專利名稱：一種具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光加工技術，特別是涉及一種采用柔性光纖傳輸激光，經(jīng)過光束變換，具有多軸聯(lián)動的機械部分和智能測量的多功能的激光加工裝置。
目前激光加工裝置可分為三大類一是機械臂式激光加工機器人，二是激光加工中心，三是激光加工專用設備。在美國專利號US4870246、名稱為“激光加工機器人用于切割與焊接”的文件中，介紹了一種采用框架式結構，使加工機器人沿水平和垂直線性運動、在垂直平面內的旋轉運動和以中空加工臂為中心的二到三維極坐標運動，來完成加工動作。在美國專利號US5221823、名稱“激光機械設備用于焊接與切割”文件中，介紹了一種關節(jié)臂式機器人。這兩種裝置共同特點，都是激光傳輸采用光學折返鏡式傳輸系統(tǒng)，通過中空的腔式結構，將大功率激光從激光源傳到加工面。

圖1給出了專利號US5221823“激光機械設備用于焊接與切割”文件中所采用的傳輸裝置?？梢钥闯觯@種傳輸激光的方法為了保證激光傳遞光路的正確，傳輸裝置的運動方式十分受限制，不僅加工中機器人的運動控制較為復雜，而且也使利用現(xiàn)有機械裝置進行激光加工裝備的改造難度增大。上述兩種專利技術的設備中第二個缺陷是都只是通過光學折返鏡式傳輸系統(tǒng)，將激光直接由激光源傳到加工面，而未對加工中使用的激光作進一步的處理。這雖然是目前激光加工設備主要采用的方式，但由于在實際工業(yè)生產中，針對不同的加工，激光的空間分布和強度分布要求也會有不同，因此，這種直接使用激光源加工的設備，大多只能以專用設備的形式出現(xiàn)，適用面較窄，遠遠滿足不了實際需要。另外，目前的激光加工設備，基本上均為單純的加工設備，自身不具備測量能力，因此加工的精確性在很大程度上依賴于加工工件外形尺寸，如果工件由于某種原因沒有工件外形設計數(shù)據(jù)，則須借助于外部的測量設備，這又產生了測量數(shù)據(jù)與加工數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)誤差問題。
綜上所述，由于現(xiàn)有激光加工技術的不足，目前的激光加工設備大多只能用于某一特定的領域，限制了激光加工設備在工業(yè)上的廣泛應用。
本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有的激光加工裝置所存在的問題，從而提供一種在保證加工精度的同時，其有較大的加工范圍和很好的工業(yè)適用性，既可用于曲面打孔、切割與焊接，又可用于材料表面處理、快速原形和模具制造等多種工業(yè)用途，可獨立完成智能測量和工件加工，具有較高的性能價格比的柔性傳輸和多軸傳動的激光加工裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的新型柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其工作原理圖如圖2所示。它由激光器、機械聯(lián)動結構、激光加工頭、計算機組成的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于還包括光導纖維、光學變換器和借機測量部分，其中激光器輸出端與光學變換器之間聯(lián)接一根光導纖維，光學變換器與激光加工頭相連，計算機與激光器、借機測量部分、機械聯(lián)動結構相接，激光加工頭、借機測量部分和光學變換器用固定件固定在機械聯(lián)動結構的機械臂下。其中由激光源發(fā)出的激光通過柔性光纖傳輸?shù)焦馐儞Q器部分，在這里通過付立葉光學變換使激光改變其空間強度的分布，通過激光加工頭聚焦輸出，以多軸聯(lián)動的方式，利用外部數(shù)據(jù)或使用本裝置的智能借機測量部分所測數(shù)據(jù)，由計算機控制激光加工頭對工件進行加工。