CN117697126A - 一种3d非金属成型件激光精密加工的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种3D非金属成型件激光精密加工的方法与装置，包括：机架，机架顶端一侧安装有龙门架；Y轴位移机构；X轴位移机构；Z轴位移机构；加工台，加工台安装在Y轴位移机构顶面，加工台上安装有垂直旋转机构，垂直旋转机构上安装有水平旋转机构，水平旋转机构顶面安装有夹具，待加工工件通过夹具固定在水平旋转机构上；振镜，振镜上安装有聚焦透镜；激光器，激光器安装在龙门架的顶端，龙门架的顶端安装有反射镜组，反射镜组与激光器对应设置；视觉定位单元。本发明解决了多层复合材料需要采用较高功率快速扫描的方式进行加工切割的问题，以保证断面的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种3D非金属成型件激光精密加工的方法与装置。
背景技术
激光加工被广泛应用于工业、军事、科学研究与日常生活中，随着激光加工工件复杂程度的增加，平面零件向空间立体零件的转变，针对一些复杂的多层非金属模压成型的三维空间零件，市场上传统激光加工已无法满足加工要求。
平面加工方案无法满足三维异形零件的加工，切割头+五轴机台运动加工方案(只能沿工件轮廓轨迹运动进行切割，对于多层材料或者一定厚度的材料加工时，在保证断面要求的情况不允许激光一次切透材料，通过走轨迹进行多遍切割时，受机台联动速度限制(机台联动速度远慢于振镜扫描速度)，激光直接将表层材料烧融/烧焦，造成零件损坏)；该方案无法适应一些材料需要(反复)多遍的加工要求。
基于上述理由，本发明提供一种3D非金属成型件激光精密加工的方法与装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D非金属成型件激光精密加工的方法与装置，以解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种3D非金属成型件激光精密加工装置，包括：
机架，所述机架顶端一侧安装有龙门架；
Y轴位移机构，所述Y轴位移机构安装在所述机架顶面；
X轴位移机构，所述X轴位移机构安装在所述龙门架上；
Z轴位移机构，所述Z轴位移机构通过安装架滑动设置在所述X轴位移机构上；
加工台，所述加工台安装在所述Y轴位移机构顶面，所述加工台上安装有垂直旋转机构，所述垂直旋转机构上安装有水平旋转机构，所述水平旋转机构顶面安装有夹具，待加工工件通过所述夹具固定在所述水平旋转机构上；
振镜，所述振镜可拆卸连接在所述Z轴位移机构上，所述振镜上安装有聚焦透镜，所述振镜与待加工工件对应设置；
激光器，所述激光器安装在所述龙门架的顶端，所述激光器与待加工工件对应设置，所述龙门架的顶端安装有反射镜组，所述反射镜组与所述激光器对应设置；
视觉定位单元，所述视觉定位单元安装在所述Z轴位移机构上；
上位机，所述Y轴位移机构、所述X轴位移机构、所述Z轴位移机构、所述水平旋转机构、所述垂直旋转机构、所述振镜、所述视觉定位单元、所述激光器均与所述上位机电性连接；
其中，所述振镜为2D振镜或3D振镜。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述Y轴位移机构包括Y轴直线电机，所述Y轴直线电机安装在所述机架顶端，所述加工台安装在所述Y轴直线电机上。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述X轴位移机构包括X轴位移电机，所述X轴位移电机安装在所述龙门架的中间位置，所述安装架安装在所述X轴位移电机上。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述Z轴位移机构包括Z轴直线电机，所述Z轴直线电机安装在所述安装架上，所述Z轴直线电机上安装有支撑板，所述振镜、所述视觉定位单元均安装在所述安装板上。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述垂直旋转机构包括转动连接在所述加工台上的支撑座，所述支撑座的轴线与X轴平行，所述加工台上固定连接有旋转驱动电机，所述旋转驱动电机与所述支撑座传动配合，所述支撑座顶面设置有安装工位，所述水平旋转机构安装在所述安装工位上。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述水平旋转机构包括转动连接在所述安装工位上的支撑台，所述支撑台的轴线与Z轴平行，所述安装工位上安装有电滑环，所述电滑环的转子与所述支撑台固定连接，所述夹具安装在所述支撑台的顶面。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述龙门架顶端安装有支撑架，所述支撑架上滑动设置有飞行光密封风琴罩，所述支撑架上滑动连接有推块，所述推块的底端与所述X轴直线电机上的安装架固定连接，所述飞行光密封风琴罩一端与所述龙门架侧面固定连接，所述飞行光密封风琴罩另一端与所述推块侧面固定连接。
