CN201519839U - 多轴联动数控激光加工系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的多轴联动数控激光加工系统,其结构为:工作台上安装有直线导轨,导轨的两端分别安装有工作台尾座和床头箱,二个开式中心托架活动安装在导轨上,并位于工作台尾座和床头箱之间;导轨台安装在工作台旁,导轨台上设置有与另一平行的导轨,移动滑台活动安装在该导轨上;机器人固定在移动滑台上,激光加工头安装在机器人的最后一个关节末端上;激光加工头通过光纤与激光器相连;冷却机通过冷却管分别与激光器及激光加工头相连;控制器分别通过控制线与机器人及移动滑台连接,控制机器人及控制移动滑台带动机器人在导轨台上移动。该系统解决了关节机器人激光加工系统加工范围小的问题,可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光加工领域的数控激光加工系统,用于对不同型号的工件进行激光加工,包括焊接、切割和表面热处理等,特别是能满足大型工件的激光加工。
背景技术
近年来,高功率激光加工技术因其加工效率高、无机械接触、易于实现自动化等一系列优点,在工业领域正得到越来越广泛的应用。特别是激光加工系统的“刀具”为激光,其加工特性与激光束的输出方式、能量大小以及所采用的光学系统、聚焦方式等密切相关。当我们改变激光的输出功率、输出脉冲频率或占空比等参数时,或者改变激光加工头的结构(如切割头、焊接头等),相应的激光加工工艺也会改变,如从激光切割改变为激光焊接或者激光表面强化处理等,而相应的机械结构、控制系统等几乎无需改动。这样,我们就可以利用改变激光加工参数(包括工艺参数和加工头)的方法使某台单功能的激光加工设备变为多功能的激光加工系统,实现智能化、柔性化加工。
目前的机器人激光加工系统常有两种形式:一种是基于常规数控机床的激光加工设备(以下简称数控激光加工机床),它的通用性好,不仅能满足光纤传输的固体激光器激光加工的要求,而且满足依靠光学镜片反射、透射传输的CO2激光器的激光加工要求;另一种是基于多轴工业机器人的激光加工系统,它的柔性化程度高,与固体激光器的光纤输出相适应,能够满足各种复杂三维形状的激光加工要求。CO2激光器因无法用光纤传输激光束,因此很少使用机器人作为加工系统。
数控激光加工机床按照所加工对象的性能要求,可以是二到五个自由度。通常采用五个自由度的加工机床,称为五轴联动激光加工系统,它包括三个平动轴和二个回转轴,可以加工大尺寸范围的复杂零件。但是在实际加工中却有其自身的技术难度:
1.编程复杂,难度大。因为五轴加工除了三个直线平动外,还有两个旋转运动轴参与,其合成的运动的空间轨迹相当复杂和抽象。为了加工出所需的空间自由曲面,往往需要多次坐标变换和复杂的空间集合运算,同时还要考虑各轴运动的协调性,避免干涉、冲撞,编程难度相当大。
2.对数控和伺服系统要求高。由于五轴加工要协调控制五个轴,数控系统必须要有五轴联动的控制功能;另外合成运动有回转运动的加入,增加了插补运算的工作量;回转运动的微小误差有可能放大,为了避免影响加工的精度,要求数控系统要有极高的运算速度。
激光机器人加工系统一般采用关节式机器人,适合几乎任何角度和轨迹的工作,可以自由编程,可控制的错误率,较高的生产效率。但是目前多数的机器人在应用时定点在某个固定位置,由于机器人自身工作空间的限制,在实际加工中其工作范围偏小,对于大型工件,如汽车的大型覆盖件模具、船舶与机车制造中的大型复杂零件的加工无能为力。
发明内容
针对上述问题,本实用新型提供了一种多轴联动数控激光加工系统,该系统解决了关节机器人激光加工系统加工范围小的问题,可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。
本实用新型提供的多轴联动数控激光加工系统,其特征在于:
工作台上安装有第一直线导轨,第一直线导轨的两端分别安装有工作台尾座和床头箱,第一、第二开式中心托架活动安装在第一直线导轨上,并位于工作台尾座和床头箱之间;
导轨台安装在工作台旁,导轨台上设置有与第一直线导轨平行的第二直线导轨,移动滑台活动安装在第二直线导轨上;机器人为三轴以上的工业机器人,机器人固定在移动滑台上,激光加工头安装在机器人的最后一个关节末端上;
