CN114101898A - 一种激光加工装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种激光加工装置，涉及光学辅助加工技术领域，包括支架及设置在支架上的加工平台，加工平台通过XY移动机构水平设置在支架上，在支架上垂直于加工平台设置有用于对被加工件进行切削加工的微加工刀具，微加工刀具通过沿竖直方向运动的直线驱动器与支架连接，在支架上还通过三自由度精密移动台连接设置有用于出射工作激光束的激光模组，在加工平台的一侧还连接设置有工业相机，激光加工装置还包括分别与XY移动机构、直线驱动器、激光模组、微加工刀具以及工业相机电连接的控制器，能够在激光加工与机械加工相配合的复杂加工中，保证激光加工稳定性的前提下，提高激光加工装置的调节灵活性，提高加工效率和加工精确度。
Description
技术领域
本申请涉及光学辅助加工技术领域，具体涉及一种激光加工装置。
背景技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
激光加工具有高能束、高精度、高效率、非接触加工、材料适应性广、工艺多样的优点，特别是在精密设备的加工中，具有显著的优势。
随着现代精密机械加工的复杂性增加，已经涌现出越来越多的激光与机械加工相配合的精密加工设备，现有技术中，这种精密加工设备通常同时包括有机械加工和激光加工的功能并使得这两种功能相互配合工作，实现更复杂的精密加工。其中，虽然对于机械加工的加工工具能够进行较为灵活的设置和调节，但是，由于激光束作为加工工具的特殊性，为了保证激光加工的对位准确性和加工稳定性，通常会将用于出射高能激光束的激光器在平面方向上固定，从而使得精密加工设备在加工过程中，激光加工部分只能够通过调整加工平台的平面位置来实现运动中的复合加工操作，这样会影响到激光器的聚焦调节能力，而且导致激光加工与机械加工的配合局限性较大，在工作前的调节时间长、加工效率低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种激光加工装置，能够在激光加工与机械加工相配合的复杂加工中，保证激光加工稳定性的前提下，提高激光加工装置的调节灵活性，提高加工效率和加工精确度。
本申请实施例是这样实现的：
本申请实施例提供了一种激光加工装置，包括：支架以及设置在支架上的加工平台，加工平台通过XY移动机构水平设置在支架上，用于承载被加工件，在支架上垂直于加工平台设置有用于对被加工件进行切削加工的微加工刀具，微加工刀具通过沿竖直方向运动的直线驱动器与支架连接，在支架上还通过三自由度精密移动台连接设置有用于出射工作激光束的激光模组，三自由度精密移动台与加工平台在支架上间隔设置，三自由度精密移动台可带动激光模组在水平面以及竖直方向移动调节，在加工平台的一侧还连接设置有工业相机，激光加工装置还包括控制器，控制器分别与XY移动机构、直线驱动器、激光模组、微加工刀具以及工业相机电连接。
可选地，在三自由度精密移动台上固定设置有夹具板，夹具板上加工有定位孔和弧形槽；激光模组包括激光加工头，激光加工头由螺纹紧固连接件通过定位孔以及弧形槽与夹具板可拆卸连接。
可选地，弧形槽包括多个，多个弧形槽以定位孔为中心间隔分布于一个圆周上。
可选地，激光模组还包括设置在支架上的激光器，激光器与激光加工头之间通过光纤连接，激光器出射的激光束通过光纤传输至激光加工头后朝向被加工件出射。
可选地，激光模组还包括设置在激光器与激光加工头之间的调节镜组，通过调节镜组可调节激光加工头出射的激光束的光斑形状和大小。
可选地，三自由度精密移动台包括设置在支架上的水平移动台，以及设置在水平移动台上的竖直调节杆，夹具板与竖直调节杆固定连接，夹具板与加工平台垂直。
可选地，加工平台的一侧还设置有相机调节架，工业相机设置于相机调节架上。
可选地，相机调节架包括滑动设置于加工平台侧边的立柱和固定设置在立柱上的固定部，工业相机固定设置于固定部上，在立柱的一侧设置有沿立柱的长度方向延伸的导轨，在导轨内滑动设置有夹持件，夹持件的夹持臂内夹持固定有横梁，横梁上滑动套设有夹具，夹具的端部与工业相机的镜头相互套接。
可选地，微加工刀具包括微小直径铣刀或者微小直径磨头。
可选地，加工平台为大理石加工平台。
