WO2022028483A1 - 一种可移动超快激光加工机器人装备及加工方法 - Google Patents

一种可移动超快激光加工机器人装备及加工方法 Download PDF

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张明
赵长喜
周莹皓
张开虎
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Abstract

一种可移动超快激光加工机器人装备，包括：定位导航子系统(5)，用于进行导航定位，输出实时定位信息；集成控制子系统(3)，用于根据实时定位信息，控制全向智能移动平台(1)运动；通过对工业机械臂(2)和超快激光末端执行子系统(4)的控制，完成对工业机械臂与待加工工件的对准以及对待加工工件的加工；全向智能移动平台，用于在集成控制子系统的控制下进行运动；工业机械臂，用于在集成控制子系统控制下运动至加工工位；超快激光末端执行子系统，用于对加工位姿信息进行实时监测并反馈。可移动超快激光加工机器人能够实现装备大范围灵活姿态调整、定位和局部高效高质量加工，完成卫星结构板、承力筒、大型天线展开臂等大型复材结构件的制造。还涉及一种可移动超快激光加工机器人的加工方法。

Description

一种可移动超快激光加工机器人装备及加工方法
本申请要求于2020年08月07日提交中国专利局、申请号为202010791270.4、申请名称为“一种可移动超快激光加工机器人装备及加工方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明属于可移动机器人技术领域，尤其涉及一种可移动超快激光加工机器人装备及加工方法。
背景技术
随着我国在重大结构件制造领域朝着大尺寸、轻量化、高承载、高可靠性方向发展，其高精度、高柔性的制造特点对加工装备提出了新的挑战。随着树脂基复材、陶瓷基复材、碳基复材等非金属复合材料以其轻质高强、宽温域低膨胀、抗疲劳特性好、耐热性能优良等突出优势，开始得到越来越来越广泛的应用。
虽然非金属复合材料主要采用成形法制造，但之后需进行二次加工才能满足精度或装配要求。阻碍其进一步推广应用的主要障碍是其二次加工的困难性，这种困难性主要体现在三个方面：
首先是可加工尺寸问题：因数控加工装备行程和可容纳工件尺寸受限，导致大尺寸结构(如中心承力筒、大型天线展开臂的臂杆)加工困难；
其次是效率与成本问题：材料高强高硬导致加工效率低、刀具耐用度低从而换刀频繁，加工成本高昂、加工效率较低，目前大量复材结构制孔尚采用手工制孔方式；
最后是精度与质量问题：材料各向异性及非均质特性导致分层或崩边、纤维破碎或拔出、微裂纹、表面粗糙等加工质量缺陷突出，影响结构力学性能。采用传统激光源(例如二氧化碳激光、毫秒/微秒/纳秒激光)加工非金属复合材 料结构，虽然可以避免传统接触式加工(例如切削加工、超声振动辅助切削加工)因接触应力存在导致的分层或崩边、纤维破碎或拔出等质量问题，但因为传统激光源突出的热效应，使得被加工结构边缘存在突出的加工热影响区，存在被加工区域表层碳化或变色、结构尺寸精度低等问题。结构的加工精度较低且精度一致性较差，无法满足功能窗口、装调用精孔等较高精度结构的制备。
如何解决上述问题是本领域技术人员亟需解决的问题之一。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可移动超快激光加工机器人装备及加工方法，旨在实现装备大范围灵活姿态调整、定位和局部高效高质量加工，完成卫星结构板、承力筒、大型天线展开臂等大型复材结构件的高效、高精制造。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种可移动超快激光加工机器人装备，包括：全向智能移动平台、工业机械臂、集成控制子系统、超快激光末端执行子系统和定位导航子系统；
定位导航子系统，用于对可移动超快激光加工机器人装备进行导航定位，输出可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息；
集成控制子系统，用于根据定位导航子系统输出的实时定位信息，引导全向智能移动平台运动，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；以及，通过对工业机械臂和超快激光末端执行子系统的控制，完成对工业机械臂的末端与待加工工件的靶标点的对准，保持激光光束始终在待加工工件表面的聚焦，以及对待加工工件的加工；
全向智能移动平台，用于在集成控制子系统的控制下进行平移和旋转，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；
工业机械臂，用于在集成控制子系统控制下运动至加工工位，完成工业机械臂的末端与待加工工件的靶标点的对准，并托举工业机械臂的末端完成对待加工工件的加工；
超快激光末端执行子系统，用于对工业机械臂的末端与待加工工件之间的实时加工位姿信息进行监测，将实时加工位姿信息反馈至集成控制子系统，以便集成控制子系统根据实时加工位姿信息控制工业机械臂和超快激光末端执行子系统，完成工业机械臂的末端与待加工工件的靶标点的对准，对待加工工件的加工，以及在加工过程中实时监测激光光束与待加工工件表面是否聚焦。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，定位导航子系统，包括：
定位导航模块，用于确定可移动超快激光加工机器人装备的实时位置，输出可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息；
