CN217452945U - 同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其包括：机床主轴架、夹具、输出头。机床主轴架为机床静止部位并在其下方安装刀具，刀具由机床主轴带动旋转。夹具包括将电机、减速机、轴承固定在机床主轴架上的支撑板、左夹板、右夹板、托架；减速机输出轴安装有小齿轮，轴承内圈与托架过盈配合，轴承外圈与大齿轮过盈配合；输出头置于挂板上，挂板装配在所述大齿轮上，电机驱动小齿轮啮合大齿轮转动；调节置于挂板上的滑槽螺钉，能调整输出头的俯仰角度。输出头包括将激光头发射的激光及测温仪的探测光置于同轴的反射镜、二向色镜、保护镜及安装各镜片的结构件，还包括具有防尘防潮作用的上壳、下壳。该装置能实现激光、探测光的同轴输出进而实现同轴温控；夹具能调整输出头的旋转及俯仰角度使激光随加工轨迹运动。

Description

同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置

技术领域

本实用新型属于高能激光应用技术领域，特别涉及一种同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置。

背景技术

随着高能激光技术的日趋成熟，各式各样的激光加工设备应用在各个领域中，利用高能激光束具有能量密度大的优点，加热工件使工件瞬间局部高温或软化，结合传统铣、车、刨、钻等加工方式，能够提高加工效率、节约刀具、降低加工难度和/或改善表面加工质量。

不同的工程材料激光加热辅助切削的工艺不同，涉及激光加热方面关键控制有两点：一是激光光斑作用点处材料加热温度的精准控制，实现精确温控的重要因素是能够实时精准采集激光光斑作用点处材料的温度反馈给控制系统；二是刀具作用点与激光光斑作用点之间的位置关系，如两作用点之间的中心距离、方位关系。材料温度采集常用交叉轴探测即测温仪的探测光束与激光加热光束成一定角度，在工件表面探测光斑与激光光斑重合监控材料温度。但是随着材料厚度、位置、形状的变化，沿着加工轨迹实施加工时，探测光斑与激光光斑在材料表面不能保持始终重合，检测到的温度不是激光光斑作用点的温度，甚至存在极高偏差。

目前公布的关于激光辅助切削的专利主要集中于实现激光发射头的位姿调节的技术方案及整机设备实施方案，如申请号CN108838689A“一种用于激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置及方法”提出了一种辅助铣削加工时激光准直器位姿调节的装置，装置中手动调节丝杆滑台机构实现俯仰角及平移距离的调整，进而调节激光入射角、光斑大小、光斑中心与刀具中心的方位及距离，装置的调节需要手动进行，而且不能以刀具轴中心旋转，也无法随轨迹变化使光斑始终位于刀具前进方向；申请号CN108817489A“用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置及方法”提出了一种适合自由曲面辅助铣削加工的激光加热装置，该装置体积大结构复杂，用到5个伺服电机及5套运动机构实现旋转、俯仰角调节及激光光斑随轨迹的运动；由于两装置的结构复杂性，均需要较大的安装空间，而通用化的机床主轴部位有效空间非常受限，除非定制化机床主轴结构再进行安装。此外目前公布的专利中没有提出将激光加热光束及测温仪的探测光束合为同轴光束实施同轴温控的技术方案。

发明内容

为解决目前技术的不足，本实用新型结合现有技术，从实际应用出发，提供了同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，所述装置提出一种将激光加热光束及测温仪的探测光束合为同轴光束实施同轴温控的技术方案；同时提出了一种调节激光束位姿的调整机构，能够使光斑随加工轨迹运动，所述调整结构简单，通过卡紧方式无需改动通用化机床主轴部位即可进行安装。所述装置具备结构紧凑、使用简单、适用于通用化机床主轴的特点。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。

本实用新型提供了一种同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，所述装置包括机床主轴架、夹具、输出头，其中。

所述机床主轴架为机床静止部位并在其下方安装刀具，所述刀具由机床主轴带动旋转；所述夹具包括将电机、减速机、轴承固定在所述机床主轴架上的支撑板、左夹板、右夹板、托架；所述减速机输出轴安装有小齿轮，所述轴承内圈与所述托架过盈配合，所述轴承外圈与大齿轮过盈配合；所述输出头置于挂板上，所述挂板装配在所述大齿轮上，所述电机驱动所述小齿轮，啮合所述大齿轮转动，使所述输出头能够围绕所述刀具周向旋转；调节置于所述挂板上的滑槽螺钉，能调整所述输出头的俯仰角度。

