專利名稱：多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光加工領(lǐng)域的數(shù)控激光加工系統(tǒng)，用于對不同型號的工件進行
激光加工，包括焊接、切割和表面熱處理等，特別是能滿足大型工件的激光加工。
背景技術(shù)：
近年來，高功率激光加工技術(shù)因其加工效率高、無機械接觸、易于實現(xiàn)自動化等一 系列優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是激光加工系統(tǒng)的"刀具"為激光， 其加工特性與激光束的輸出方式、能量大小以及所采用的光學(xué)系統(tǒng)、聚焦方式等密切相關(guān)。 當(dāng)我們改變激光的輸出功率、輸出脈沖頻率或占空比等參數(shù)時，或者改變激光加工頭的結(jié) 構(gòu)(如切割頭、焊接頭等)，相應(yīng)的激光加工工藝也會改變，如從激光切割改變?yōu)榧す夂附?或者激光表面強化處理等，而相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等幾乎無需改動。這樣，我們就可 以利用改變激光加工參數(shù)(包括工藝參數(shù)和加工頭)的方法使某臺單功能的激光加工設(shè)備 變?yōu)槎喙δ艿募す饧庸は到y(tǒng)，實現(xiàn)智能化、柔性化加工。 目前的機器人激光加工系統(tǒng)常有兩種形式一種是基于常規(guī)數(shù)控機床的激光加工 設(shè)備(以下簡稱數(shù)控激光加工機床)，它的通用性好，不僅能滿足光纖傳輸?shù)墓腆w激光器激 光加工的要求，而且滿足依靠光學(xué)鏡片反射、透射傳輸?shù)腃02激光器的激光加工要求；另一 種是基于多軸工業(yè)機器人的激光加工系統(tǒng)，它的柔性化程度高，與固體激光器的光纖輸出 相適應(yīng)，能夠滿足各種復(fù)雜三維形狀的激光加工要求。C02激光器因無法用光纖傳輸激光 束，因此很少使用機器人作為加工系統(tǒng)。
數(shù)控激光加工機床按照所加工對象的性能要求，可以是二到五個自由度。通常采
用五個自由度的加工機床，稱為五軸聯(lián)動激光加工系統(tǒng)，它包括三個平動軸和二個回轉(zhuǎn)軸，
可以加工大尺寸范圍的復(fù)雜零件。但是在實際加工中卻有其自身的技術(shù)難度 1.編程復(fù)雜，難度大。因為五軸加工除了三個直線平動外，還有兩個旋轉(zhuǎn)運動軸參
與，其合成的運動的空間軌跡相當(dāng)復(fù)雜和抽象。為了加工出所需的空間自由曲面，往往需要
多次坐標(biāo)變換和復(fù)雜的空間集合運算，同時還要考慮各軸運動的協(xié)調(diào)性，避免干涉、沖撞，
編程難度相當(dāng)大。 2.對數(shù)控和伺服系統(tǒng)要求高。由于五軸加工要協(xié)調(diào)控制五個軸，數(shù)控系統(tǒng)必須要 有五軸聯(lián)動的控制功能；另外合成運動有回轉(zhuǎn)運動的加入，增加了插補運算的工作量；回 轉(zhuǎn)運動的微小誤差有可能放大，為了避免影響加工的精度，要求數(shù)控系統(tǒng)要有極高的運算 速度。 激光機器人加工系統(tǒng)一般采用關(guān)節(jié)式機器人，適合幾乎任何角度和軌跡的工作， 可以自由編程，可控制的錯誤率，較高的生產(chǎn)效率。但是目前多數(shù)的機器人在應(yīng)用時定點在 某個固定位置，由于機器人自身工作空間的限制，在實際加工中其工作范圍偏小，對于大型 工件，如汽車的大型覆蓋件模具、船舶與機車制造中的大型復(fù)雜零件的加工無能為力。
發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本實用新型提供了一種多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決 了關(guān)節(jié)機器人激光加工系統(tǒng)加工范圍小的問題，可以滿足大尺寸和超大尺寸零部件的數(shù)控 激光加工要求。