视觉定位模块，用于确定工业机械臂与待加工工件之间的实时位姿关系，并输出。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，集成控制子系统，包括：
移动机器人控制模块，用于根据定位导航模块输出的可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息和视觉定位模块输出的工业机械臂与待加工工件之间的实时位姿关系，控制全向智能移动平台运动向预定加工站位移动；当根据实时定位信息确定可移动超快激光加工机器人装备位于工作区域，且根据实时位姿关系确定工业机械臂能够完全覆盖预规划的加工区域时，确定可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；
超快激光发生器与供电模块，用于将按照预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度，产生特定波长的激光光束，激光光束沿着盘绕在工业机械臂上的管线输至超快激光末端执行子系统；以及，根据光路传输监测与控制模块返回的反馈控制指令，调整输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度至预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度；
光路传输监测与控制模块，用于对超快激光发生器与供电模块输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度进行监测，当监测到超快激光发生器与供电模块输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度与预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度中的任意一组不一致时，输出反馈控制指令。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，超快激光末端执行子系统，包括：
激光发射模块，用于接收超快激光发生器与供电模块输出的特定波长的激光光束，并发射出去；
激光定位模块，用于对待加工工件的靶标点的进行成像，将靶标点成像结果发送至移动机器人控制模块；
激光测距模块，用于根据激光发射模块发射的激光光束在待加工工件表面的投影，确定激光发射模块与待加工工件之间的实时距离，将实时距离发送至移动机器人控制模块；
聚焦自调节模块，用于在移动机器人控制模块的控制下，调整激光发射模块与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，移动机器人控制模块，还用于：
控制工业机械臂运动至预设加工指令所指示的加工工位，完成工业机械臂的末端与待加工工件的靶标点粗对准；
根据激光定位模块输出的靶标点成像结果，确定至少三个靶标点的实测位置信息；根据至少三个靶标点的实测位置信息，进行坐标系框架变换，得到实测笛卡尔位姿坐标系；确定实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角；其中，理论笛卡尔位姿坐标系为：根据至少三个靶标点的理论位置信息，进行坐标系框架变换得到；
若实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角，则确定工业机械臂的末端与待加工工件的靶标点精对准；否则，控制工业机械臂运动，调整工业机械臂的末端位置，直至实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，移动机器人控制模块，还用于：
根据激光测距模块输出的激光发射模块与待加工工件之间的实时距离，通过聚焦自调节模块调整激光发射模块与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块与待加工工件之间的实时距离始终满足聚焦距离，进而保证激光发射模 块输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面；其中，若|L 1-L 2|≤0.5Z R，则确定实时距离满足聚焦距离，L 1表示激光发射模块与待加工工件之间的实时距离，L 2表示激光发射模块与待加工工件之间的理论距离，Z R表示聚焦光束瑞利长度。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，移动机器人控制模块，还用于：
根据预设加工指令所指示的加工轨迹，控制工业机械臂运动，并在工业机械臂按照加工轨迹运动过程中，通过聚焦自调节模块调整激光发射模块与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块与待加工工件之间的实时距离始终满足聚焦距离，进而保证激光发射模块输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面；同时，控制超快激光发生器与供电模块输出特定波长的激光光束，激光光束通过激光发射模块输出，实现对待加工工件的加工。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，
工业机械臂为六自由度机械臂；
工业机械臂和集成控制子系统安装在全向智能移动平台的工作台面上，定位导航子系统安装在全向智能移动平台上，超快激光末端执行子系统安装在工业机械臂的末端。
在上述移动超快激光加工机器人装备中，
激光发射模块、激光定位模块和激光测距模块安装在聚焦自调节模块上；
聚焦自调节模块可调整安装在聚焦自调节模块上的激光发射模块、激光定位模块和激光测距模块沿着激光光束的发射方向进行前后移动。
相应的，本发明还公开了一种可移动超快激光加工机器人装备的加工方法，包括：