所述输出头包括将激光头发射的激光及测温仪的探测光置于同轴的反射镜、二向色镜、保护镜及安装各镜片的结构件，还包括具有防尘防潮作用的上壳、下壳。

作为进一步优选的，通过螺钉安装所述左夹板及所述右夹板，将夹具卡紧在所述机床主轴架上；所述支撑板及所述托架装配在所述左夹板及所述右夹板的上下面，所述电机和所述减速机固定在所述支撑板上；所述减速机输出轴与所述小齿轮固定，所述小齿轮啮合所述大齿轮以所述刀具轴做周向旋转。

作为进一步优选的，所述挂板固定于所述大齿轮上，所述挂板设计有俯仰轴心孔和滑槽，分别安装有轴心螺钉和滑槽螺钉，以所述轴心螺钉为轴，调整所述滑槽螺钉在滑槽中的位置，能够调节所述输出头一定范围的俯仰角度。

作为进一步优选的，所述输出头中的所述上壳安装于隔板上，镜架三及所述下壳固定在所述上壳上；镜架一、立板一、立板二、立板三安装在所述隔板上，镜架二固定于所述立板三上；所述镜架二上安装有所述反射镜，所述镜架一上安装有所述二向色镜，所述立板一安装有矫正镜，所述镜架三上安装有所述保护镜；所述测温仪固定于所述立板二上，所述激光头固定于所述立板三上。

作为进一步优选的，所述激光头发射的激光及所述测温仪的探测光通过所述反射镜和所述二向色镜能够合为同轴光束，使得所述测温仪的温度探测点能精准监控所述激光头的激光光斑作用点。

作为进一步优选的，所述镜架一、所述镜架二分别设计有水道，安装有水嘴一和/或水嘴二，可冷却所述反射镜及所述二向色镜，避免在高能量激光束传输过程中镜片温度过高导致镀层损伤或达到材料损伤阈值损坏。

作为进一步优选的，所述镜架一、所述镜架二、所述镜架三均通过隔套、压圈安装镜片。

作为进一步优选的，所述反射镜能高效率反射至少包含指示光波段

和激光波段

，所述二向色镜能高效率反射激光波段

及半透半反指示光波段

和高效率透射探测光波段

，所述保护镜能够高效率透过至少包含指示光波段

、激光波段

和探测光波段

，所述矫正镜用于调节所述测温仪的接收光强度，与选用的所述测温仪种类及型号相关。

总而言之，通过本实用新型提出的上述技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果。

1. 本实用新型的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置的反射镜、二向色镜将激光光束及探测光束合为同轴光束，使激光光斑作用点及探测光束作用点不受工件的厚度、形状、位置的限制始终保持重合，实现精准同轴温控。

2. 本实用新型的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置的滑槽螺钉以轴心螺钉为轴，沿滑槽可调节激光光束的俯仰角进而调整刀具作用点及光斑作用点的中心距离；装置的电机驱动小齿轮，小齿轮啮合大齿轮旋转可带动激光光束以刀具轴为中心进行旋转运动，控制电机转速及转角能使激光光束随加工轨迹运动并使光斑作用点始终位于刀具前进方向。

3.本实用新型的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置结构紧凑，尺寸小巧，所需安装空间小，夹具以卡紧方式装配在机床主轴上，特别适合直接安装于通用化机床主轴上而不需要对机床主轴部位做任何改动。

附图说明

附图1为本实用新型总体结构装配示意图。

附图2为本实用新型总体结构爆炸示意图。

附图3为本实用新型夹具结构爆炸示意图。

附图4为本实用新型输出头上壳下壳拆分示意图。

附图5为本实用新型输出头内部结构示意图。

附图6为本实用新型输出头内部结构爆炸示意图。

附图7为本实用新型镜架二主视图结构示意图。

附图8为本实用新型镜架二A-A剖面示意图。

附图9为本实用新型轨迹随动原理示意图。

附图10为本实用新型同轴温控与交叉轴温控原理比较示意图。

附图中所示标号。

1、机床主轴架；101、刀具；2、夹具；201、支撑板；202、左夹板；203、右夹板；204、托架；205、轴承；206、小齿轮；207、大齿轮；208、电机；209、减速机；210、挂板；211、轴心螺钉；212、滑槽螺钉；3、输出头；301、镜架一；302、二向色镜；303、隔套；304、压圈；305、立板一；306、矫正镜；307、立板二；308、测温仪；309、隔板；310、激光头；311、立板三；312、镜架二；313、反射镜；314、水嘴一；315、水嘴二；316、镜架三；317、保护镜；318、上壳；319、下壳。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本实用新型所限定的范围。

如图1至图2所示，一种同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，所述装置包括：机床主轴架1、夹具2、输出头3，所述机床主轴架1为机床静止部位并在其下方安装刀具101，所述刀具101由机床主轴带动旋转。