激光加工头通过光纤与激光器相连;冷却机通过冷却管分别与激光器及激光加工头相连;
控制器分别通过控制线与机器人及移动滑台连接,控制机器人及控制移动滑台带动机器人在导轨台上移动。
上述技术方案可以采用一种或多种方式进行改进:(一)在导轨台的外侧安装有拖链,光纤和冷却管安装在拖链内;(二)第一、第二开式中心托架结构相同,它们均包括托架基座和安装在托架基座上的一对支撑架,托架基座安装在工作台的第一直线导轨上,一对支撑架对称安装在托架基座顶部的V型槽里,每个支撑架顶端均安装有滚轮;(三)导轨台包括轨座和安装在轨座上的第二直线导轨和齿条型直线导轨;移动滑台包括进给滑座、伺服电机、限位开关和进给齿轮,进给滑座的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽,进给齿轮与齿条型直线导轨上的齿条配合,进给齿轮安装在进给滑座的底部,伺服电机与进给齿轮连接,控制进给齿轮带动进给滑座沿第二直线导轨运动;(四)导轨台包括轨座和安装在轨座上的丝杠螺杆和第二直线导轨;移动滑台包括进给滑座、伺服电机、限位开关和丝杠滚珠螺母,进给滑座的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽,丝杠滚珠螺母与轨座上的丝杠螺杆配合,丝杠滚珠螺母安装在进给滑座的底部,伺服电机与丝杠螺杆连接,控制丝杠螺杆带动进给滑座沿第二直线导轨运动。
本实用新型系统将激光加工数控机床和关节机器人集合起来,不仅克服了现有激光加工数控机床加工系统编程复杂、控制较难和费用高的缺陷,降低了数控编程的难度,提高了激光加工系统的柔性化和自动化控制能力,而且大幅提高了激光加工效率和加工零件尺寸范围,解决了关节机器人激光加工系统加工范围小的问题,可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。具体而言,本实用新型具有以下技术效果:
1、采用移动式结构,机器人不再固定在一个位置,它可以沿着直线导轨运动,大大延伸了机器人的工作空间,从而能够加工大型工件和超大型工件,大幅度提高了加工零件尺寸范围。
2、采用先进的多轴关节机器人,提高了系统的柔性和自动化控制能力。一般而言,现代的商业机器人本身已经开发了强大的软件控制系统,可以进行示教或者离线编程,大大降低了复杂曲面加工的编程难度,提高了生产效率;此外,机器人本身一般带有自身开发的控制系统,使整个加工设备的控制系统设计得到简化;而且随着工业机器人在工业、物流等领域的逐渐普及,价格越来越低,成套设备的制造成本也将降低。
3、该加工系统的“刀具”为激光,激光器可以采用业已成熟的固体激光器(包括灯泵浦激光器、二极管泵浦全固态激光器、二极管激光器或者是光纤激光器),其共同特点是激光束可以通过光纤传输,因此可以和机器人的柔性化运动过程相结合,提高激光加工的精度和效率。
4、工作台可以采用通用机床实现,工件的装夹和加工都非常方便,因此该加工系统具有很大通用性,可以满足各种不同形状、尺寸的大型零部件的激光加工要求。
5、激光加工头可以根据加工需要进行更换,如分别采用激光焊接加工头,激光切割加工头,激光熔覆加工头等,大大提高了激光加工设备的通用性和实用性。
6、将机器人各轴运动、工作台主轴的运动、移动滑台的运动都集成到机器人控制器集中控制,最多可以实现系统的八轴联动控制。
附图说明
图1为本实用新型系统的立体图;
图2为本实用新型系统的主视图;
图3为本实用新型系统的俯视图;
图4为本实用新型系统的左视图;
图5为移动滑台的主视图;
图6为移动滑台的俯视图;
图7为床头箱结构示意图;
图8为开式中心托架的结构示意图。
图9为轨道导轨台的左视图。
具体实施方式
下面通过借助实例更加详细地说明本实用新型,但以下实施例仅是说明性的,本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1至图4所示,本实用新型系统包括机器人1,激光加工头2,工作台尾座3,第一、第二开式中心托架4、4’,工作台5,床头箱6,导轨台7,激光器8,冷却机9,控制器10,拖链11,移动滑台12,光纤20。