根据定位导航子系统输出的实时定位信息，控制全向智能移动平台运动，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；
根据超快激光末端执行子系统确定的工业机械臂的末端与待加工工件之间的实时加工位姿信息，控制工业机械臂的末端与待加工工件的靶标点进行对准；
根据预设加工指令所指示的加工轨迹，控制工业机械臂运动，并在工业机 械臂按照加工轨迹运动过程中，通过对超快激光末端执行子系统的实时调整控制，完成对待加工工件的加工。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用可移动机器人+非接触式低热效应激光加工，“机床围着工件转”的加工模式，不受加工工件大小的限制；同时，超快激光的非接触式、低热损伤、高材料去除分辨率加工，使得机器人的弱刚性特点不容易在加工过程中影响质量，同时无接触应力、低热效应的加工原理，避免复材分层、崩边、表层烧焦或变色等力、热缺陷的发生。
(2)本发明解决了大行程、大尺寸结构的精细加工需求：工业机械臂和集成控制子系统安装在全向智能移动平台的工作台面上，定位导航子系统安装在全向智能移动平台上，超快激光末端执行子系统安装在工业机械臂的末端，由于移动机器人(工业机械臂+全向智能移动平台)具备大范围灵活移动功能，可显著扩大超快激光的加工范围，实现大型结构的精细加工。
(3)本发明实现了加工姿态的灵活调整：超快激光末端执行子系统安装在工业机械臂的末端，通过光纤通道实现光束的传播，具备折弯弧度感应功能的光纤传输通道能够保持激光波长和能量密度，减小脉冲展宽，实现激光冷加工。
(4)本发明解决了运动误差导致的超快激光无法精确聚焦的问题：移动机器人控制模块可读取激光测距模块反馈的实时距离，自适应赋值框架变量，在设备插补时钟周期内，使得激光发射模块输出的激光光束切割头与待加工工件表面的距离自动保持恒定，从而解决大型结构运动误差导致超快激光无法精确聚焦加工位置的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中一种可移动超快激光加工机器人装备的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种可移动超快激光加工机器人装备的加工步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
为解决众多大尺寸非金属复合材料(树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料，等)加工需求，针对该类材料传统接触式加工中出现的精度控制难、分层、纤维束撕裂、微小结构制备困难、大尺寸结构无法加工、加工效率低等质量、精度、效率、可加工对象等方面的突出共性问题，本发明在有机集成“可移动式机器人”和“高性能工业级超快激光器”的基础上，形成可移动超快激光加工机器人装备，实现装备大范围灵活姿态调整、定位和局部高效高质量加工，完成卫星结构板、承力筒、大型天线展开臂等大型复材结构件的高效、高精制造。
如图1，在本实施例中，该可移动超快激光加工机器人装备，包括：全向智能移动平台1、工业机械臂2、集成控制子系统3、超快激光末端执行子系统4和定位导航子系统5。其中，定位导航子系统5，用于对可移动超快激光加工机器人装备进行导航定位，输出可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息。集成控制子系统3，用于根据定位导航子系统5输出的实时定位信息，引导全向智能移动平台1运动，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；以及，通过对工业机械臂2和超快激光末端执行子系统4的控制，完成对工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点的对准，保持激光光束始终在待加工工件表面的聚焦，以及对待加工工件的加工。全向智能移动平台1，用于在集成控制子系统3的控制下进行平移和旋转，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位。工业机械臂2，用于在集成控制子系统3控制下运动至加工工位，完成工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点的对准，并托举工业机械臂2的末端完成对待加工工件的加工。超快激光末端执行子系统4，用于对工业机械臂2的末端与待加工工件之间的实时加工位姿信息进行监测，将实时加工位姿信息反馈至集成控制子系统3，以便集成控制子系统3根 据实时加工位姿信息控制工业机械臂2和超快激光末端执行子系统4，完成工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点的对准，对待加工工件的加工，以及在加工过程中实时监测激光光束与待加工工件表面是否聚焦。
优选的，工业机械臂2和集成控制子系统3安装在全向智能移动平台1的工作台面上，定位导航子系统5安装在全向智能移动平台1上，超快激光末端执行子系统4安装在工业机械臂2的末端。
在本实施例中，定位导航子系统5具体可以包括：定位导航模块501和视觉定位模块502。其中，定位导航模块501通常是按照预先规划的站位进行寻位，并不能确定待加工工件的位置，需要进一步通过视觉定位模块502中的视觉相机对待加工工件上的视觉标记进行，以此确定工业机械臂2与待加工工件之间的位姿关系。具体的：
定位导航模块501，用于确定可移动超快激光加工机器人装备的实时位置，输出可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息。