根据本发明提供的3D非金属成型件激光精密加工装置，所述加工台上安装有除尘组件，所述除尘组件包括固定连接在所述加工台上的除尘罩，所述机架上安装有抽风风机，所述抽风风机的输出口与所述除尘罩固定连通。
一种3D非金属成型件激光精密加工方法，包括如下步骤：
S1，将加工零件模型导入上位机，通过导入的三维图形对加工轨迹根据透镜焦深范围进行图形解析/分段；
S3，通过夹具对待加工工件进行定位；
S3，根据材料类型选择第一加工模式或第二加工模式，如选择第一加工模式则实施步骤S4,如选择第二加工模式则实施步骤S5；
S4，图形解析后在每段线段边缘附着MARK点，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件轮廓轨迹进行分段运动，通过激光器发射激光对MARK点加工，然后视觉定位单元引导振镜分段进行抓靶加工，完成单段加工，多次重复直至图形加工完成；
S5，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件轮廓轨迹运动，同时通过激光器发射激光振镜进行加工，完成加工。
本发明公开了以下技术效果：
本发明工作时：将加工零件模型导入上位机，通过导入的三维图形对加工轨迹根据透镜焦深范围进行图形解析/分段；图形解析后在每段线段边缘附着MARK点；通过夹具对待加工工件进行定位；X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件轮廓轨迹进行分段运动，通过激光器发射激光对MARK点加工，然后视觉定位单元引导振镜分段进行抓靶加工，完成单段加工；多次重复直至图形加工完成。
本发明解决了多层复合材料需要采用较高功率快速扫描的方式进行加工切割的问题，以保证断面的效果；X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构、水平旋转机构形成五轴联动机台可以调整工件的摆放的姿态，以保证切割断面与曲面特征的角度要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明3D非金属成型件激光精密加工装置的结构示意图。
其中，1、Y轴直线电机；2、垂直旋转机构；3、水平旋转机构；4、除尘罩；5、聚焦透镜；6、视觉定位单元；7、振镜；8、X轴直线电机；9、Z轴直线电机；10、激光器；11、反射镜组；12、飞行光密封风琴罩；13、机架；14、龙门架；15、待加工工件；16、夹具。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，本发明提供一种3D非金属成型件激光精密加工装置，包括：
机架13，机架13顶端一侧安装有龙门架14；
Y轴位移机构，Y轴位移机构安装在机架13顶面；
X轴位移机构，X轴位移机构安装在龙门架14上；
Z轴位移机构，Z轴位移机构通过安装架滑动设置在X轴位移机构上；
加工台，加工台安装在Y轴位移机构顶面，加工台上安装有垂直旋转机构2，垂直旋转机构2上安装有水平旋转机构3，水平旋转机构3顶面安装有夹具16，待加工工件15通过夹具16固定在水平旋转机构3上；
振镜7，振镜7可拆卸连接在Z轴位移机构上，振镜7上安装有聚焦透镜5，振镜7与待加工工件15对应设置；
激光器10，激光器10安装在龙门架14的顶端，激光器10与待加工工件15对应设置，龙门架14的顶端安装有反射镜组11，反射镜组11与激光器10对应设置；
反射镜组11的主要作用是改变激光的光路走向，将激光通过反射传输到加工台面上；同时有一些镜组安装的镜片具有光束整形的作用，如将高斯光束整形成方形匀化光斑，有利于提高切割质量，改善边缘毛刺；
反射镜组11设置多个镜片，每个镜片都通过压圈安装于一个镜架上，镜架通过螺钉固定于光学底板上，每个镜架可以进行角度微调；激光器10作为激光源，通过串口或网线与上位机连接，可以对激光器的参数(功率、频率等)进行修改；
视觉定位单元6，视觉定位单元6安装在Z轴位移机构上；
上位机，Y轴位移机构、X轴位移机构、Z轴位移机构、水平旋转机构3、垂直旋转机构2、振镜7、视觉定位单元6、激光器10均与上位机电性连接；
其中，振镜7为2D振镜或3D振镜。。
以机架13顶面的中心位置为空间直角坐标系的原点，机架13的长度方向位X轴方向，宽度方向位Y轴方向，高度方向位Z轴方向进行装置的定位。
本发明工作时：将加工零件模型导入上位机，通过导入的三维图形对加工轨迹根据透镜焦深范围进行图形解析/分段；图形解析后在每段线段边缘附着MARK点；通过夹具16对待加工工件15进行定位；X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构2、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件15轮廓轨迹进行分段运动，通过激光器10发射激光对MARK点加工，然后视觉定位单元6引导振镜7分段进行抓靶加工，完成单段加工；多次重复直至图形加工完成。
