨粒喷射管采用螺旋状分布，磨粒流在磨粒喷射管内流动时，可以带走喷嘴的壳体的热量，起到散热作用，同时采用螺旋状分布有助于增大磨粒喷射管与壳体的接触面积，增强散热效果。

如图4所示，磨粒喷射管通过嵌入的方式卡入套筒中。套筒为方便装配螺旋状的磨粒喷射管，由对称的两部分组成，装配好磨粒喷射管后通过预留螺纹孔，用螺钉连接，再将其装配到喷嘴部的壳体上。

磨粒喷射管能够同激光切割头做同步运动，使得磨粒流始终作用于激光加工的区域。

所示磨粒喷射管通过磨粒接入口与磨粒流循环机构连接，磨粒流循环机构能够向磨粒喷射管注入磨粒流。

本了配合磨粒流的循环利用，如图5所示，本实施例中，在工作台的顶面设有多排剑栅，剑栅垂直于第一方向设置，沿与第一方向垂直的第二方向的同一排的剑栅通过连接杆连为一个整体构成剑栅条，所示剑栅采用顶部设有尖角的板状结构，用于对待加工的工件进行支撑，由于激光加工属于非接触加工，对工件无冲击，因此，仅限制工件在竖直方向的移动即可，剑栅顶部的齿尖与工件的接触面积小，受激光的影响小，使用寿命长。加工区域的水溶液和磨粒能够落入工作台上表面的汇集区域34，实现水溶液和磨粒的收集。

本实施例中，工作台为一个立方体结构，定义其沿第一方向的两侧为前、后侧，另外两侧为左、右侧。

所示磨粒流循环机构包括设置在工作台前、后两侧的气体收集箱30和磨粒收集箱31，工作台左右侧均设有挡板41，防止磨粒流流出工作台，且同一排的剑栅通过螺栓固定在挡板上，气体收集箱及磨粒收集箱与位于侧部的剑栅贴合设置，所述气体收集箱通过压缩空气管36与气泵35连接，压缩空气管连接在气体收集箱的右端，气体收集箱靠近剑栅的一侧箱壁上开设有出气口，气体收集箱通过出气口与工作台内剑栅之间的空间相连通，能够将气体从相邻的剑栅A32和剑栅B33吹出，气泵能够通过气体收集箱向工作台内空间吹气，促进落入工作台顶面的水溶液和磨粒的流动。

所述磨粒收集箱靠近剑栅的一侧箱壁上开设有进液口，工作台顶面的磨粒和水溶液能够通过进液口进入磨粒收集箱。

本实施例中，为了更好的使得剑栅间的水溶液和磨粒进入磨粒收集箱，所述工作台的顶面与水平面呈设定夹角设置，所述夹角为15°，且沿与第一方向垂直的第二方向，靠近气泵一端的高度大于另一端的高度，使得水溶液和磨粒能够在重力作用下向汇集区域34汇集，更好的接受气体收集箱内吹出的气体作用，防止剑栅挡住气体的流动造成磨粒的堆积。

所述磨粒收集箱内部设置有过滤网，用于过滤掉流入磨粒收集箱内部的焊渣，过滤网后侧的磨粒收集箱的底部箱壁通过管路与循环箱37连接，且管路连接在磨粒收集箱的左端，即靠近汇集区域的一端，本实施例中，所述循环箱的安装高度低于磨粒收集箱的安装高度，磨粒收集箱内的磨粒和水溶液能够在重力的作用下流入循环箱。

所述循环箱内设置有过滤网，用于进一步过滤流入循环箱内的焊渣，所述循环箱通过泵体和磨粒流输送软管38与磨粒流接入口连接，泵体能够将设定压力的磨粒和水溶液注入磨粒喷射管并由磨粒喷射管喷出。

本实施例中，所述转动驱动元件、第一驱动机构、二轴联动机构、激光器、泵体、气泵、空气压缩机等元件均与控制系统连接，能够接受控制系统的指令工作，控制系统与上位计算机39连接，能够将工作状态在上位计算机进行显示，工作人员也能够通过上位计算机向控制系统发送指令。

本实施例的切割装置的工作方法为：

步骤1：将待加工的板类工件40放置到工作台上，利用剑栅对其进行支撑和定位。

步骤2：第一驱动机构工作，工作台和工件共同沿第一方向运动，直至工件运动至激光切割头的正下方，二轴联动机构带动激光切割头沿竖直方向运动，对激光切割头进行对焦。

步骤3：将预先准备的磨粒和水溶液盛放入磨粒收集箱中，本实施例中，所述磨粒采用固体磨料，可选用氧化铝制成的球体磨料，液态的水溶液选择混合表面活性剂的水溶液，将磨粒和水溶液混合后装入磨粒收集箱。