视觉定位模块502，用于确定工业机械臂2与待加工工件之间的位姿关系，输出工业机械臂2与待加工工件之间的实时位姿关系。
由上可见，在本实施例中，通过定位导航模块501输出的实时定位信息和视觉定位模块502输出的实时位姿关系，共同确认可移动超快激光加工机器人装备是否移动到预定加工站位。当可移动超快激光加工机器人装备移动到预定加工站位时，位于全向智能移动平台1上的工业机械臂2的运动范围能够完全覆盖待加工工件的加工面。此外，需要说明的是，定位导航模块501可以作为大场景实时定位系统的一部分安装在全向智能移动平台1上，大场景实时定位系统还包括若干台室内GPS发射站，定位导航模块501、GPS发射站和视觉定位模块502共同作用实现对可移动超快激光加工机器人装备的导航定位。
在本实施例中，集成控制子系统3具体可以包括：
移动机器人控制模块301，用于根据定位导航模块501输出的可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息和视觉定位模块502输出的工业机械臂2与待加工工件之间的实时位姿关系，控制全向智能移动平台1运动向预定加工 站位移动；当根据实时定位信息确定可移动超快激光加工机器人装备位于工作区域，且根据实时位姿关系确定工业机械臂2能够完全覆盖预规划的加工区域时，确定可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位。
超快激光发生器与供电模块302，用于将按照预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度，产生特定波长的激光光束，激光光束沿着盘绕在工业机械臂2上的管线输至超快激光末端执行子系统4；以及，根据光路传输监测与控制模块303返回的反馈控制指令，调整输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度至预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度。其中，预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度的具体取值可以根据实际的待加工工件的需求来确定，本实施例对此不作限制。
光路传输监测与控制模块303，用于对超快激光发生器与供电模块302输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度进行监测，当监测到超快激光发生器与供电模块302输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度与预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度中的任意一组不一致时，输出反馈控制指令。
在本实施例中，超快激光末端执行子系统4具体可以包括：
激光发射模块401，用于接收超快激光发生器与供电模块302输出的特定波长的激光光束，并发射出去。
激光定位模块402，用于对待加工工件的靶标点的进行成像，将靶标点成像结果发送至移动机器人控制模块301。其中，待加工工件的被测部位上可以预先设置至少三个靶标点A、B和C，靶标点A、B和C不共线；激光定位模块402可以测量得到靶标点A、B和C在成像坐标系下的位置P 1、P 2和P 3，由此确定的笛卡尔位姿坐标如下：
Figure PCTCN2021110579-appb-000001
e 2＝e 3×e 1。
激光测距模块403，用于根据激光发射模块401发射的激光光束在待加工工件表面的投影，确定激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离，将实时距离发送至移动机器人控制模块301。其中，实时距离反馈至移动机器人控制模块301的频率与移动机器人控制模块301控制工业机械臂2的插补频率保 持一致，以保证反馈的实时距离能够实时被移动机器人控制模块301读取。
聚焦自调节模块404，用于在移动机器人控制模块301的控制下，调整激光发射模块401与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块401输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面。
优选的，移动机器人控制模块301，还可以用于：控制工业机械臂2运动至预设加工指令所指示的加工工位，完成工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点粗对准；根据激光定位模块402输出的靶标点成像结果，确定至少三个靶标点的实测位置信息；根据至少三个靶标点的实测位置信息，进行坐标系框架变换，得到实测笛卡尔位姿坐标系；确定实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角；若实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角(如3°)，则确定工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点精对准；否则，控制工业机械臂2运动，调整工业机械臂2的末端位置，直至实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角。其中，理论笛卡尔位姿坐标系为：根据至少三个靶标点的理论位置信息，进行坐标系框架变换得到。
