CN116944702B - 一种原位激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割技术领域内的一种原位激光切割机械手、装置及方法，包括X轴机构、Y轴机构、Z轴机构、机械手以及二氧化碳激光切割器；X轴机构滑设于Y轴机构上，Z轴机构包括并排滑设于X轴机构上的第一Z轴机构与第二Z轴机构，机械手连接第一Z轴机构，激光头连接第二Z轴机构；机械手用于获取并将待切割物放置于载物台上，根据机械手搁放待切割物时第一Z轴机构的停放位置信息制定切割路径信息指令，X轴机构、Y轴机构以及第二Z轴机构按照切割路径信息指令动作，激光头随第二Z轴机构移动至预设位置后开始切割。本发明实现了原位切割效果，解决了取放机构与切割机构分离式设计下因不同坐标系下位置信息误差影响切割精度的问题。

Description

一种原位激光切割方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，具体地，涉及一种原位激光切割机械手、装置及方法。

背景技术

激光切割具有加工效率高、精度高等优点，激光已经作为一种工具应用在各行各业。由于激光的高亮度、高强度的特性，且激光光斑的尺寸可以通过聚焦镜聚焦到微米量级，因此激光加工技术在有着高精度加工要求的行业中备受青睐，尤其是对于陶瓷、单晶硅和蓝宝石等高、硬、脆难以加工的切割技术中，激光加工技术尤为受欢迎。

随着对工件切割精度要求的提高，部分采用多关节的激光切割机器人进行操作，成本较高，但相对于桁架式激光切割装置，切割精度会有一定程度的提高，原因被认为是由于激光切割组件在位置调整时存在的晃动因素造成激光切割精度的降低。例如，公开号CN216298316 U，公开了一种激光切割机器人，包括本体，所述本体上平行设置两组第一滑轨，两组所述第一滑轨之间设有第二滑轨，所述第二滑轨通过第一滑座可滑动的设置在所述第一滑轨上，所述第二滑轨上可滑动的设有第二滑座，所述第二滑座上设有切割组件，所述切割组件包括激光头，所述本体包括支柱和加强筋，所述加强筋连接两组所述第一滑轨，使得第一滑轨更加稳固，防止晃动，所述第一滑轨包括设置在远离所述第二滑轨一侧的第一限位槽以及设置在靠近所述第二滑轨一侧的第二限位槽，所述第一限位槽相对于所述第一滑座的垂直距离小于所述第二限位槽相对于所述第一滑座的垂直距离，错位设置使得第一滑座的滑动更加稳定，减少晃动。 该专利技术旨在通过加强结构而提高运行稳定性，以提高桁架式激光切割装置的切割精度。

无论是多关节机器人还是桁架式激光切割装置，在作业过程中都无可避免地存在晃动问题，由于桁架式激光切割装置设置简单，成本较低，如何改进桁架式激光切割机以提高切割精度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种原位激光切割机械手、装置及方法。

根据本发明提供的一种原位激光切割机械手，包括X轴机构、Y轴机构、Z轴机构、机械手以及二氧化碳激光切割器；

所述X轴机构滑设于所述Y轴机构上，所述Z轴机构为两组，两组所述Z轴机构分别为第一Z轴机构和第二Z轴机构，所述第一Z轴机构与所述第二Z轴机构并排滑设于所述X轴机构上，所述机械手连接于所述第一Z轴机构的端部，所述二氧化碳激光切割器的激光头连接于所述第二Z轴机构的端部；

根据待切割物的位置信息生成抓取路径信息指令，所述第一Z轴机构根据抓取路径信息指令移动至预定位置，所述机械手动作并获取待切割物；根据待切割物预放位置信息生成放置路径信息指令，所述第一Z轴机构根据放置路径信息指令移动至预定位置，所述机械手动作并将待切割物放置于载物台上；根据所述机械手将待切割物放置于载物台上时所述第一Z轴机构的位置信息生成切割路径信息指令，所述第二Z轴机构根据切割路径信息指令移动至预设位置，所述激光切割器动作，所述激光头发出激光切割线并随所述第二Z轴机构移动过程中完成切割作业。