本申请实施例提供的激光加工装置，包括：支架以及设置在支架上的加工平台，加工平台通过XY移动机构水平设置在支架上，用于承载被加工件，被加工件通过加工平台相对于支架在水平的X和Y方向上的调节，能够灵活的调整被加工件的位置，在支架上垂直于加工平台设置有用于对被加工件进行切削加工的微加工刀具，微加工刀具通过沿竖直方向运动的直线驱动器与支架连接，在需要通过微加工刀具对被加工件进行加工时，首先通过XY移动机构调节加工平台以使得加工平台上的被加工件与微加工刀具的投影位置对应准确，然后通过直线驱动器驱动微加工刀具在竖直方向运动即可靠近被加工件并对被加工件进行切削操作。在支架上还通过三自由度精密移动台连接设置有用于出射工作激光束的激光模组，三自由度精密移动台与加工平台在支架上间隔设置，三自由度精密移动台可带动激光模组在水平面以及竖直方向移动调节，因此，使得激光模组能够在水平面以及竖直方向三个自由度都可以灵活调节位置，从而对出射的工作激光束准确定位和调节，从而便于工作激光束与微加工刀具相互配合对被加工件进行加工操作。在加工平台的一侧还连接设置有工业相机，激光加工装置还包括控制器，控制器分别与XY移动机构、直线驱动器、激光模组、微加工刀具以及工业相机电连接。工业相机用于在激光加工过程中进行画面监控，控制器可以根据预设的程序或相应操作信号对激光加工装置的各个动作进行精准控制，在驱动微加工刀具对被加工件的加工位置进行微细切削的同时，控制工作激光束在已加工表面或未加工表面加工二级微结构，从而实现多级表面成形的复杂精细操作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图之一；
图2为本申请实施例提供的一种激光加工装置中激光加工部分的局部结构示意图之一；
图3为本申请实施例提供的一种激光加工装置中激光加工部分的局部结构示意图之二；
图4为本申请实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图之二；
图5为本申请实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图之三。
图标：10-支架；20-加工平台；30-XY移动机构；40-微加工刀具；50-直线驱动器；60-三自由度精密移动台；601-水平移动台；602-竖直调节杆；61-夹具板；610-定位孔；610′-条形槽；611-弧形槽；70-激光模组；71-激光加工头；80-工业相机；811-立柱；812-固定部；813-导轨；814-夹持件；815-夹具。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请实施例提供了一种激光加工装置，图1为本申请实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图之一，如图1所示，激光加工装置包括：支架10以及设置在支架10上的加工平台20，加工平台20通过XY移动机构30水平设置在支架10上，用于承载被加工件，在支架10上垂直于加工平台20设置有用于对被加工件进行切削加工的微加工刀具40，微加工刀具40通过沿竖直方向运动的直线驱动器50与支架10连接，在支架10上还通过三自由度精密移动台60连接设置有用于出射工作激光束的激光模组70，三自由度精密移动台60与加工平台20在支架10上间隔设置，三自由度精密移动台60可带动激光模组70在水平面以及竖直方向移动调节，在加工平台20的一侧还连接设置有工业相机80，激光加工装置还包括控制器(图1中未示出)，控制器分别与XY移动机构30、直线驱动器50、激光模组70、微加工刀具40以及工业相机80电连接。
采用本申请实施例提供的激光加工装置对被加工件进行激光辅助加工时，首先将被加工件放置于加工平台20上，通过XY移动机构30对加工平台20以及加工平台20上的被加工件的位置进行调节，以使得在加工平台20上方设置的微加工刀具40的设置位置与被加工件的加工位置对准，将二者的投影位置调节准确后，通过沿竖直方向运动的直线驱动器50驱动微加工刀具40向下运动以靠近被加工件，直至能够对被加工件进行切削操作，即可控制微加工刀具40开始切削工作，在此过程中，若需要进行激光辅助加工，通过三自由度精密移动台60的调节，能够使得激光模组70在与加工平台20平行的水平面的XY方向以及竖直的Z方向任意位置调节，以使得工作激光束以所需的落点和强度落在被加工件的未加工表面或者已加工表面，通过工作激光束对被加工件进行辅助加工，例如，在已加工表面进行二级结构加工，又例如，在未加工表面配合微加工刀具40共同切削加工等。在加工时，工业相机80朝向加工位置拍摄并将获取的图像传输至控制器，从而使得控制器通过根据工业相机80拍摄的图像监控加工过程，而且，由于控制器还分别与本申请实施例的激光加工装置中各个位置调节件以及各个加工件电连接，从而能够通过控制器准确控制位置的调节以及加工工作的开始和结束，使得本申请实施例的激光加工装置的自动化程度较高，且有利于激光辅助加工过程中，被加工件的对位精度以及激光辅助加工精度的提高。