进一步的，移动机器人控制模块301，还可以用于：输出的激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离，通过聚焦自调节模块404调整激光发射模块401与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离始终满足聚焦距离，进而保证激光发射模块401输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面。其中，|L 1-L 2|≤0.5Z R，L 1表示激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离，L 2表示激光发射模块401与待加工工件之间的理论距离，Z R表示聚焦光束瑞利长度。
进一步的，移动机器人控制模块301，还可以用于：根据预设加工指令所指示的加工轨迹，控制工业机械臂2运动，并在工业机械臂2按照加工轨迹运动过程中，通过聚焦自调节模块404调整激光发射模块401与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离始终满足聚焦距离，进而保证激光发射模块401输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面； 同时，控制超快激光发生器与供电模块302输出特定波长的激光光束，激光光束通过激光发射模块401输出，实现对待加工工件的加工。
其中，需要说明的是，工业机械臂2可以选择六自由度机械臂，可按照待加工工件的高度进行选型或定制开发，本实施例对此不作限制。
进一步的，聚焦自调节模块404可以由一套带有驱动电机的丝杠导轨机构组成，激光发射模块401、激光定位模块402和激光测距模块403安装在聚焦自调节模块404上，聚焦自调节模块404基于所述带有驱动电机的丝杠导轨机构能够实现托举其上的激光发射模块401、激光定位模块402和激光测距模块403沿着激光光束的发射方向进行前后移动，保证激光发射模块401发出的激光光束的光斑恰好能够聚焦在待加工工件的表面上，并且该激光发射模块401将在工业机械臂2运动中实时同步调整。其中，实时同步调整是指：
在每一个移动机器人控制模块301的插补周期内，移动机器人控制模块301接收到激光测距模块403反馈的实时距离后，将当前实时距离与上一个插补周期接收到的实时距离进行比对，如果误差小于指定的数值e，则聚焦自调节模块404不发生移动，如果大于e，则托举其上的激光发射模块401进行移动，直至下一个插补周期接收到激光测距模块403反馈的实时距离与当前插补周期的距离值之差小于e。e的取值可以根据实际情况选择。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种可移动超快激光加工机器人装备的加工方法，如图2，该加工方法包括：根据定位导航子系统5输出的实时定位信息，控制全向智能移动平台1运动，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；根据超快激光末端执行子系统4确定的工业机械臂2的末端与待加工工件之间的实时加工位姿信息，控制工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点进行对准；根据预设加工指令所指示的加工轨迹，控制工业机械臂2运动，并在工业机械臂2按照加工轨迹运动过程中，通过对超快激光末端执行子系统4的实时调整控制，完成对待加工工件的加工。
优选的，一种可选的具体加工步骤可以如下：
工步1，定位：在下达加工开始指令后，移动机器人控制模块301在定位 导航模块501的引导下，控制全向智能移动平台1的4个车轮托举整台装备向预定加工站位移动，同时，通过视觉定位模块502检测工业机械臂2与待加工工件之间的实时位姿关系，判断当前位姿下工业机械臂2的加工行程是否覆盖规划的加工区域；如果是，则确定装备移动至预定加工站位，执行工步2；否则，移动机器人控制模块301报警，由操作人员人工介入。
工步2，找正：移动机器人控制模块301控制工业机械臂2运动至预设加工指令所指示的加工工位，由于全向智能移动平台1运动精度导致工业机械臂2所达到的站位与预设加工指令所指示的加工工位可能存在误差，也即，此时只能完成工业机械臂2的末端与待加工工件的靶标点粗对准，因此，需要根据激光定位模块402对待加工工件的靶标点的成像结果进行精对准：根据激光定位模块402输出的靶标点成像结果，确定至少三个靶标点的实测位置信息；根据至少三个靶标点的实测位置信息，进行坐标系框架变换，得到实测笛卡尔位姿坐标系；确定实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角；若实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角如3°，则执行工步3；否则，移动机器人控制模块301报警，由操作人员人工介入。
工步3，参数整定：移动机器人控制模块301控制工业机械臂2移动至待加工工件的第一个加工位置，超快激光发生器与供电模块302产生激光光束，此时通过光路传输监测与控制模块303对超快激光发生器与供电模块302产生的激光光束进行监测，确定超快激光发生器与供电模块302产生的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度，并判断脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度是否满足相应的预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度，若是，则执行工步4；否则，根据光路传输监测与控制模块303返回的反馈控制指令，调整输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度，直至输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度满足相应的预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度。