一些实施方式中，根据所述机械手将待切割物放置于载物台上时所述第一Z轴机构的位置信息生成切割路径信息指令，所述第二Z轴机构根据切割路径信息指令移动至所述第一Z轴机构将待切割物放置于载物台上时的位置，所述第二Z轴机构携带所述激光头移动至所述第一Z轴机构将待切割物放置于载物台上时的位置，所述激光切割器动作，所述激光头发出激光切割线并随所述第二Z轴机构移动过程中完成切割作业。

一些实施方式中，所述X轴机构包括X轴直线滑轨、第一驱动电机以及第二驱动电机，所述第一驱动电机与所述第二驱动电机滑动连接于所述X轴直线滑轨上，所述Y轴机构包括Y轴直线滑轨和第三驱动电机，所述第三驱动电机滑动连接于所述Y轴直线滑轨上，所述X轴直线滑轨的一端连接于所述第三驱动电机的一侧并同步移动，所述Z轴机构包括固定板和双节倍速机械臂，所述固定板为L型结构板，所述双节倍速机械臂滑动连接于所述固定板的内侧面，所述第一Z轴机构的所述固定板与所述第一驱动电机连接，所述第二Z轴机构的所述固定板与所述第二驱动电机连接，两组所述固定板分别与所述X轴直线滑轨滑动连接。

一些实施方式中，所述二氧化碳激光切割器还包括光束发射器、第一反射镜、第二反射镜以及聚焦镜，所述光束发射器连接于所述Y轴直线滑轨的端部，所述第一反射镜连接于所述第三驱动电机的壳体上，所述第二反射镜连接于第二Z轴机构的所述固定板上，所述聚焦镜连接于所述激光头的上端，所述激光头连接于所述第二Z轴机构的所述双节倍速机械臂的端部；

所述光束发射器发出的激光束经所述第一反射镜水平反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜将水平激光束变为竖向激光束反射至所述聚焦镜，所述聚焦镜将激光束传输给所述激光头，激光束经所述激光头形成激光切割线。

一些实施方式中，所述第一反射镜设有第一弹性螺钉。

一些实施方式中，所述第二反射镜设有第二弹性螺钉。

一些实施方式中，所述光束发射器通过PWM驱动器调节输出功率。

本发明还提供了一种原位激光切割装置，采用所述的原位激光切割机械手。

本发明还提供了一种原位激光切割方法，采用所述的原位激光切割机械手，包括如下步骤：

待切割物获取步骤：根据待切割物存放的位置信息生成抓取路径信息指令，所述X轴机构、所述Y轴机构以及所述第一Z轴机构根据抓取路径信息指令动作，所述第一Z轴机构根据抓取路径信息指令移动至预定位置，所述机械手动作并获取待切割物；

待切割物放置步骤：根据待切割物预放位置信息生成放置路径信息指令，所述X轴机构、所述Y轴机构以及所述第一Z轴机构根据放置路径信息指令动作，所述第一Z轴机构根据放置路径信息指令移动至预定位置，所述机械手动作并将切割物放置于载物台上；

激光切割步骤：根据所述机械手将待切割物放置时所述第一Z轴机构的位置信息生成切割路径信息指令，所述X轴机构、所述Y轴机构以及所述第二Z轴机构根据切割路径信息指令动作，所述第二Z轴机构根据切割路径信息指令移动至预设位置，所述激光切割器动作，所述激光头发出激光切割线并随所述第二Z轴机构移动过程中完成切割作业。