其中，由于激光模组70在与加工平台20平行的水平面的XY方向以及竖直的Z方向通过三自由度精密移动台60任意调节位置，因此，工作激光束对被加工件的加工位置的灵活性较强，示例的，可以是通过激光模组70出射的工作激光束对已经经过微加工刀具40加工过的已加工表面进行二次的激光辅助加工，也可以调节激光模组70出射的工作激光束的位置，通过微加工刀具40和激光模组70同时对被加工件的不同表面同时加工等。
激光模组70与微加工刀具40的调节和工作相互独立，可以通过控制器分别操作，提高了本申请实施例的激光加工装置的工作灵活性和多样性，并且能够满足一些复杂的加工要求，对于一些结构不规则的被加工件，也能够灵活调节，降低加工难度。
工业相机80连接设置在加工平台20的一侧，本申请实施例中对于工业相机80的具体设置位置、连接方式等不做具体的限定，工业相机80用于拍摄图像以监测加工过程，因此，只要保证工业相机80的设置稳定性以及拍摄范围能够覆盖被加工件即可，其他如连接方式等可以由本领域技术人员在实际加工中根据需要进行具体选择设置。
本申请实施例提供的激光加工装置，包括：支架10以及设置在支架10上的加工平台20，加工平台20通过XY移动机构30水平设置在支架10上，用于承载被加工件，被加工件通过加工平台20相对于支架10在水平的X和Y方向上的调节，能够灵活的调整被加工件的位置，在支架10上垂直于加工平台20设置有用于对被加工件进行切削加工的微加工刀具40，微加工刀具40通过沿竖直方向运动的直线驱动器50与支架10连接，在需要通过微加工刀具40对被加工件进行加工时，首先通过XY移动机构30调节加工平台20以使得加工平台20上的被加工件与微加工刀具40的投影位置对应准确，然后通过直线驱动器50驱动微加工刀具40在竖直方向运动即可靠近被加工件并对被加工件进行切削操作。在支架10上还通过三自由度精密移动台60连接设置有用于出射工作激光束的激光模组70，三自由度精密移动台60与加工平台20在支架10上间隔设置，三自由度精密移动台60可带动激光模组70在水平面以及竖直方向移动调节，因此，使得激光模组70能够在水平面以及竖直方向三个自由度都可以灵活调节位置，从而对出射的工作激光束准确定位和调节，从而便于工作激光束与微加工刀具40相互配合对被加工件进行加工操作。在加工平台20的一侧还连接设置有工业相机80，激光加工装置还包括控制器，控制器分别与XY移动机构30、直线驱动器50、激光模组70、微加工刀具40以及工业相机80电连接。工业相机80用于在激光加工过程中进行画面监控，控制器可以根据预设的程序或相应操作信号对激光加工装置的各个动作进行精准控制，在驱动微加工刀具40对被加工件的加工位置进行微细切削的同时，控制工作激光束在已加工表面或未加工表面加工二级微结构，从而实现多级表面成形的复杂精细操作。
可选地，图2为本申请实施例提供的一种激光加工装置中激光加工部分的局部结构示意图之一，图3为本申请实施例提供的一种激光加工装置中激光加工部分的局部结构示意图之二，如图2所示，在三自由度精密移动台60上固定设置有夹具板61，请再结合图3中所示，夹具板61上加工有定位孔610和弧形槽611；激光模组70包括激光加工头71，激光加工头71由螺纹紧固连接件通过定位孔610以及弧形槽611与夹具板61可拆卸连接。
如图2和图3所示，虽然激光模组70通过三自由度精密移动台60能够实现在加工平台20的水平面以及竖直方向调节，但是由于激光具有较佳的方向性，激光出射的方向和角度对于其进行激光加工时的功能和效果也有较大的影响。在三自由度精密移动台60上固定设置的夹具板61上加工有定位孔610和弧形槽611，激光模组70中用于出射工作激光束的激光加工头71首先采用螺纹紧固件通过定位孔610进行位置的固定，同时，还采用螺纹紧固连接件穿过弧形槽611对激光加工头71进行固定，调节螺纹紧固连接件在弧形槽611中的位置，能够使得激光加工头71以定位孔610处为中心形成旋转的动作，这便等于调节了激光加工头71出射的工作激光束的方向，这样一来，便在三自由度调节的基础上，使得激光加工头71还能够调节出光角度，从而进一步提高了工作激光束的调节灵活性。