如图1至图3所示，所述夹具2卡紧在所述机床主轴架1上，实现所述输出头3以所述刀具101轴进行旋转，进而使激光光束随加工轨迹运动并使光斑作用点始终位于刀具前进方向同时与刀具作用点保持设定距离。所述夹具2包括将电机208、减速机209、轴承205固定在所述机床主轴架1上的支撑板201、左夹板202、右夹板203、托架204；所述减速机209输出轴安装有小齿轮206，所述轴承205内圈与所述托架204过盈配合，所述轴承205外圈与大齿轮207过盈配合；所述输出头3置于挂板210上，所述挂板210装配在所述大齿轮207上，所述电机208驱动所述小齿轮206，啮合所述大齿轮207转动，使所述输出头3能够围绕所述刀具101周向旋转；调节置于所述挂板210上的滑槽螺钉212，能调整所述输出头3的俯仰角度。

具体的，通过螺钉安装所述左夹板202及所述右夹板203，将夹具2卡紧在所述机床主轴架1上。所述支撑板201及所述托架204装配在所述左夹板202及所述右夹板203的上下面。所述电机208和所述减速机209固定在所述支撑板201上；所述减速机209输出轴与所述小齿轮206固定，所述小齿轮206啮合所述大齿轮207以所述刀具101轴做周向旋转。

具体的，所述挂板210固定于所述大齿轮207上，所述挂板210设计有俯仰轴心孔和滑槽，分别安装有轴心螺钉211和滑槽螺钉212，以所述轴心螺钉211为轴，调整所述滑槽螺钉212在滑槽中的位置，能够调节所述输出头3一定范围的俯仰角度，即可调整刀具作用点及光斑作用点的中心距离。

如图4至图8所示，所述输出头3将激光光束及探测光束合为同轴光束，使激光光斑作用点及探测光束作用点始终保持重合，实现精准温度探测。所述输出头3包括将激光头310发射的激光及测温仪308的探测光置于同轴的反射镜313、二向色镜302、保护镜317及安装各镜片的结构件，还包括具有防尘防潮作用的上壳318、下壳319。

具体的，所述激光头310发射的激光及所述测温仪308的探测光通过所述反射镜313和所述二向色镜302能够合为同轴光束，使得所述测温仪308的温度探测点能精准监控所述激光头310的激光光斑作用点。

具体的，所述上壳318安装于隔板309上，镜架三316及所述下壳319固定在所述上壳318上；镜架一301、立板一305、立板二307、立板三311安装在所述隔板309上，镜架二312固定于所述立板三311上；所述镜架二312上安装有所述反射镜313，所述镜架一301上安装有所述二向色镜302，所述立板一305安装有矫正镜306，所述镜架三316上安装有所述保护镜317；所述测温仪308固定于所述立板二307上，所述激光头310固定于所述立板三311上。所述镜架一301、所述镜架二312、所述镜架三316均通过隔套303、压圈304安装镜片。

进一步的，所述镜架一301、所述镜架二312分别设计有水道，安装有水嘴一314和/或水嘴二315，可冷却所述反射镜313及所述二向色镜302，避免在高能量激光束传输过程中镜片温度过高导致镀层损伤或达到材料损伤阈值损坏。

进一步的，所述反射镜313能高效率反射至少包含指示光波段

和激光波段

，所述二向色镜302能高效率反射激光波段

及半透半反指示光波段

和高效率透射探测光波段

，所述保护镜317能够高效率透过至少包含指示光波段

、激光波段

和探测光波段

，所述矫正镜306用于调节所述测温仪308的接收光强度。

如图9所示，装置的控制系统将加工轨迹转换为电机的转角和转速信息。转换过程中需要补偿刀具作用点与光斑作用点中心距离，例如假设某一时间刀具作用点在加工轨迹的A点，光斑的作用点为A点加上刀具作用点与光斑作用点中心距离且位于加工轨迹刀具前进方向的B点，将B点的电机转角和转速信息作为对应刀具作用点A点的转换信息，使所述装置能够实现轨迹随动。

如图10所示，图中上部分为本实用新型中提出的同轴温控原理图，通过所述反射镜313、所述二向色镜302、所述保护镜317将所述激光头310发射的激光光束与所述测温仪308的探测光束合为同轴光束，即可实现同轴温度探测；图中下部分为通常采用的交叉轴温控原理图，调节测温仪的角度使探测光与激光光束在工件表面上重合实现光斑作用点的温度探测，此方案存在若工件厚度、位置、形状变化，必须及时调整测温仪的角度使光斑重合的缺点，也存在调整中两光斑中心不完全重合带来极大误差的缺陷。比较之下，本实用新型的技术方案优点更加突出，能够精确实现激光加热作用点的温度控制。

