CN1215644A - 一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置。该装置由激光源、光纤、光学变换器、机械联动结构、激光加工头、计算机组成,其中激光器输出端与光学变换器之间联接一根光纤,光学变换器与激光加工头相连,计算机与激光源、借机测量部分、机械联动结构相接,激光加工头、借机测量部分和光学变换器固定在机械联动结构的机构臂下。本发明的装置加工灵活,适用大型和复杂曲面工件的多种加工;既缩短加工周期又提高加工精度。

Description

一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置

本发明涉及激光加工技术，特别是涉及一种采用柔性光纤传输激光，经过光束变换，具有多轴联动的机械部分和智能测量的多功能的激光加工装置。

目前激光加工装置可分为三大类：一是机械臂式激光加工机器人，二是激光加工中心，三是激光加工专用设备。在美国专利号US4870246、名称为“激光加工机器人用于切割与焊接”的文件中，介绍了一种采用框架式结构，使加工机器人沿水平和垂直线性运动、在垂直平面内的旋转运动和以中空加工臂为中心的二到三维极坐标运动，来完成加工动作。在美国专利号US5221823、名称“激光机械设备用于焊接与切割”文件中，介绍了一种关节臂式机器人。这两种装置共同特点，都是激光传输采用光学折返镜式传输系统，通过中空的腔式结构，将大功率激光从激光源传到加工面。图1给出了专利号US5221823“激光机械设备用于焊接与切割”文件中所采用的传输装置。可以看出，这种传输激光的方法为了保证激光传递光路的正确，传输装置的运动方式十分受限制，不仅加工中机器人的运动控制较为复杂，而且也使利用现有机械装置进行激光加工装备的改造难度增大。上述两种专利技术的设备中第二个缺陷是：都只是通过光学折返镜式传输系统，将激光直接由激光源传到加工面，而未对加工中使用的激光作进一步的处理。这虽然是目前激光加工设备主要采用的方式，但由于在实际工业生产中，针对不同的加工，激光的空间分布和强度分布要求也会有不同，因此，这种直接使用激光源加工的设备，大多只能以专用设备的形式出现，适用面较窄，远远满足不了实际需要。另外，目前的激光加工设备，基本上均为单纯的加工设备，自身不具备测量能力，因此加工的精确性在很大程度上依赖于加工工件外形尺寸，如果工件由于某种原因没有工件外形设计数据，则须借助于外部的测量设备，这又产生了测量数据与加工数据之间出现误差问题。

综上所述，由于现有激光加工技术的不足，目前的激光加工设备大多只能用于某一特定的领域，限制了激光加工设备在工业上的广泛应用。

本发明的目的在于：

为了解决现有的激光加工装置所存在的问题，从而提供一种在保证加工精度的同时，其有较大的加工范围和很好的工业适用性，既可用于曲面打孔、切割与焊接，又可用于材料表面处理、快速原形和模具制造等多种工业用途，可独立完成智能测量和工件加工，具有较高的性能价格比的柔性传输和多轴传动的激光加工装置。