通过螺纹紧固连接件对激光加工头71与夹具板61之间进行可拆卸连接，安装和拆卸的便利性较好，若采用螺栓和螺母配合固定的方式，在调节激光加工头71的出光方向时，可以不必拆除重新安装，只是松动一些螺母后将激光加工头71转动至所需的位置再上紧螺母即可，调节方便。
可选地，如图3所示，弧形槽611包括多个，多个弧形槽611以定位孔610为中心间隔分布于一个圆周上。
这样一来，能够有效的扩大激光加工头71的旋转调节范围。在此基础上，定位孔610还可延长设置为条形槽610′，通过调节螺纹紧固连接件在条形槽610′内的位置，就能够调节激光加工头71相对于被加工件的距离，进而在不改变其他条件的前提下，能够在一定程度上调节形成在被加工件上的工作激光束的光斑大小和/或光强度。进一步的，可以在夹具板61上设置多个条形槽610′，多个条形槽610′的延伸方向不同，一方面能够适配不同型号的激光加工头71的安装固定，另一方面，也能够提高对激光加工头71调节的灵活性。
以上对于激光加工头71的调节和固定的实施方式无法穷举，只要符合前述的基本功能要求和工作原理，本领域技术人员可以进行适应性的设置和调整，均应当认为属于本申请实施例的保护范围。
可选地，激光模组70还包括设置在支架10上的激光器(图中未示出)，激光器与激光加工头71之间通过光纤(图中未示出)连接，激光器出射的激光束通过光纤传输至激光加工头71后朝向被加工件出射。
激光器可以根据需要选择相应波长范围和所需强度范围，激光器通过光纤与激光加工头71连接，激光器出射的激光束通过光纤传输，光纤具有柔性且可保证一定距离内的传输损失极小，这也就为激光器的设置减少了限制条件，激光器可以在加工平台的任意位置，甚至在加工平台之外的空间内设置，只要通过光纤将工作激光束传输至激光加工头71并出射用于激光辅助加工即可。
可选地，激光模组70还包括设置在激光器与激光加工头71之间的调节镜组(图中未示出)，通过调节镜组可调节激光加工头71出射的激光束的光斑形状和大小。
在激光模组70的光路中适当地位置设置调节镜组，通过调节镜组可对激光器出射的激光束进行相应的调节，本领域技术人员应当知晓，当激光束的接收光斑较大，光斑覆盖范围内由于激光束较强的光能量的整体覆盖，能够使得光斑覆盖范围内的温度迅速提高，当调节激光束的接收光班足够小，则焦点处极高的光能量能够实现熔融切割的功能，能够使得焦点位置材料离断，起到切割的作用。当然，通过调节镜组在一个光斑范围和足够小的光点之间适当调节，还能够控制激光束作为切割作用时，对焦点位置处材料的切入深度。示例的，激光束的光斑范围越小，局部光能量越高，相同时间内，对光斑位置处的材料的切入深度越深，反之，则较浅。同理，通过调节镜组调节光斑覆盖范围的大小，还能够调节被加热区域的大小和相同时间内升高的温度。同一能量密度的激光束，其光斑覆盖范围越大，光斑覆盖范围内的升温速度越慢；其光斑覆盖范围越小，光斑覆盖范围内的升温速度越快。
例如，对于一些特殊的加工要求，若能够在被加工件表面进行切削操作前，适当提高被加工件表面的温度，使得被加工件表面得到一定程度的软化后再开展微细切削能够获得更好的切削效果，同时能够减少对刀具的磨损并且提高切削加工的工作效率。这时可以首先通过调节镜组将工作激光束落于被加工件表面的光斑扩大并匀化，就能够对被加工件表面形成预热的效果，若后续有需要采用工作激光束进行激光辅助切割，可以在不替换激光器的情况下，通过调节镜组的调整或者更换实现，方便高效且降低成本。
可选地，图4为本申请实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图之二，请再结合图4所示，三自由度精密移动台60包括设置在支架10上的水平移动台601，以及设置在水平移动台601上的竖直调节杆602，夹具板61与竖直调节杆602固定连接，夹具板61与加工平台20垂直。
竖直调节杆602上固定夹具板61，通过竖直调节杆602上下调节即可带动夹具板61以及设置在夹具板61上的激光加工头71在加工平台20上的设置高度，而且，在进行水平面上的XY方向调节时，可以将竖直调节杆602、夹具板61以及激光加工头71视为一个固定的整体，通过水平移动台601进行调节。
可选地，图5为本申请实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图之三，如图5所示，加工平台20的一侧还设置有相机调节架，工业相机80设置于相机调节架上。相机调节架包括滑动设置于加工平台20侧边的立柱811和固定设置在立柱811上的固定部812，工业相机80固定设置于固定部上812，在立柱811的一侧设置有沿立柱811的长度方向延伸的导轨813，在导轨813内滑动设置有夹持件814，夹持件814的夹持臂内夹持固定有横梁，横梁上滑动套设有夹具815，夹具815的端部与工业相机80的镜头相互套接。