工步4，加工准备：由激光测距模块403测量得到激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离，将实时距离发送至移动机器人控制模块301，由移 动机器人控制模块301根据实时距离解算得到实时距离，并判断实时距离是否始终满足聚焦距离。如果实时距离始终满足聚焦距离，则执行工步5；否则，通过聚焦自调节模块404调整激光发射模块401沿着激光光束平行的方向进行移动，直至实时距离始终满足聚焦距离。其中，若|L 1-L 2|≤0.5Z R，则确定实时距离满足聚焦距离，L 1表示激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离，L 2表示激光发射模块401与待加工工件之间的理论距离，Z R表示聚焦光束瑞利长度。
工步5，加工循环：移动机器人控制模块301按照数控程序控制工业机械臂2按预定轨迹插补运动，在每一个插补周期内，激光测距模块403同时测量激光发射模块401与待加工工件之间的实时距离，并按照工步4中的方式不断监测并计算实时距离，以此保证激光光束作用于待加工工件表面的能量密度的恒定，直至所有数控程序全部执行完毕。
对于方法实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装备实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

  1. 一种可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，包括：全向智能移动平台(1)、工业机械臂(2)、集成控制子系统(3)、超快激光末端执行子系统(4)和定位导航子系统(5)；
    定位导航子系统(5)，用于对可移动超快激光加工机器人装备进行导航定位，输出可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息；
    集成控制子系统(3)，用于根据定位导航子系统(5)输出的实时定位信息，引导全向智能移动平台(1)运动，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；以及，通过对工业机械臂(2)和超快激光末端执行子系统(4)的控制，完成对工业机械臂(2)的末端与待加工工件的靶标点的对准，保持激光光束始终在待加工工件表面的聚焦，以及对待加工工件的加工；
    全向智能移动平台(1)，用于在集成控制子系统(3)的控制下进行平移和旋转，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；
    工业机械臂(2)，用于在集成控制子系统(3)控制下运动至加工工位，完成工业机械臂(2)的末端与待加工工件的靶标点的对准，并托举工业机械臂(2)的末端完成对待加工工件的加工；
    超快激光末端执行子系统(4)，用于对工业机械臂(2)的末端与待加工工件之间的实时加工位姿信息进行监测，将实时加工位姿信息反馈至集成控制子系统(3)，以便集成控制子系统(3)根据实时加工位姿信息控制工业机械臂(2)和超快激光末端执行子系统(4)，完成工业机械臂(2)的末端与待加工工件的靶标点的对准，对待加工工件的加工，以及在加工过程中实时监测激光光束与待加工工件表面是否聚焦。
  2. 根据权利要求1所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，定位导航子系统(5)，包括：
    定位导航模块(501)，用于确定可移动超快激光加工机器人装备的实时 位置，输出可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息；
    视觉定位模块(502)，用于确定工业机械臂(2)与待加工工件之间的实时位姿关系，并输出。
  3. 根据权利要求2所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，集成控制子系统(3)，包括：
    移动机器人控制模块(301)，用于根据定位导航模块(501)输出的可移动超快激光加工机器人装备的实时定位信息和视觉定位模块(502)输出的工业机械臂(2)与待加工工件之间的实时位姿关系，控制全向智能移动平台(1)运动向预定加工站位移动；当根据实时定位信息确定可移动超快激光加工机器人装备位于工作区域，且根据实时位姿关系确定工业机械臂(2)能够完全覆盖预规划的加工区域时，确定可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；
    超快激光发生器与供电模块(302)，用于将按照预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度，产生特定波长的激光光束，激光光束沿着盘绕在工业机械臂(2)上的管线输至超快激光末端执行子系统(4)；以及，根据光路传输监测与控制模块(303)返回的反馈控制指令，调整输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度至预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度；
    光路传输监测与控制模块(303)，用于对超快激光发生器与供电模块(302)输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度进行监测，当监测到超快激光发生器与供电模块(302)输出的激光光束的脉冲频率、脉冲能量和脉冲宽度与预设脉冲频率、预设脉冲能量和预设脉冲宽度中的任意一组不一致时，输出反馈控制指令。