本发明的目的是这样实现的：

为了实现上述目的，本发明的新型柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其工作原理图如图2所示。它由激光器、机械联动结构、激光加工头、计算机组成的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括光导纤维、光学变换器和借机测量部分，其中激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光器、借机测量部分、机械联动结构相接，激光加工头、借机测量部分和光学变换器用固定件固定在机械联动结构的机械臂下。其中由激光源发出的激光通过柔性光纤传输到光束变换器部分，在这里通过付立叶光学变换使激光改变其空间强度的分布，通过激光加工头聚焦输出，以多轴联动的方式，利用外部数据或使用本装置的智能借机测量部分所测数据，由计算机控制激光加工头对工件进行加工。借机测量部分，由安装在机械联动装置上的测量头与计算机相联接组成。机械联动结构是多轴联动，包括一个顶部带滑轨的钢制框架结构，在滑轨上设有一水平横梁，它可以沿框架结构的滑轨前后移动，水平横梁上安装有一垂直机械臂，它既可以沿水平轴往返移动，也可垂直于水平横梁上下运动。光束变换部分、激光加工头和测量部分均通过固定件(夹具)安装于垂直机械臂的下端，这样机械部分以三维运动带动激光加工头和测量头运动，机械臂下端可联接4-6节不同种类的机械臂，以实现不同动作。由于加工用激光是通过光纤柔性传输的，不受机械运动的影响，具体的机械装置，既可如上所述采用三轴运动方式，也可根据需要，采用2到9轴的运动方式；既可专门研制，也可利用现有设备改造而成。通过工控计算机控制，始终保持激光加工头沿被加工面法线运动时的动作姿态，进行差补，以实现多轴联动，即可在三维空间内进行大范围、高精度和灵活快速的激光加工，包括在曲面上打孔、切割和焊接，表面强化处理以及快速原形和模具的制造等。

发明的效果：

本发明的柔性传输和多轴联动的激光加工装置，采用成熟的工业大功率激光光源，通过柔性光纤传输激光，在选择相应的激光源后，不必再对机械运动部分进行复杂的改造，从而简化了激光加工头的结构，减轻了重量，操作和维修也都更加方便和安全：对激光束进行变换以适应不同的要求，从而提高了激光加工的灵活性；工控计算机控制的多轴联动机械运动部分，加工动作灵活，可实现2～9维运动，可用于大型工件的平面和复杂曲面的打孔、切割、焊接、表面处理、快速原形和模具制造等多种工业用途，加工精度高；它具有自适应智能测量功能，可对类似于轿车外壳冲压模具这样大尺寸的工件进行在线实测，测量速度快，精度高，可缩短大型加工件的测量周期；性能价格比高，可用于对现有的机械加工设备的改造。

下面结合附图及实施实例对本发明进行详细地说明：

附图及附图的简单说明

图1：现有技术中激光传输装置示意图。

图2：本发明的柔性传输和多轴联动激光加工装置工作框图。

图3：本发明提供的一种具有柔性传输和五轴联动激光加工装置结构示意图。

图4.1：本发明的激光加工头运动姿态示意图。

图4.2：本发明的激光加工头二维旋转运动示意图。

图5：本发明的一种智能化借机测量部分示意图。

图6：本发明用于表面强化加工时光束变换示意图。

图7：本发明实施例1中计算机控制的工作流程图。

图面说明如下：

1-工业化大功率激光光源，1.0-激光电源，1.1-冷却装置，1.2-激光器；2-光导纤维；3-光束变换器；4-借机测量部分，4.1-测量头；5-多轴联动的机械部分，5.0-框架结构，5.1-摆动关节，5.2-可转动定位圆盘，5.3-水平横梁，5.4-旋转关节，5.5-垂直机械臂，5.6-纵向横梁；6-激光(聚焦)加工头；7-计算机部分；8-加工工件；9-激光在加工面上形成的二维光斑分布；11-测量头所走过的轨迹；J1表示X向水平运动；J2表示Y向水平运动；J3表示Z向垂直运动；J4表示激光加工头绕加工中轴线的转动；J5表示激光加工头的摆动。

实施例1制作一台具有柔性传输和2轴联动的激光加工装置。在长4.5m×宽3.1m×高2.0m的钢梁纵向横梁5.6上装有导轨，并在其上安置一水平横梁5.3，水平横梁5.3由电机带动在纵向横梁5.6上可以前后移动；在水平横梁5.3上有导轨，可在其上安装一垂直机械臂5.5，在垂直机械臂末端用夹具把激光加工头6、测量头4.1和光学变换器3固定住，采用功率100～500W的近红外波长激光器，用一根介质实心的光导纤维将激光器和光学变换器3相连接，计算机7连接激光器1.2、光学变换器3和借机测量部分4，其工作流程图如图7所示。