一些实施方式中，所述激光切割步骤中，根据所述机械手将待切割物放置于载物台上时所述第一Z轴机构的位置信息生成切割路径信息指令，所述第二Z轴机构根据切割路径信息指令移动至所述第一Z轴机构将待切割物放置于载物台上时的位置，所述第二Z轴机构携带所述激光头移动至所述第一Z轴机构将待切割物放置于载物台上时的位置，所述激光切割器动作，所述激光头发出激光切割线并随所述第二Z轴机构移动过程中完成切割作业。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过将取放机械手与激光切割器设置于同一坐标系下的桁架式机械臂上，实现了原位切割效果，解决了取放机构与切割机构分离式设计下因不同坐标系下位置信息误差影响切割精度的问题，提升了激光切割的精准度。

2、本发明通过切割作业时将第二Z轴机构的起始位置优化为第一Z轴机构将待切割物放置于载物台上的位置，在实现原位切割的基础上进一步提升为原点切割，解决同一坐标系下位置信息换算所造成的误差，进一步提升激光切割的精准度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明原位激光切割机械手的正面立体结构示意图；

图2为本发明原位激光切割机械手的侧面立体结构示意图；

图3为本发明的Z轴机械臂的结构示意图；

图4为本发明的反射镜的结构示意图；

图5为本发明原位激光切割装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种原位激光切割机械手，如图1-4所示，包括X轴机构1、Y轴机构2、Z轴机构3、机械手4以及二氧化碳激光切割器5。X轴机构1的一端滑动连接于Y轴机构2上，2组Z轴机构3滑动连接于X轴机构1上形成双臂机构，机械手4和二氧化碳激光切割器5的激光头54分别安装于两组Z轴机构3上，形成整体为双臂式桁架结构的机械手。

X轴机构1包括X轴直线滑轨10、第一驱动电机11以及第二驱动电机12，第一驱动电机11和第二驱动电机12并排滑动连接于X轴直线滑轨10上。Y轴机构2包括Y轴直线滑轨20和第三驱动电机21，第三驱动电机21滑动连接于Y轴直线滑轨20上。X轴直线滑轨10的一端连接于第三驱动电机21的壳体基座上并位于侧面，X轴直线滑轨10在第三驱动电机21驱动下沿Y轴直线滑轨20直线运动。

Z轴机构3为两组，两组Z轴机构3分别记为第一Z轴机构31和第二Z轴机构32，第一Z轴机构31、第二Z轴机构32分别与第一驱动电机11、第二驱动电机12连接并同步移动，第二Z轴机构32位于靠近Y轴直线滑轨20的一侧。第一Z轴机构31和第二Z轴机构32两者为相同机构设置。以第一Z轴机构31为例，其包括固定板301和双节倍速机械臂302，固定板301整体为L型结构，固定板301的一个侧板与X轴直线滑轨10滑动连接，且该侧板与第一驱动电机11紧固连接，固定板301的另一侧板与Y轴直线滑轨20平行，而双节倍速机械臂302滑动连接于固定板301的内侧面上，通过第一驱动电机11带动第一Z轴机构31沿X轴直线滑轨10同步直线滑动。相应的，通过第二驱动电机12带动第二Z轴机构32沿X轴直线滑轨10同步直线滑动。双节倍速机械臂302主要由齿轮机3021、主臂3022、副臂3023、滑轮组件3024以及传动带（附图中未显示）等构成，齿轮机3021以套接的方式安装于固定板301上，主臂3022为槽钢式结构立柱，主臂3022的外侧面通过滑块与滑道结构与固定板301的另一侧板滑动连接，副臂3023通过滑块与滑道结构滑动连接于主臂3022的内侧面，两组滑轮组件3024分别连接于主臂3022的上下两端，传动带转动连接于上下两滑轮上并与副臂3023连接，齿轮机3021的驱动齿轮与主臂3022啮合连接，通过齿轮机3021驱动主臂3022上下滑动，进而通过传动带带动副臂3023相对主臂3022上下移动，进而达到副臂3023呈双倍速移动的目的。