本发明解决了多层复合材料需要采用较高功率快速扫描的方式进行加工切割的问题，以保证断面的效果；X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构2、水平旋转机构形成五轴联动机台可以调整工件的摆放的姿态，以保证切割断面与曲面特征的角度要求。
进一步优化方案，Y轴位移机构包括Y轴直线电机1，Y轴直线电机1安装在机架13顶端，加工台安装在Y轴直线电机1上。
进一步优化方案，X轴位移机构包括X轴位移电机，X轴位移电机安装在龙门架14的中间位置，安装架安装在X轴位移电机上。
进一步优化方案，Z轴位移机构包括Z轴直线电机9，Z轴直线电机9安装在安装架上，Z轴直线电机9上安装有支撑板，振镜7、视觉定位单元6均安装在安装板上。
进一步优化方案，垂直旋转机构2包括转动连接在加工台上的支撑座，支撑座的轴线与X轴平行，加工台上固定连接有旋转驱动电机，旋转驱动电机与支撑座传动配合，支撑座顶面设置有安装工位，水平旋转机构3安装在安装工位上。
进一步优化方案，水平旋转机构3包括转动连接在安装工位上的支撑台，支撑台的轴线与Z轴平行，安装工位上安装有电滑环，电滑环的转子与支撑台固定连接，夹具16安装在支撑台的顶面。
进一步优化方案，龙门架14顶端安装有支撑架，支撑架上滑动设置有飞行光密封风琴罩12，支撑架上滑动连接有推块，推块的底端与X轴直线电机8上的安装架固定连接，飞行光密封风琴罩12一端与龙门架14侧面固定连接，飞行光密封风琴罩12另一端与推块侧面固定连接。密封风琴罩的设置可以在激光加工过程中实现装置的遮光作用，通过X轴位移电机拉动推块沿着支撑架水平滑动，从而实现光密封风琴罩的展开以及封闭，振镜7设置在推块远离光密封风琴罩的一侧。
进一步优化方案，加工台上安装有除尘组件，除尘组件包括固定连接在加工台上的除尘罩4，机架13上安装有抽风风机，抽风风机的输出口与除尘罩4固定连通。除尘组件的设置可以将加工过程中的废料一同吹离加工工位，避免预料附着在工件表面，影响后续工件的表面精度，机架13可安装回收箱，回收箱用于存放加工余料。
一种3D非金属成型件激光精密加工方法，包括如下步骤：
S1，将加工零件模型导入上位机，通过导入的三维图形对加工轨迹根据透镜焦深范围进行图形解析/分段；
S3，通过夹具6对待加工工件15进行定位；
S3，根据材料类型选择第一加工模式或第二加工模式，如选择第一加工模式则实施步骤S4,如选择第二加工模式则实施步骤S5；
S4，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构2、水平旋转机构形成五轴联动机台可以调整工件的摆放的姿态，以保证切割断面与曲面特征的角度要求，五轴联动机台带动待加工工件15轮廓轨迹进行分段运动，通过激光器10发射激光对MARK点加工，然后视觉定位单元6引导振镜7分段进行抓靶加工，完成单段加工；需要注意的是，在激光切割加工过程以及后续的抓靶加工过程中，视觉定位单元6用于视觉引导以及重复视觉监测，保证加工过程中材料的精度以及余材附着在工件表面在后续的激光加工过程中产生融化附着在工件表面，影响工件的精度，视觉定位单元6采用高清跟随摄像机，并与上位机进行互动，精准控制五轴联动机台；
S5，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构2、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件15轮廓轨迹运动，同时通过激光器10发射激光振镜7进行加工，完成加工。
需要注意的是，对于部分材料两种加工模式均可实施，任意择期一种即可。
上位机负责统筹控制整体装置的运行，上位机可以根据具体的使用环境进行设定，比如可以为单片机或采用PLC、ARM(Advanced RISC Machine：高端精简指令集机器)、FPGA(Field－Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等方法进行控制，本实施例中不作具体限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于，包括：
机架(13)，所述机架(13)顶端一侧安装有龙门架(14)；
Y轴位移机构，所述Y轴位移机构安装在所述机架(13)顶面；
X轴位移机构，所述X轴位移机构安装在所述龙门架(14)上；
Z轴位移机构，所述Z轴位移机构通过安装架滑动设置在所述X轴位移机构上；
加工台，所述加工台安装在所述Y轴位移机构顶面，所述加工台上安装有垂直旋转机构(2)，所述垂直旋转机构(2)上安装有水平旋转机构(3)，所述水平旋转机构(3)顶面安装有夹具(16)，待加工工件(15)通过所述夹具(16)固定在所述水平旋转机构(3)上；