实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。

本实用新型的一种同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置的技术方案解决了交叉轴、平行轴探测温度与激光光斑作用点材料温度偏差过大及激光光斑作用点随加工轨迹运动的问题。提出的技术方案能够使激光光斑作用点及探测光束作用点不受工件的厚度、形状、位置的限制始终保持重合，实现精准同轴温控；能够调节刀具作用点与光斑作用点中心距离，并使激光光束随加工轨迹运动并使光斑作用点始终位于刀具前进方向，同时与刀具作用点保持设定距离。

Claims (8)

1.一种同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于，包括：机床主轴架（1）、夹具（2）、输出头（3），其中：

所述机床主轴架（1）为机床静止部位并在其下方安装刀具（101），所述刀具（101）由机床主轴带动旋转；

所述夹具（2）包括将电机（208）、减速机（209）、轴承（205）固定在所述机床主轴架（1）上的支撑板（201）、左夹板（202）、右夹板（203）、托架（204）；所述减速机（209）输出轴安装有小齿轮（206），所述轴承（205）内圈与所述托架（204）过盈配合，所述轴承（205）外圈与大齿轮（207）过盈配合；所述输出头（3）置于挂板（210）上，所述挂板（210）装配在所述大齿轮（207）上，所述电机（208）驱动所述小齿轮（206），啮合所述大齿轮（207）转动，使所述输出头（3）能够围绕所述刀具（101）周向旋转；调节置于所述挂板（210）上的滑槽螺钉（212），能调整所述输出头（3）的俯仰角度；

所述输出头（3）包括将激光头（310）发射的激光及测温仪（308）的探测光置于同轴的反射镜（313）、二向色镜（302）、保护镜（317）及安装各镜片的结构件，还包括具有防尘防潮作用的上壳（318）、下壳（319）。

2.如权利要求1所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：通过螺钉安装所述左夹板（202）及所述右夹板（203），将夹具（2）卡紧在所述机床主轴架（1）上；所述支撑板（201）及所述托架（204）装配在所述左夹板（202）及所述右夹板（203）的上下面，所述电机（208）和所述减速机（209）固定在所述支撑板（201）上；所述减速机（209）输出轴与所述小齿轮（206）固定，所述小齿轮（206）啮合所述大齿轮（207）以所述刀具（101）轴做周向旋转。

3.如权利要求1所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：所述挂板（210）固定于所述大齿轮（207）上，所述挂板（210）设计有俯仰轴心孔和滑槽，分别安装有轴心螺钉（211）和滑槽螺钉（212），以所述轴心螺钉（211）为轴，调整所述滑槽螺钉（212）在滑槽中的位置，能够调节所述输出头（3）一定范围的俯仰角度。

4.如权利要求1所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：所述输出头（3）中的所述上壳（318）安装于隔板（309）上，镜架三（316）及所述下壳（319）固定在所述上壳（318）上；镜架一（301）、立板一（305）、立板二（307）、立板三（311）安装在所述隔板（309）上，镜架二（312）固定于所述立板三（311）上；所述镜架二（312）上安装有所述反射镜（313），所述镜架一（301）上安装有所述二向色镜（302），所述立板一（305）安装有矫正镜（306），所述镜架三（316）上安装有所述保护镜（317）；所述测温仪（308）固定于所述立板二（307）上，所述激光头（310）固定于所述立板三（311）上。

5.如权利要求1所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：所述激光头（310）发射的激光及所述测温仪（308）的探测光通过所述反射镜（313）和所述二向色镜（302）能够合为同轴光束，使得所述测温仪（308）的温度探测点能精准监控所述激光头（310）的激光光斑作用点。

6.如权利要求4所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：所述镜架一（301）、所述镜架二（312）分别设计有水道，安装有水嘴一（314）和/或水嘴二（315），可冷却所述反射镜（313）及所述二向色镜（302），避免在高能量激光束传输过程中镜片温度过高导致镀层损伤或达到材料损伤阈值损坏。

7.如权利要求4所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：所述镜架一（301）、所述镜架二（312）、所述镜架三（316）均通过隔套（303）、压圈（304）安装镜片。

8.如权利要求4所述的同轴温控轨迹随动激光加热辅助切削装置，其特征在于：所述反射镜（313）能高效率反射至少包含指示光波段

和激光波段

，所述二向色镜（302）能高效率反射激光波段

及半透半反指示光波段

和高效率透射探测光波段

，所述保护镜（317）能够高效率透过至少包含指示光波段

、激光波段

和探测光波段

，所述矫正镜（306）用于调节所述测温仪（308）的接收光强度，与选用的所述测温仪（308）种类及型号相关。

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