实施例2制作一台具有柔性传输和3轴联动的激光加工装置。同实施例1相同，只是采用了可上下移动的垂直机械臂。

实施例3制作一台具有柔性传输和4轴联动的激光加工装置。同实施例2相同，它还在垂直机械臂5.5下端用固定件固定一可带动另一机械臂绕垂直机械臂5.5中轴线旋转的转动关节5.4，并在转动关节5.4上用固定件固定激光加工头6、光学变换器3、借机测量部分4。

实施例4制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置。同实施例3相同，它还在转动关节5.4上安装一可做摆动运动的机械臂5.1。装置如图3所示，其中钢制框架结构5长4.5米，宽3.1米，高2.0米，在纵向横梁5.6上装有导轨，水平横梁5.3可以在其上由电机带动前后移动。水平横梁5.3上也装有导轨，可供安装于其上的垂直机械臂5.5可沿水平方向左右移动，同时机械臂5.5上的电机又带动它可以上下移动。垂直机械臂5.5的下端装有可绕垂直机械臂中轴线360°旋转的转动关节5.4，它又连接着可作摆动的关节5.1，图4.2表示了这种结构的运动方式，图4.1表示始终保持激光加工头6沿被加工面法线运动时的动作姿态。测量头4.1与激光加工头均通过夹具装于这个关节上，激光加工头6和测量头4.1的固定可使用两种夹具：一种是直接装夹，即将激光加工头6和测量头4.1通过夹具直接安装到机械臂5.5上；另一种是将一个可转动圆盘5.2装于机械臂上，激光加工头与测量头以同心圆的方式装于可转动定位的圆盘5.2上，圆盘5.2偏离机械臂5.5中轴线安装，而使处于工作状态的激光加工头6(或测量头4.1)位于中轴线上，这种设计保证了测量时测量头4.1的位置与激光加工头6工作位置的精确符合，图3中即采用了这种设计。工控计算机7连接着激光源1、多轴联动的机械部分5和测量装置4，它负责控制输出激光的参数、在线地处理测量装置获得的工件外形尺寸数据及控制多轴联动的机械部分加工动作。装置中的激光源由电源1.0和冷却装置1.1和激光器1.2组成，可根据具体加工要求，选用不同类型的和不同波长并适于柔性传输的大功率激光器。激光柔性传输部分2采用低损耗、高功率的工业光导纤维2，它连接在激光器1.2与光学变换器3之间，在完成激光功率或能量的传输时，不受机械运动的限制。光束变换器可对激光源产生的激光按加工的要求进行付立叶光学变换处理。通过对入射光束的变换，可在加工平面上产生满足要求的光强分布。对于不同的工业加工需求，只需换用相对应的光束变换和聚焦部件，即可得到满足要求的激光束。智能化借机测量部分通过计算机控制测量头沿工件表面的运动(它可智能地进行数据采集和运动)在线地获取工件外形曲面的数据，如图5所示。由于测量部分与加工部分使用同一套机械运动装置，这样既简化了结构，又便于测量数据与加工数据的协调。多轴联动机械部分，通过工控计算机控制，可产生激光加工所需的动作。在本实施例中说明了又一种机械联动结构方式和两种固定加工头、测量头的方式，计算机控制部分同实施例1相同。

实施例5制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，它用于曲(平)面上的激光打孔、切割。利用实施例4述及的多功能5轴联动激光加工装置上，只是在激光加工头6上配装可在打孔与切割中通入辅助气体的装置，例如激光加工头的侧壁连接一根管子到气瓶上。以防止加工表面的氧化。可对大尺寸工件的平面或复杂曲面施行高精度的打孔和切割加工。这种借助于辅助吹气结构和适当的光束变换与聚焦系统而完成的打孔和切割无需后续处理，重复性好，精度高；加工热影响区小，不产生变形；可控性好，加工过程可一次完成。在进行平面加工时，保持激光加工头姿态的固定，利用框架结构带动激光加工头产生平面运动，可完成大面积板材上多点打孔和复杂边界形状工件切割的要求。在进行曲面加工时，利用二维旋转机构可实现激光加工头在空间任意点的法线姿态，满足打孔与焊接需要加工激光垂直于加工面的要求，如图4.1和图4.2所示。可满足航空发动机叶片打孔以及汽车车身先进制造技术中的板壳切割与裁剪这类有复杂曲面形状零件的加工要求，并具有较高的精度。