振镜(7)，所述振镜(7)可拆卸连接在所述Z轴位移机构上，所述振镜(7)上安装有聚焦透镜(5)，所述振镜(7)与待加工工件(15)对应设置；
激光器(10)，所述激光器(10)安装在所述龙门架(14)的顶端，所述激光器(10)与待加工工件(15)对应设置，所述龙门架(14)的顶端安装有反射镜组(11)，所述反射镜组(11)与所述激光器(10)对应设置；
视觉定位单元(6)，所述视觉定位单元(6)安装在所述Z轴位移机构上；
上位机，所述Y轴位移机构、所述X轴位移机构、所述Z轴位移机构、所述水平旋转机构(3)、所述垂直旋转机构(2)、所述振镜(7)、所述视觉定位单元(6)、所述激光器(10)均与所述上位机电性连接；
其中，所述振镜(7)为2D振镜或3D振镜。
2.根据权利要求1所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述Y轴位移机构包括Y轴直线电机(1)，所述Y轴直线电机(1)安装在所述机架(13)顶端，所述加工台安装在所述Y轴直线电机(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述X轴位移机构包括X轴位移电机，所述X轴位移电机安装在所述龙门架(14)的中间位置，所述安装架安装在所述X轴位移电机上。
4.根据权利要求1所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述Z轴位移机构包括Z轴直线电机(9)，所述Z轴直线电机(9)安装在所述安装架上，所述Z轴直线电机(9)上安装有支撑板，所述振镜(7)、所述视觉定位单元(6)均安装在所述安装板上。
5.根据权利要求1所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述垂直旋转机构(2)包括转动连接在所述加工台上的支撑座，所述支撑座的轴线与X轴平行，所述加工台上固定连接有旋转驱动电机，所述旋转驱动电机与所述支撑座传动配合，所述支撑座顶面设置有安装工位，所述水平旋转机构(3)安装在所述安装工位上。
6.根据权利要求5所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述水平旋转机构(3)包括转动连接在所述安装工位上的支撑台，所述支撑台的轴线与Z轴平行，所述安装工位上安装有电滑环，所述电滑环的转子与所述支撑台固定连接，所述夹具(16)安装在所述支撑台的顶面。
7.根据权利要求3所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述龙门架(14)顶端安装有支撑架，所述支撑架上滑动设置有飞行光密封风琴罩(12)，所述支撑架上滑动连接有推块，所述推块的底端与所述X轴直线电机(8)上的安装架固定连接，所述飞行光密封风琴罩(12)一端与所述龙门架(14)侧面固定连接，所述飞行光密封风琴罩(12)另一端与所述推块侧面固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于：所述加工台上安装有除尘组件，所述除尘组件包括固定连接在所述加工台上的除尘罩(4)，所述机架(13)上安装有抽风风机，所述抽风风机的输出口与所述除尘罩(4)固定连通。
9.一种3D非金属成型件激光精密加工方法，基于权利要求1-8任一项所述的3D非金属成型件激光精密加工装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将加工零件模型导入上位机，通过导入的三维图形对加工轨迹根据透镜焦深范围进行图形解析/分段；
S3，通过夹具(16)对待加工工件(15)进行定位；
S3，根据材料类型选择第一加工模式或第二加工模式，如选择第一加工模式则实施步骤S4,如选择第二加工模式则实施步骤S5；
S4，图形解析后在每段线段边缘附着MARK点，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构(2)、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件(15)轮廓轨迹进行分段运动，通过激光器(10)发射激光对MARK点加工，然后视觉定位单元(6)引导振镜(7)分段进行抓靶加工，完成单段加工，多次重复直至图形加工完成；
S5，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、垂直旋转机构(2)、水平旋转机构形成五轴联动机台带动待加工工件(15)轮廓轨迹运动，同时通过激光器(10)发射激光振镜(7)进行加工，完成加工。
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2023
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