本實用新型提供的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其特征在于 工作臺上安裝有第一直線導(dǎo)軌，第一直線導(dǎo)軌的兩端分別安裝有工作臺尾座和床 頭箱，第一、第二開式中心托架活動安裝在第一直線導(dǎo)軌上，并位于工作臺尾座和床頭箱之 間； 導(dǎo)軌臺安裝在工作臺旁，導(dǎo)軌臺上設(shè)置有與第一直線導(dǎo)軌平行的第二直線導(dǎo)軌， 移動滑臺活動安裝在第二直線導(dǎo)軌上；機器人為三軸以上的工業(yè)機器人，機器人固定在移 動滑臺上，激光加工頭安裝在機器人的最后一個關(guān)節(jié)末端上； 激光加工頭通過光纖與激光器相連；冷卻機通過冷卻管分別與激光器及激光加工 頭相連； 控制器分別通過控制線與機器人及移動滑臺連接，控制機器人及控制移動滑臺帶 動機器人在導(dǎo)軌臺上移動。 上述技術(shù)方案可以采用一種或多種方式進行改進(一)在導(dǎo)軌臺的外側(cè)安裝有 拖鏈，光纖和冷卻管安裝在拖鏈內(nèi)；(二)第一、第二開式中心托架結(jié)構(gòu)相同，它們均包括托 架基座和安裝在托架基座上的一對支撐架，托架基座安裝在工作臺的第一直線導(dǎo)軌上，一 對支撐架對稱安裝在托架基座頂部的V型槽里，每個支撐架頂端均安裝有滾輪；(三)導(dǎo)軌 臺包括軌座和安裝在軌座上的第二直線導(dǎo)軌和齒條型直線導(dǎo)軌；移動滑臺包括進給滑座、 伺服電機、限位開關(guān)和進給齒輪，進給滑座的底部設(shè)有與第二直線導(dǎo)軌配合的滑槽，進給齒 輪與齒條型直線導(dǎo)軌上的齒條配合，進給齒輪安裝在進給滑座的底部，伺服電機與進給齒 輪連接，控制進給齒輪帶動進給滑座沿第二直線導(dǎo)軌運動；(四)導(dǎo)軌臺包括軌座和安裝在 軌座上的絲杠螺桿和第二直線導(dǎo)軌；移動滑臺包括進給滑座、伺服電機、限位開關(guān)和絲杠滾 珠螺母，進給滑座的底部設(shè)有與第二直線導(dǎo)軌配合的滑槽，絲杠滾珠螺母與軌座上的絲杠 螺桿配合，絲杠滾珠螺母安裝在進給滑座的底部，伺服電機與絲杠螺桿連接，控制絲杠螺桿 帶動進給滑座沿第二直線導(dǎo)軌運動。 本實用新型系統(tǒng)將激光加工數(shù)控機床和關(guān)節(jié)機器人集合起來，不僅克服了現(xiàn)有激
光加工數(shù)控機床加工系統(tǒng)編程復(fù)雜、控制較難和費用高的缺陷，降低了數(shù)控編程的難度，提
高了激光加工系統(tǒng)的柔性化和自動化控制能力，而且大幅提高了激光加工效率和加工零件
尺寸范圍，解決了關(guān)節(jié)機器人激光加工系統(tǒng)加工范圍小的問題，可以滿足大尺寸和超大尺
寸零部件的數(shù)控激光加工要求。具體而言，本實用新型具有以下技術(shù)效果 1、采用移動式結(jié)構(gòu)，機器人不再固定在一個位置，它可以沿著直線導(dǎo)軌運動，大大
延伸了機器人的工作空間，從而能夠加工大型工件和超大型工件，大幅度提高了加工零件
尺寸范圍。 2、采用先進的多軸關(guān)節(jié)機器人，提高了系統(tǒng)的柔性和自動化控制能力。 一般而言， 現(xiàn)代的商業(yè)機器人本身已經(jīng)開發(fā)了強大的軟件控制系統(tǒng)，可以進行示教或者離線編程，大 大降低了復(fù)雜曲面加工的編程難度，提高了生產(chǎn)效率；此外，機器人本身一般帶有自身開發(fā) 的控制系統(tǒng)，使整個加工設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計得到簡化；而且隨著工業(yè)機器人在工業(yè)、物流等領(lǐng)域的逐漸普及，價格越來越低，成套設(shè)備的制造成本也將降低。 3、該加工系統(tǒng)的"刀具"為激光，激光器可以采用業(yè)已成熟的固體激光器(包括燈 泵浦激光器、二極管泵浦全固態(tài)激光器、二極管激光器或者是光纖激光器)，其共同特點是 激光束可以通過光纖傳輸，因此可以和機器人的柔性化運動過程相結(jié)合，提高激光加工的 精度和效率。 4、工作臺可以采用通用機床實現(xiàn)，工件的裝夾和加工都非常方便，因此該加工系
統(tǒng)具有很大通用性，可以滿足各種不同形狀、尺寸的大型零部件的激光加工要求。 5、激光加工頭可以根據(jù)加工需要進行更換，如分別采用激光焊接加工頭，激光切