实施例6制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，它用于曲(平)面上的激光焊接。使用实施例4述及的多功能5轴联动激光加工装置，只是在激光加工头6上配装助焊剂输送结构，即可完成大面积的平面或复杂表面形状的曲面工件的焊接加工。根据焊缝的形状、材料以及工艺要求，对光束进行变换，并通过编程送入激光加工系统一次完成加工，可控性好，焊缝质量比较有保证。在焊接过程中，由于被焊接的材料不同，所要求的聚焦后光斑形状也不同，使用的助焊剂也不同，加上有些焊接轨迹是空间曲线，因此需要一个五维动作数控系统。

实施例7制作一台具有柔性传输和5轴联动的激光加工装置，它用于模具表面处理。利用实施例4的装置，可对某些覆盖件模具和塑料模具进行表面处理。通过付立叶光学变换技术产生的特定的光强分布，可对激光进行空间强度变换，在一次单脉冲焦平面上产生二维的光斑列阵，极大地提高了处理速度(达2～3个数量级)，如图6所示。利用多轴联动激光加工装置，可完成对具有复杂曲面外形的模具表面的强化处理，以提高模具的质量和使用寿命。由于需要表面强化的模具，生产单位并不一定将产品设计数据提供给使用者，或是设计数据与激光加工所需数据格式不同且难以转换，或是在生产中出现磨损而需再次强化的模具，因此在加工时必须结合测量部分，以获取所加工模具的精确三维尺寸。通过使用智能借机测量部分，采用如图5所示的方式对模具表面进行扫描，可以在线地还原模具的外形。由于借机测量部分与加工部分使用同一套运动机构，一方面降低了成本，另一方面也可以保证测量头与激光加工头位置的吻合，使测量数据可以立即形成加工数据完成加工，大大缩短了生产周期。

Claims (9)

1．一种由激光源、机械联动结构、加工头、计算机组成的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括光导纤维、光学变换器、借机测量部分。其中激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光源、借机测量部分、机械联动结构相接，激光加工头、借机测量部分和光学变换器用固定件固定在机械联动结构的机构臂下。

2．按权利要求1所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：所述的借机测量部分，由安装在机械联动结构上的测量头与计算机相联接组成。

3．按权利要求1、2所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：所述的机械联动结构是多轴联动，包括框架结构上的纵向横梁上设有导轨，并在其上安置一水平横梁，水平横梁上有导轨，在其上安装一可沿水平方向移动的机械臂，机械臂下端用固定件固定激光加工头、光学变换器、借机测量部分，计算机通过电机与机械臂相联组成。

4．按权利要求3所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：所述的机械联动结构还进一步包括在水平横梁上设置一由电机带动做垂直滑动的机构臂，机械臂下端用固定件固定激光加工头、光学变换器、借机测量部分，计算机通过电机与机械臂相联。

5．按权利要求1-4所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括在垂直机械臂下端用固定件固定一可带动另一机械臂绕垂直机械臂中轴线旋转的转动关节，并在转动关节上用固定件固定激光加工头、光学变换器、借机测量部分。

6．按权利要求5所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括在转动关节上安装一可做摆动运动的摆动关节，在其上固定激光加工头、光学变换器、借机测量部分。

7．按权利要求4所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：所述的固定激光头、光学变换器、借机测量部分的固定件包括转动圆盘，加工头和测试头以同心园方式装在转动园盘上，园盘做在垂直机械臂下端。

8．按权利要求1-6所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括在激光加工头上设置一通入辅助气体的结构。

9．按权利要求1-6所述的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括在激光加工头上设置一助焊剂的输送装置。

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