步骤4：将预加工结构的CAD图通过上位计算机导入控制系统中。

步骤5：开启空气压缩机和气泵，开启激光器，激光器产生的激光束通过光纤线缆传递到激光切割头，激光束经过准直、聚焦后，从激光切割头的喷嘴处射出，二轴联动机构及第一驱动机构配合激光切割头和工件的相对运动，按照设定的程序对工件进行切割，切割过程中，泵体驱动磨粒流从磨粒流喷嘴喷射出，随着激光切割头的行进，磨粒流对加工后的区域进行冲击，冷却工件的同时，对焊渣和毛刺进行打磨抛光，激光切割结束后，工件的切缝处无需再进行二次加工，落入工作台顶面的磨粒和水溶液在气体收集箱吹出气体的作用下进入磨粒收集箱，然后在重力的作用下流入循环箱，实现磨粒和水溶液的循环利用。

步骤6：激光切割头行进完CAD图所绘轨迹后，激光器自动关闭，手动关闭气泵和空气压缩机，控制二轴联动机构工作，将激光切割头抬升，第一驱动机构工作，将工作台移出激光切割头下方位置，取出工件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，包括：

工作台：用于放置待加工工件；所述工作台与驱动机构连接，驱动机构能够驱动工作台沿水平面内第一方向运动；激光切割头：设置在工作台上方，与激光器连接，用于将激光器产生的激光射线射出，对工件进行激光加工；

气体喷射机构：包括与激光切割头内部空间连通的气体输送管，气体输送管与气源连接；

磨粒流喷射机构：包括固定在激光切割头外周的磨粒喷射管，所述磨粒喷射管与磨粒流循环机构连接，所述工作台顶面放置多排用于支撑待加工工件的剑栅，剑栅与工作台固定连接；剑栅垂直于第一方向设置，剑栅采用顶部设有尖角的板状结构，用于对待加工的工件进行支撑，

相应的，所述磨粒流循环机构包括设置在工作台相对的两侧的气体收集箱及磨粒收集箱，气体收集箱通过设置在箱壁的出气口与工作台顶面剑栅之间空间连通，气体收集箱与气泵连接，所述磨粒收集箱通过设置在箱壁的进液口与工作台顶面剑栅之间空间连通，磨粒收集箱还与循环箱连通，循环箱与磨粒喷射管连接，沿与第一方向垂直的第二方向同一排的剑栅通过连接杆连接，构成剑栅条，所述工作台顶面与水平面呈设定夹角设置，所述夹角为15°，且沿与第一方向垂直的第二方向，靠近气泵一端的高度大于另一端的高度，且沿剑栅条设置方向，工作台顶面一端的高度大于另一端的高度。

2.如权利要求1所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，

所述激光切割头与转动驱动元件连接，转动驱动元件能够驱动激光切割头绕竖直线摆动，转动驱动元件与二轴联动机构连接，二轴联动机构能够带动转动驱动元件沿竖直方向运动及沿水平面内与第一方向垂直的第二方向运动。

3.如权利要求1所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，所述激光切割头包括依次设置的光纤接入部、准直部、聚焦部及喷嘴部，光纤接入部通过光纤线缆与激光器连接，准直部内设有准直镜片组，聚焦部内设置有聚焦组件，喷嘴部用于激光射线的射出。

4.如权利要求3所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，所述喷嘴部包括锥形的壳体，所述壳体顶部设有聚焦镜，底部通过连接法兰连接激光头喷嘴，所述气体输送管与壳体内部空间连通，壳体外周固定有套筒，套筒内嵌入连接有磨粒喷射管，磨粒喷射管一端与磨粒流循环机构连接，另一端用于向工件喷射磨粒流。

5.如权利要求4所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，所述连接法兰上方设有保护镜片。

6.如权利要求4所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，所述激光头喷嘴与壳体底部之间设置有垫圈。

7.如权利要求1所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，所述磨粒收集箱的高度大于循环箱的高度，使得磨粒收集箱内的水溶液和磨粒能够在重力作用下流入循环箱。

8.如权利要求1所述的一种固液气三相磨粒流激光复合切割装置，其特征在于，所述循环箱通过泵体与磨粒喷射管连接。

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