机械手4为取放机械手，其形式可为抓取机构、夹取机构或吸盘式机构等，用于获取待切割物并将待切割物放置于载物台上。二氧化碳激光切割器5为通过激光束进行切割的器件，其包括的构件主要有光束发射器50、第一反射镜51、第二反射镜52、聚焦镜53以及激光头54。光束发射器50连接于Y轴直线滑轨20的端部，且光束发射器50的出光孔位于Y轴直线滑轨20端部的侧面外部。第一反射镜51通过固定座连接于第三驱动电机21的基座下方并同步运动，第一反射镜51的进光孔与光束发射器50的出光孔同轴设置。第二反射镜52安装于第二Z轴机构32的固定板301的内侧，固定板301安装第二反射镜52的区域设有供激光束通过的通孔，第二反射镜52的进光孔与第一反射镜51的出光孔同轴设置。聚焦镜53固定连接于激光头54的上端，激光头54的外壳通过连接构件与副臂3023的端部固定连接，激光头54随副臂3023同步移动。聚焦镜53的进光孔与第二反射镜52的出光孔同轴，聚焦镜53与激光头54两者固定连接能够确保移动过程中焦距的固定。一些实施方式中，固定板301为分体结构，由两块平面结构板以端部相互嵌和的方式紧固连接而成，分体式结构相对于一体式结构能够一定程度上降低震动的传递效应，对连接安装第二反射镜52后能够降低对第二反射镜的震动影响。一些实施方式中，第一反射镜51的构件包括壳体510、镜头511、压盖512、紧固螺钉513以及第一弹性螺钉514，镜头511套接于壳体510上，压盖512压于镜头511上并通过紧固螺钉513与壳体510紧固连接，1个或多个第一弹性螺钉514连接压盖512和壳体510，第一弹性螺钉514通过吸震减震作用保证镜头511的稳定性。一些实施方式中，第二反射镜52与第一反射镜51的结构相同，同样设置有弹性螺钉，设置于第二反射镜52上的弹性螺钉记为第二弹性螺钉524。

本实施例提供的原位激光切割机械手的工作原理为：根据待切割物的位置信息生成抓取路径信息指令，第一Z轴机构31、第一驱动电机11以及第三驱动电机21根据抓取路径信息指令动作，通过安装于第一Z轴机构31端部的机械手4将待切割物件取出；根据待切割物预放位置信息生成放置路径信息指令，第一Z轴机构31、第一驱动电机11以及第三驱动电机21根据放置路径信息指令动作，机械手4随第一Z轴机构31移动至预定位置后动作，将待切割物放置于载物台上；根据第一Z轴机构31将待切割物放置于载物台上的位置信息生成切割路径信息指令，第二Z轴机构32、第二驱动电机12以及第三驱动电机21根据切割路径信息指令动作，在激光头54随第二Z轴机构32移动至预定位置时开始切割动作，具体切割动作为光束发射器50发出的激光束经第一反射镜51水平反射至第二反射镜52中，第二反射镜52将水平激光束变为竖向激光束反射至聚焦镜53，由聚焦镜53将激光束传输给通过激光头54，激光束经激光头54形成激光焦点并照射在待切割物上进行切割作业，并在随第二Z轴机构32移动过程中完成对物件的切割。本实施例提供的原位激光切割机械手，通过将取放机械手与激光切割器设置于同一坐标系下的桁架式机械臂上，实现了原位切割效果，解决了取放机构与切割机构分离式设计下因不同坐标系下位置信息误差造成的切割精度问题，提升了激光切割的精准度。

实施例

本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过切割作业时将第二Z轴机构的起始位置优化为第一Z轴机构将待切割物放置于载物台上时的位置，实现原位切割的基础上进一步提升为原点切割，进一步解决了同一坐标系下位置信息换算所造成的误差影响，进一步提升激光切割的精准度。具体地：