采用这种方式的相机调节架来设置工业相机80，一方面，在保证工业相机80的设置稳定性的基础上，使得工业相机80的设置位置也具有了较为灵活的调节能力，更有利于发挥工业相机80的优势，将加工过程更为清晰准确的通过图像展现；另一方面，由于横梁上滑动套设的夹具815端部与工业相机80的镜头套接，使得工业相机80的镜头稳定性更好，不易受到外部环境中振动等外力的影响。
可选地，微加工刀具40包括微小直径铣刀或者微小直径磨头，或者还可以包括其他进行微小加工的工件，多种不同的微加工刀具40，可以通过可拆卸连接的方式替换使用。
可选地，加工平台20为大理石加工平台。大理石具有极佳的硬度和稳定性，采用大理石材料作为加工平台20，能够提高加工平台20的减震、抗压效果，进而能够保证激光加工头71出射的工作激光束投射在被加工件表面的激光光斑的稳定性。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光加工装置，其特征在于，包括：支架以及设置在所述支架上的加工平台，所述加工平台通过XY移动机构水平设置在所述支架上，用于承载被加工件，在所述支架上垂直于所述加工平台设置有用于对所述被加工件进行切削加工的微加工刀具，所述微加工刀具通过沿竖直方向运动的直线驱动器与所述支架连接，在所述支架上还通过三自由度精密移动台连接设置有用于出射工作激光束的激光模组，所述三自由度精密移动台与所述加工平台在所述支架上间隔设置，所述三自由度精密移动台可带动所述激光模组在水平面以及竖直方向移动调节，在所述加工平台的一侧还连接设置有工业相机，所述激光加工装置还包括控制器，所述控制器分别与所述XY移动机构、所述直线驱动器、所述激光模组、所述微加工刀具以及所述工业相机电连接。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，在所述三自由度精密移动台上固定设置有夹具板，所述夹具板上加工有定位孔和弧形槽；
所述激光模组包括激光加工头，所述激光加工头由螺纹紧固连接件通过所述定位孔以及所述弧形槽与所述夹具板可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述弧形槽包括多个，多个所述弧形槽以所述定位孔为中心间隔分布于一个圆周上。
4.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光模组还包括设置在所述支架上的激光器，所述激光器与所述激光加工头之间通过光纤连接，所述激光器出射的激光束通过所述光纤传输至所述激光加工头后朝向所述被加工件出射。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光模组还包括设置在所述激光器与所述激光加工头之间的调节镜组，通过所述调节镜组可调节所述激光加工头出射的激光束的光斑形状和大小。
6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述三自由度精密移动台包括设置在支架上的水平移动台，以及设置在所述水平移动台上的竖直调节杆，所述夹具板与所述竖直调节杆固定连接，所述夹具板与所述加工平台垂直。
7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述加工平台的一侧还设置有相机调节架，所述工业相机设置于所述相机调节架上。
8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，所述相机调节架包括滑动设置于所述加工平台侧边的立柱和固定设置在所述立柱上的固定部，所述工业相机固定设置于所述固定部上，在所述立柱的一侧设置有沿所述立柱的长度方向延伸的导轨，在所述导轨内滑动设置有夹持件，所述夹持件的夹持臂内夹持固定有横梁，所述横梁上滑动套设有夹具，所述夹具的端部与所述工业相机的镜头相互套接。
9.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述微加工刀具包括微小直径铣刀或者微小直径磨头。
10.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述加工平台为大理石加工平台。
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