移动滑台12包括进给滑座21、伺服电机22、限位开关23和进给部件。进给滑座21的底部设有与第一直线导轨28和28’配合的滑槽25,可沿导轨台7进行移动。进给部件安装在进给滑座21的底部上,可以根据不同的情况选择,如果导轨台7较短,就可以使用滚珠丝杠装置,如果导轨台7较长,就可以选用齿轮齿条装置。图5-6为导轨台7较长时滑座的结构,进给齿轮24与伺服电机22相连,并与齿条型直线导轨27上的齿条啮合。当伺服电机22转动时,通过进给齿轮24可以拖动进给滑座21沿导轨台7上运动。限位开关23装在进给滑座21两侧,当滑座移动到导轨台7的两个末端时,限位开关23将会报警并会使伺服电机22紧急停止。
床头箱6可以采用现有的结构,但并不局限于此。如图7所示,床头箱6的通常结构包括卡盘16、主轴17、变速箱18和驱动电机19。卡盘16用来夹持工件,对工件起到固定和定心作用。主轴17一端与卡盘16相连,一端跟变速箱18相连,主要用来传递动力,使卡盘16可以进行回转运动。变速箱18通过换挡起到调节卡盘16转速的功能。驱动电机19与变速箱18相连,用来提供卡盘16转动的动力。
尾座3也可以采用通用的结构,它包括尾座基座和顶尖,顶尖用来对工件进行对中和夹紧工件,基座可以在工作台的直线导轨上进行移动,达到调整顶尖与床头箱6的卡盘16之间的距离,从而使加工系统能加工不同尺寸范围的工件。
第一、第二开式中心托架4、4’结构相同,如图8所示,它们均包括托架基座13和安装在托架基座上的一对支撑架14。托架基座13安装在工作台5的直线导轨上,可以带动整个托架沿工作台横向移动。一对支撑架对称安装在托架基座顶部的V型槽里。每个支撑架顶端均安装有滚轮15,在托架托起工件加工时,滚轮可随工件一起转动,可减少工件与托架之间的摩擦。当工件很长时,由于自重或者加工过程中产生的热应力会使工件中部产生下垂变形,托架可以从两侧对称的托起工件,避免上述现象发生,从而保证工件加工精度。
工作台5主要用来支撑工件,主要由工作台台面和第二直线导轨构成。
导轨台7位于工作台5的一侧,并与工作台5平行,移动滑台12安装在导轨台7上。图9是导轨台7较短时结构,它由第一直线导轨28和28’、齿条型直线导轨27和轨座26组成。如果导轨台较短,可采用滚珠丝杠结构,只需将移动滑台的进给部件12由进给齿轮改为滚珠丝杠螺母,导轨台7的齿轮齿条改成滚珠丝杠,移动滑台12通过滚珠丝杠副的驱动在导轨台7上运动。
机器人1是加工系统的运动中枢,本实用新型采用三至六轴的多轴工业机器人,它可以采用现有的市售产品但并不局限于此。机器人1固定安装在移动滑台12上。控制器10包括二部分,一部分为对机器人1主体的控制部分,通过与机器人1上的各个电机连接实现对机器人动作的控制,另一部分为移动滑台12和主轴17的控制部分。控制器10是机器人的大脑,也是整个加工系统的核心部分。它不但可以通过离线或者示教编程控制机器人1的内部轴按照预定的程序进行运动,而且还具有扩展功能。通过离线或者示教编程后,生成机器人可识别的运动代码,使机器人带动激光加工头2按照程序设定的路径进行运动。
机器人1在控制器10的控制下,可以随着移动滑台12在导轨台7上移动。
控制器10可以通过控制伺服电动机22的转速和转动圈数来控制机器人在导轨台7上的移动速度和移动距离。
床头箱6安装在工作台5的直线导轨上,尾座3安装在工作台5的直线导轨上,开式中心托架4、4’安装在工作台5的直线导轨上,并位于床头箱6和尾座3之间。
激光加工头2通过法兰盘固结在机器人1的最后一个关节末端,它是加工系统的执行装置,相当于机械加工中的刀具。激光加工头2可根据不同的加工需要进行更换,比如激光焊接时使用的焊接加工头,激光切割时使用切割加工头。
激光器8主要用来提供加工使用的光源,它通过光纤20与激光加工头2相连。激光器8可以是灯泵浦激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器或者其它能够方便通过光纤传输的激光器,它主要是用来产生加工中心的“刀具”——激光,并对激光的参数进行控制和优化。
冷却机9通过冷却管分别与激光器8及激光加工头2相连,用于对激光器8、光纤20及激光加工头2中的镜片进行冷却。