如图1-4所示，当机械手4将待切割物放置于载物台上时，记录下第一Z轴机构31所在的位置坐标信息，第一Z轴机构31在第一驱动电机11的驱动下朝着远离第二Z轴机构32的方向移动，而第二Z轴机构32则根据记录的位置坐标信息移动至机械手4将待切割物放置于载物台上时的第一Z轴机构31所在的位置坐标，此时，第二Z轴机构32携带二氧化碳激光切割器5进行切割的初始位置变为待切割物放置时的原点位置。然后，第二Z轴机构32、第二驱动电机12以及第三驱动电机21根据切割路径信息指令动作，在激光头54随第二Z轴机构32移动至预定位置时开始切割动作，并在随第二Z轴机构32移动过程中完成对物件的切割。

实施例

本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上形成的一种原位激光切割装置，采用实施例1或实施例2所述的原位激光切割机械手，如图1-5所示，还包括切割载物台6和注塑机7。

Y轴直线滑轨20坐落安装于注塑机7的壳体上，切割载物台6设置于注塑机7的一侧，机械手4自注塑机7内将注塑成型的待切割物移至切割载物台6上，通过二氧化碳激光切割器5完成对置于载物台6上的注塑件的切割作业。

实施例

本实施例4是在实施例1-3任一实施例的基础上形成的一种原位激光切割方法，采用实施例1-3任一实施例所述的原位激光切割机械手，如图1-5所示，包括如下步骤：

待切割物获取步骤：根据待切割物的存放位置信息生成抓取路径信息指令，第一驱动电机11、第三驱动电机21以及第一Z轴机构31根据抓取路径信息指令动作，机械手4移动至待切割物存放位置处进行抓取。

待切割物放置步骤：根据待切割物预放位置信息生成待切割物放置路径信息指令，第一驱动电机11、第三驱动电机21以及第一Z轴机构31根据放置路径信息指令动作，通过机械手4的动作将待切割物放置于切割载物台6上的预定位置。

激光切割步骤：根据机械手4将待切割物放置时的第一Z轴机构31的位置信息制定切割路径信息指令，第二驱动电机12、第三驱动电机21以及第二Z轴机构32根据切割路径信息指令动作，激光头54随第二Z轴机构32移动至预定位置时开启切割动作，并在移动过程中完成切割作业。

进一步地，激光切割步骤中，当机械手4将待切割物放置于载物台上时，记录下第一Z轴机构31所在的位置坐标信息，第一Z轴机构31在第一驱动电机11的驱动下朝着远离第二Z轴机构32的方向移动，而第二Z轴机构32则根据记录的位置坐标信息移动至机械手4将待切割物放置于载物台上时的第一Z轴机构31所在的位置坐标，此时，第二Z轴机构32携带二氧化碳激光切割器5进行切割的初始位置变为待切割物放置时的原点位置。然后，第二Z轴机构32、第二驱动电机12以及第三驱动电机21根据切割路径信息指令动作，在激光头54随第二Z轴机构32移动至预定位置时开始切割动作，并在随第二Z轴机构32移动过程中完成对物件的切割。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种原位激光切割方法，其特征在于，采用原位激光切割机械手，所述原位激光切割机械手包括X轴机构（1）、Y轴机构（2）、Z轴机构（3）、机械手（4）以及二氧化碳激光切割器（5）；

所述X轴机构（1）滑设于所述Y轴机构（2）上，所述Z轴机构（3）为两组，两组所述Z轴机构（3）分别为第一Z轴机构（31）和第二Z轴机构（32），所述第一Z轴机构（31）与所述第二Z轴机构（32）并排滑设于所述X轴机构（1）上，所述机械手（4）连接于所述第一Z轴机构（31）的端部，所述二氧化碳激光切割器（5）的激光头（54）连接于所述第二Z轴机构（32）的端部；

所述二氧化碳激光切割器（5）还包括光束发射器（50）、第一反射镜（51）、第二反射镜（52）以及聚焦镜（53），所述光束发射器（50）连接于Y轴直线滑轨（20）的端部，所述第一反射镜（51）连接于第三驱动电机（21）的壳体上，所述第二反射镜（52）连接于第二Z轴机构（32）的固定板（301）上，所述聚焦镜（53）连接于所述激光头（54）的上端，所述激光头（54）连接于所述第二Z轴机构（32）的双节倍速机械臂（302）的端部；