割加工頭，激光熔覆加工頭等，大大提高了激光加工設(shè)備的通用性和實用性。 6、將機器人各軸運動、工作臺主軸的運動、移動滑臺的運動都集成到機器人控制
器集中控制，最多可以實現(xiàn)系統(tǒng)的八軸聯(lián)動控制。

[0022]圖1為本實用新型系統(tǒng)的立體圖；圖2為本實用新型系統(tǒng)的主視圖；圖3為本實用新型系統(tǒng)的俯視圖；圖4為本實用新型系統(tǒng)的左視圖；圖5為移動滑臺的主視圖；圖6為移動滑臺的俯視圖；圖7為床頭箱結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為開式中心托架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為軌道導(dǎo)軌臺的左視圖。
具體實施方式下面通過借助實例更加詳細(xì)地說明本實用新型，但以下實施例僅是說明性的，本 實用新型的保護范圍并不受這些實施例的限制。 如圖1至圖4所示，本實用新型系統(tǒng)包括機器人1，激光加工頭2，工作臺尾座3，第 一、第二開式中心托架4、4'，工作臺5，床頭箱6，導(dǎo)軌臺7，激光器8，冷卻機9，控制器10，拖 鏈ll，移動滑臺12，光纖20。 移動滑臺12包括進給滑座21、伺服電機22、限位開關(guān)23和進給部件。進給滑座 21的底部設(shè)有與第一直線導(dǎo)軌28和28'配合的滑槽25，可沿導(dǎo)軌臺7進行移動。進給部 件安裝在進給滑座21的底部上，可以根據(jù)不同的情況選擇，如果導(dǎo)軌臺7較短，就可以使用 滾珠絲杠裝置，如果導(dǎo)軌臺7較長，就可以選用齒輪齒條裝置。圖5-6為導(dǎo)軌臺7較長時滑 座的結(jié)構(gòu)，進給齒輪24與伺服電機22相連，并與齒條型直線導(dǎo)軌27上的齒條嚙合。當(dāng)伺 服電機22轉(zhuǎn)動時，通過進給齒輪24可以拖動進給滑座21沿導(dǎo)軌臺7上運動。限位開關(guān)23 裝在進給滑座21兩側(cè)，當(dāng)滑座移動到導(dǎo)軌臺7的兩個末端時，限位開關(guān)23將會報警并會使 伺服電機22緊急停止。 床頭箱6可以采用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，但并不局限于此。如圖7所示，床頭箱6的通常結(jié) 構(gòu)包括卡盤16、主軸17、變速箱18和驅(qū)動電機19。卡盤16用來夾持工件，對工件起到固定和定心作用。主軸17 —端與卡盤16相連， 一端跟變速箱18相連，主要用來傳遞動力，使卡 盤16可以進行回轉(zhuǎn)運動。變速箱18通過換擋起到調(diào)節(jié)卡盤16轉(zhuǎn)速的功能。驅(qū)動電機19 與變速箱18相連，用來提供卡盤16轉(zhuǎn)動的動力。 尾座3也可以采用通用的結(jié)構(gòu)，它包括尾座基座和頂尖，頂尖用來對工件進行對 中和夾緊工件，基座可以在工作臺的直線導(dǎo)軌上進行移動，達(dá)到調(diào)整頂尖與床頭箱6的卡 盤16之間的距離，從而使加工系統(tǒng)能加工不同尺寸范圍的工件。 第一、第二開式中心托架4、4'結(jié)構(gòu)相同，如圖8所示，它們均包括托架基座13和 安裝在托架基座上的一對支撐架14。托架基座13安裝在工作臺5的直線導(dǎo)軌上，可以帶動 整個托架沿工作臺橫向移動。 一對支撐架對稱安裝在托架基座頂部的V型槽里。每個支撐 架頂端均安裝有滾輪15，在托架托起工件加工時，滾輪可隨工件一起轉(zhuǎn)動，可減少工件與托 架之間的摩擦。當(dāng)工件很長時，由于自重或者加工過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使工件中部產(chǎn)生 下垂變形，托架可以從兩側(cè)對稱的托起工件，避免上述現(xiàn)象發(fā)生，從而保證工件加工精度。 工作臺5主要用來支撐工件，主要由工作臺臺面和第二直線導(dǎo)軌構(gòu)成。 導(dǎo)軌臺7位于工作臺5的一側(cè)，并與工作臺5平行，移動滑臺12安裝在導(dǎo)軌臺7 上。圖9是導(dǎo)軌臺7較短時結(jié)構(gòu)，它由第一直線導(dǎo)軌28和28'、齒條型直線導(dǎo)軌27和軌座 26組成。