拖链11位于导轨台7的外侧,光纤和冷却管安装在拖链11内,可以使其在机器人往复运动中不受损坏,而且能使加工系统整体上更加美观。
本实用新型的多轴激光加工设备的工作流程:
(1)测试加工系统的各部分是否运行正常,包括机器人1、激光器8、冷却机9、激光加工头2、工作台等。
(2)调整卡盘16、尾座3和中心托架4的位置,将待加工零件装夹在工作台上。
(3)在多轴工业1机器人调整到加工的初始位置,并建立基坐标系。
(4)根据待加工工件的三维几何尺寸和其坐标系,运用机器人语言进行离线编程。
(5)将编程程序输入控制器10,并示教测试。
(6)测试结果无误后,进行正式加工。
(7)加工完毕,根据需要,确定是否加工另一个零部件;
(8)关闭加工系统各部件。
控制器10通过控制机器人1的三到六个轴、移动滑台12的进给轴和床头箱6的主轴,能实现系统五到八轴的联动,组成多轴联动系统。
以上所述为本实用新型的较佳实施例而已,但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本实用新型保护的范围。
Claims (5)
1.一种多轴联动数控激光加工系统,其特征在于:
工作台(5)上安装有第一直线导轨,第一直线导轨的两端分别安装有工作台尾座(3)和床头箱(6),第一、第二开式中心托架(4、4’)活动安装在第一直线导轨上,并位于工作台尾座(3)和床头箱(6)之间;
导轨台(7)安装在工作台(5)旁,导轨台(7)上设置有与第一直线导轨平行的第二直线导轨,移动滑台(12)活动安装在第二直线导轨上;机器人(1)为三轴以上的工业机器人,机器人(1)固定在移动滑台(12)上,激光加工头(2)安装在机器人(1)的最后一个关节末端上;
激光加工头(2)通过光纤与激光器(8)相连;冷却机(9)通过冷却管分别与激光器(8)及激光加工头(2)相连;
控制器(10)分别通过控制线与机器人(1)及移动滑台(12)连接,控制机器人(1)及控制移动滑台(12)带动机器人(1)在导轨台(7)上移动。
2.根据权利要求1所述的多轴联动数控激光加工系统,其特征在于:导轨台(7)的外侧安装有拖链(11),光纤和冷却管安装在拖链(11)内。
3.根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工系统,其特征在于:
第一、第二开式中心托架(4、4’)结构相同,它们均包括托架基座(13)和安装在托架基座上的一对支撑架(14),托架基座(13)安装在工作台(5)的第一直线导轨上,一对支撑架(14)对称安装在托架基座顶部的V型槽里,每个支撑架顶端均安装有滚轮(15)。
4.根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工系统,其特征在于:导轨台(7)包括轨座(26)和安装在轨座(26)上的第二直线导轨和齿条型直线导轨(27);
移动滑台(12)包括进给滑座(21)、伺服电机(22)、限位开关(23)和进给齿轮(24),进给滑座(21)的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽(25),进给齿轮(24)与齿条型直线导轨(27)上的齿条配合,进给齿轮(24)安装在进给滑座(21)的底部,伺服电机(22)与进给齿轮(24)连接,控制进给齿轮(24)带动进给滑座(21)沿第二直线导轨运动。
5.根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工系统,其特征在于:
导轨台(7)包括轨座(26)和安装在轨座(26)上的丝杠螺杆和第二直线导轨;
移动滑台(12)包括进给滑座(21)、伺服电机(22)、限位开关(23)和丝杠滚珠螺母,进给滑座(21)的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽(25),丝杠滚珠螺母与轨座(26)上的丝杠螺杆配合,丝杠滚珠螺母安装在进给滑座(21)的底部,伺服电机(22)与丝杠螺杆连接,控制丝杠螺杆带动进给滑座(21)沿第二直线导轨运动。
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