所述光束发射器（50）发出的激光束经所述第一反射镜（51）水平反射至所述第二反射镜（52），所述第二反射镜（52）将水平激光束变为竖向激光束反射至所述聚焦镜（53），所述聚焦镜（53）将激光束传输给所述激光头（54），激光束经所述激光头（54）形成激光切割线；

根据所述机械手（4）将待切割物放置于载物台上时所述第一Z轴机构（31）的位置信息生成切割路径信息指令，所述第二Z轴机构（32）根据切割路径信息指令移动至所述第一Z轴机构（31）将待切割物放置于载物台上时的位置，所述第二Z轴机构（32）携带所述激光头（54）移动至所述第一Z轴机构（31）将待切割物放置于载物台上时的位置，所述二氧化碳激光切割器（5）动作，所述激光头（54）发出激光切割线并随所述第二Z轴机构（32）移动过程中完成切割作业；

所述X轴机构（1）包括X轴直线滑轨（10）、第一驱动电机（11）以及第二驱动电机（12），所述第一驱动电机（11）与所述第二驱动电机（12）滑动连接于所述X轴直线滑轨（10）上，所述Y轴机构（2）包括Y轴直线滑轨（20）和第三驱动电机（21），所述第三驱动电机（21）滑动连接于所述Y轴直线滑轨（20）上，所述X轴直线滑轨（10）的一端连接于所述第三驱动电机（21）的一侧并同步移动，所述Z轴机构（3）包括固定板（301）和双节倍速机械臂（302），所述固定板（301）为L型结构板，所述双节倍速机械臂（302）滑动连接于所述固定板（301）的内侧面，所述第一Z轴机构（31）的所述固定板（301）与所述第一驱动电机（11）连接，所述第二Z轴机构（32）的所述固定板（301）与所述第二驱动电机（12）连接，两组所述固定板（301）分别与所述X轴直线滑轨（10）滑动连接；

包括如下步骤：

待切割物获取步骤：根据待切割物存放的位置信息生成抓取路径信息指令，所述X轴机构（1）、所述Y轴机构（2）以及所述第一Z轴机构（31）根据抓取路径信息指令动作，所述第一Z轴机构（31）根据抓取路径信息指令移动至预定位置，所述机械手（4）动作并获取待切割物；

待切割物放置步骤：根据待切割物预放位置信息生成放置路径信息指令，所述X轴机构（1）、所述Y轴机构（2）以及所述第一Z轴机构（31）根据放置路径信息指令动作，所述第一Z轴机构（31）根据放置路径信息指令移动至预定位置，所述机械手（4）动作并将切割物放置于载物台上；

激光切割步骤：根据所述机械手（4）将待切割物放置时所述第一Z轴机构（31）的位置信息生成切割路径信息指令，所述X轴机构（1）、所述Y轴机构（2）以及所述第二Z轴机构（32）根据切割路径信息指令动作，所述第二Z轴机构（32）根据切割路径信息指令移动，所述第二Z轴机构（32）携带所述激光头（54）移动至所述第一Z轴机构（31）将待切割物放置于载物台上时的位置，所述二氧化碳激光切割器（5）动作，所述激光头（54）发出激光切割线并随所述第二Z轴机构（32）移动过程中完成切割作业。

2.根据权利要求1所述的原位激光切割方法，其特征在于，所述第一反射镜（51）设有第一弹性螺钉（514）。

3.根据权利要求2所述的原位激光切割方法，其特征在于，所述第二反射镜（52）设有第二弹性螺钉（524）。

4.根据权利要求1所述的原位激光切割方法，其特征在于，所述光束发射器（50）通过PWM驱动器调节输出功率。