  4. 根据权利要求3所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，超快激光末端执行子系统(4)，包括：
    激光发射模块(401)，用于接收超快激光发生器与供电模块(302)输出的特定波长的激光光束，并发射出去；
    激光定位模块(402)，用于对待加工工件的靶标点的进行成像，将靶标点成像结果发送至移动机器人控制模块(301)；
    激光测距模块(403)，用于根据激光发射模块(401)发射的激光光束在待加工工件表面的投影，确定激光发射模块(401)与待加工工件之间的实时距离，将实时距离发送至移动机器人控制模块(301)；
    聚焦自调节模块(404)，用于在移动机器人控制模块(301)的控制下，调整激光发射模块(401)与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块(401)输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面。
  5. 根据权利要求4所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，移动机器人控制模块(301)，还用于：
    控制工业机械臂(2)运动至预设加工指令所指示的加工工位，完成工业机械臂(2)的末端与待加工工件的靶标点粗对准；
    根据激光定位模块(402)输出的靶标点成像结果，确定至少三个靶标点的实测位置信息；根据至少三个靶标点的实测位置信息，进行坐标系框架变换，得到实测笛卡尔位姿坐标系；确定实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角；其中，理论笛卡尔位姿坐标系为：根据至少三个靶标点的理论位置信息，进行坐标系框架变换得到；
    若实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角，则确定工业机械臂(2)的末端与待加工工件的靶标点精对准；否则，控制工业机械臂(2)运动，调整工业机械臂(2)的末端位置，直至实测笛卡尔位姿坐标系与理论笛卡尔位姿坐标系之间三个轴旋转的欧拉角均满足预设欧拉角。
  6. 根据权利要求4所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，移动机器人控制模块(301)，还用于：
    根据激光测距模块(403)输出的激光发射模块(401)与待加工工件之间的实时距离，通过聚焦自调节模块(404)调整激光发射模块(401)与待加工 工件表面之间的距离，使激光发射模块(401)与待加工工件之间的实时距离始终满足聚焦距离，进而保证激光发射模块(401)输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面；其中，若|L 1-L 2|≤0.5Z R，则确定实时距离满足聚焦距离，L 1表示激光发射模块(401)与待加工工件之间的实时距离，L 2表示激光发射模块(401)与待加工工件之间的理论距离，Z R表示聚焦光束瑞利长度。
  7. 根据权利要求6所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，移动机器人控制模块(301)，还用于：
    根据预设加工指令所指示的加工轨迹，控制工业机械臂(2)运动，并在工业机械臂(2)按照加工轨迹运动过程中，通过聚焦自调节模块(404)调整激光发射模块(401)与待加工工件表面之间的距离，使激光发射模块(401)与待加工工件之间的实时距离始终满足聚焦距离，进而保证激光发射模块(401)输出的激光光束始终聚焦在待加工工件表面；同时，控制超快激光发生器与供电模块(302)输出特定波长的激光光束，激光光束通过激光发射模块(401)输出，实现对待加工工件的加工。
  8. 根据权利要求1所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，
    工业机械臂(2)为六自由度机械臂；
    工业机械臂(2)和集成控制子系统(3)安装在全向智能移动平台(1)的工作台面上，定位导航子系统(5)安装在全向智能移动平台(1)上，超快激光末端执行子系统(4)安装在工业机械臂(2)的末端。
  9. 根据权利要求4所述的可移动超快激光加工机器人装备，其特征在于，
    激光发射模块(401)、激光定位模块(402)和激光测距模块(403)安装在聚焦自调节模块(404)上；
    聚焦自调节模块(404)可调整安装在聚焦自调节模块(404)上的激光发射模块(401)、激光定位模块(402)和激光测距模块(403)沿着激光光束的发射方向进行前后移动。
  10. 一种可移动超快激光加工机器人装备的加工方法，其特征在于，包括：
    根据定位导航子系统(5)输出的实时定位信息，控制全向智能移动平台(1)运动，使可移动超快激光加工机器人装备移动至预定加工站位；
    根据超快激光末端执行子系统(4)确定的工业机械臂(2)的末端与待加工工件之间的实时加工位姿信息，控制工业机械臂(2)的末端与待加工工件的靶标点进行对准；
    根据预设加工指令所指示的加工轨迹，控制工业机械臂(2)运动，并在工业机械臂(2)按照加工轨迹运动过程中，通过对超快激光末端执行子系统(4)的实时调整控制，完成对待加工工件的加工。
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