如果導(dǎo)軌臺較短，可采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，只需將移動滑臺的進給部件12由進給齒 輪改為滾珠絲杠螺母，導(dǎo)軌臺7的齒輪齒條改成滾珠絲杠，移動滑臺12通過滾珠絲杠副的 驅(qū)動在導(dǎo)軌臺7上運動。 機器人1是加工系統(tǒng)的運動中樞，本實用新型采用三至六軸的多軸工業(yè)機器人， 它可以采用現(xiàn)有的市售產(chǎn)品但并不局限于此。機器人1固定安裝在移動滑臺12上?？刂破?10包括二部分， 一部分為對機器人1主體的控制部分，通過與機器人1上的各個電機連接實 現(xiàn)對機器人動作的控制，另一部分為移動滑臺12和主軸17的控制部分。控制器10是機器 人的大腦，也是整個加工系統(tǒng)的核心部分。它不但可以通過離線或者示教編程控制機器人 1的內(nèi)部軸按照預(yù)定的程序進行運動，而且還具有擴展功能。通過離線或者示教編程后，生 成機器人可識別的運動代碼，使機器人帶動激光加工頭2按照程序設(shè)定的路徑進行運動。 機器人1在控制器10的控制下，可以隨著移動滑臺12在導(dǎo)軌臺7上移動。 控制器10可以通過控制伺服電動機22的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動圈數(shù)來控制機器人在導(dǎo)軌臺 7上的移動速度和移動距離。 床頭箱6安裝在工作臺5的直線導(dǎo)軌上，尾座3安裝在工作臺5的直線導(dǎo)軌上，開
式中心托架4、4'安裝在工作臺5的直線導(dǎo)軌上，并位于床頭箱6和尾座3之間。 激光加工頭2通過法蘭盤固結(jié)在機器人1的最后一個關(guān)節(jié)末端，它是加工系統(tǒng)的
執(zhí)行裝置，相當(dāng)于機械加工中的刀具。激光加工頭2可根據(jù)不同的加工需要進行更換，比如
激光焊接時使用的焊接加工頭，激光切割時使用切割加工頭。 激光器8主要用來提供加工使用的光源，它通過光纖20與激光加工頭2相連。激 光器8可以是燈泵浦激光器、二極管泵浦全固態(tài)激光器、光纖激光器或者其它能夠方便通 過光纖傳輸?shù)募す馄?，它主要是用來產(chǎn)生加工中心的"刀具"——激光，并對激光的參數(shù)進 行控制和優(yōu)化。 冷卻機9通過冷卻管分別與激光器8及激光加工頭2相連，用于對激光器8、光纖 20及激光加工頭2中的鏡片進行冷卻。
6[0046] 拖鏈11位于導(dǎo)軌臺7的外側(cè)，光纖和冷卻管安裝在拖鏈11內(nèi)，可以使其在機器人 往復(fù)運動中不受損壞，而且能使加工系統(tǒng)整體上更加美觀。 本實用新型的多軸激光加工設(shè)備的工作流程 (1)測試加工系統(tǒng)的各部分是否運行正常，包括機器人1、激光器8、冷卻機9、激光 加工頭2、工作臺等。 (2)調(diào)整卡盤16、尾座3和中心托架4的位置，將待加工零件裝夾在工作臺上。
(3)在多軸工業(yè)1機器人調(diào)整到加工的初始位置，并建立基坐標(biāo)系。
(4)根據(jù)待加工工件的三維幾何尺寸和其坐標(biāo)系，運用機器人語言進行離線編程。
(5)將編程程序輸入控制器10，并示教測試。
(6)測試結(jié)果無誤后，進行正式加工。
(7)加工完畢，根據(jù)需要，確定是否加工另一個零部件； (8)關(guān)閉加工系統(tǒng)各部件。 控制器10通過控制機器人1的三到六個軸、移動滑臺12的進給軸和床頭箱6的 主軸，能實現(xiàn)系統(tǒng)五到八軸的聯(lián)動，組成多軸聯(lián)動系統(tǒng)。 以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應(yīng)該局限于該實施例 和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都 落入本實用新型保護的范圍。
權(quán)利要求一種多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其特征在于工作臺(5)上安裝有第一直線導(dǎo)軌，第一直線導(dǎo)軌的兩端分別安裝有工作臺尾座(3)和床頭箱(6)，第一、第二開式中心托架(4、4’)活動安裝在第一直線導(dǎo)軌上，并位于工作臺尾座(3)和床頭箱(6)之間；導(dǎo)軌臺(7)安裝在工作臺(5)旁，導(dǎo)軌臺(7)上設(shè)置有與第一直線導(dǎo)軌平行的第二直線導(dǎo)軌，移動滑臺(12)活動安裝在第二直線導(dǎo)軌上；機器人(1)為三軸以上的工業(yè)機器人，機器人(1)固定在移動滑臺(12)上，激光加工頭(2)安裝在機器人(1)的最后一個關(guān)節(jié)末端上；激光加工頭(2)通過光纖與激光器(8)相連；冷卻機(9)通過冷卻管分別與激光器(8)及激光加工頭(2)相連；控制器(10)分別通過控制線與機器人(1)及移動滑臺(12)連接，控制機器人(1)及控制移動滑臺(12)帶動機器人(1)在導(dǎo)軌臺(7)上移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其特征在于導(dǎo)軌臺(7)的外 側(cè)安裝有拖鏈(ll)，光纖和冷卻管安裝在拖鏈(11)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其特征在于 第一、第二開式中心托架(4、4')結(jié)構(gòu)相同，它們均包括托架基座(13)和安裝在托架基座上的一對支撐架(14)，托架基座(13)安裝在工作臺(5)的第一直線導(dǎo)軌上，一對支撐架 (14)對稱安裝在托架基座頂部的V型槽里，每個支撐架頂端均安裝有滾輪(15)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其特征在于導(dǎo)軌臺(7)包 括軌座(26)和安裝在軌座(26)上的第二直線導(dǎo)軌和齒條型直線導(dǎo)軌(27);移動滑臺(12)包括進給滑座(21)、伺服電機(22)、限位開關(guān)(23)和進給齒輪(24)，進 給滑座(21)的底部設(shè)有與第二直線導(dǎo)軌配合的滑槽(25)，進給齒輪(24)與齒條型直線導(dǎo) 軌(27)上的齒條配合，進給齒輪(24)安裝在進給滑座(21)的底部，伺服電機(22)與進給 齒輪(24)連接，控制進給齒輪(24)帶動進給滑座(21)沿第二直線導(dǎo)軌運動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其特征在于 導(dǎo)軌臺(7)包括軌座(26)和安裝在軌座(26)上的絲杠螺桿和第二直線導(dǎo)軌； 移動滑臺(12)包括進給滑座(21)、伺服電機(22)、限位開關(guān)(23)和絲杠滾珠螺母，進給滑座(21)的底部設(shè)有與第二直線導(dǎo)軌配合的滑槽(25)，絲杠滾珠螺母與軌座(26)上 的絲杠螺桿配合，絲杠滾珠螺母安裝在進給滑座(21)的底部，伺服電機(22)與絲杠螺桿連 接，控制絲杠螺桿帶動進給滑座(21)沿第二直線導(dǎo)軌運動。
專利摘要本實用新型提供的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為工作臺上安裝有直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的兩端分別安裝有工作臺尾座和床頭箱，二個開式中心托架活動安裝在導(dǎo)軌上，并位于工作臺尾座和床頭箱之間；導(dǎo)軌臺安裝在工作臺旁，導(dǎo)軌臺上設(shè)置有與另一平行的導(dǎo)軌，移動滑臺活動安裝在該導(dǎo)軌上；機器人固定在移動滑臺上，激光加工頭安裝在機器人的最后一個關(guān)節(jié)末端上；激光加工頭通過光纖與激光器相連；冷卻機通過冷卻管分別與激光器及激光加工頭相連；控制器分別通過控制線與機器人及移動滑臺連接，控制機器人及控制移動滑臺帶動機器人在導(dǎo)軌臺上移動。該系統(tǒng)解決了關(guān)節(jié)機器人激光加工系統(tǒng)加工范圍小的問題，可以滿足大尺寸和超大尺寸零部件的數(shù)控激光加工要求。
文檔編號B23K26/00GK201519839SQ200920228688
公開日2010年7月7日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者吳哪吒, 曾曉雁, 李祥友, 杜敏, 段軍, 胡乾午, 高明 申請人:華中科技大學(xué)