借機測量部分，由安裝在機械聯(lián)動裝置上的測量頭與計算機相聯(lián)接組成。機械聯(lián)動結構是多軸聯(lián)動，包括一個頂部帶滑軌的鋼制框架結構，在滑軌上設有一水平橫梁，它可以沿框架結構的滑軌前后移動，水平橫梁上安裝有一垂直機械臂，它既可以沿水平軸往返移動，也可垂直于水平橫梁上下運動。光束變換部分、激光加工頭和測量部分均通過固定件(夾具)安裝于垂直機械臂的下端，這樣機械部分以三維運動帶動激光加工頭和測量頭運動，機械臂下端可聯(lián)接4-6節(jié)不同種類的機械臂，以實現(xiàn)不同動作。由于加工用激光是通過光纖柔性傳輸?shù)?，不受機械運動的影響，具體的機械裝置，既可如上所述采用三軸運動方式，也可根據(jù)需要，采用2到9軸的運動方式；既可專門研制，也可利用現(xiàn)有設備改造而成。通過工控計算機控制，始終保持激光加工頭沿被加工面法線運動時的動作姿態(tài)，進行差補，以實現(xiàn)多軸聯(lián)動，即可在三維空間內進行大范圍、高精度和靈活快速的激光加工，包括在曲面上打孔、切割和焊接，表面強化處理以及快速原形和模具的制造等。
發(fā)明的效果本發(fā)明的柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，采用成熟的工業(yè)大功率激光光源，通過柔性光纖傳輸激光，在選擇相應的激光源后，不必再對機械運動部分進行復雜的改造，從而簡化了激光加工頭的結構，減輕了重量，操作和維修也都更加方便和安全對激光束進行變換以適應不同的要求，從而提高了激光加工的靈活性；工控計算機控制的多軸聯(lián)動機械運動部分，加工動作靈活，可實現(xiàn)2～9維運動，可用于大型工件的平面和復雜曲面的打孔、切割、焊接、表面處理、快速原形和模具制造等多種工業(yè)用途，加工精度高；它具有自適應智能測量功能，可對類似于轎車外殼沖壓模具這樣大尺寸的工件進行在線實測，測量速度快，精度高，可縮短大型加工件的測量周期；性能價格比高，可用于對現(xiàn)有的機械加工設備的改造。
下面結合附圖及實施實例對本發(fā)明進行詳細地說明附圖及附圖的簡單說明圖1現(xiàn)有技術中激光傳輸裝置示意圖。
圖2本發(fā)明的柔性傳輸和多軸聯(lián)動激光加工裝置工作框圖。
圖3本發(fā)明提供的一種具有柔性傳輸和五軸聯(lián)動激光加工裝置結構示意圖。
圖4.1本發(fā)明的激光加工頭運動姿態(tài)示意圖。
圖4.2本發(fā)明的激光加工頭二維旋轉運動示意圖。
圖5本發(fā)明的一種智能化借機測量部分示意圖。
圖6本發(fā)明用于表面強化加工時光束變換示意圖。
圖7本發(fā)明實施例1中計算機控制的工作流程圖。
圖面說明如下1-工業(yè)化大功率激光光源，1.0-激光電源，1.1-冷卻裝置，1.2-激光器；2-光導纖維；3-光束變換器；4-借機測量部分，4.1-測量頭；5-多軸聯(lián)動的機械部分，5.0-框架結構，5.1-擺動關節(jié)，5.2-可轉動定位圓盤，5.3-水平橫梁，5.4-旋轉關節(jié)，5.5-垂直機械臂，5.6-縱向橫梁；6-激光(聚焦)加工頭；7-計算機部分；8-加工工件；9-激光在加工面上形成的二維光斑分布；11-測量頭所走過的軌跡；J1表示X向水平運動；J2表示Y向水平運動；J3表示Z向垂直運動；J4表示激光加工頭繞加工中軸線的轉動；J5表示激光加工頭的擺動。
實施例1制作一臺具有柔性傳輸和2軸聯(lián)動的激光加工裝置。在長4.5m×寬3.1m×高2.0m的鋼梁縱向橫梁5.6上裝有導軌，并在其上安置一水平橫梁5.3，水平橫梁5.3由電機帶動在縱向橫梁5.6上可以前后移動；在水平橫梁5.3上有導軌，可在其上安裝一垂直機械臂5.5，在垂直機械臂末端用夾具把激光加工頭6、測量頭4.1和光學變換器3固定住，采用功率100～500W的近紅外波長激光器，用一根介質實心的光導纖維將激光器和光學變換器3相連接，計算機7連接激光器1.2、光學變換器3和借機測量部分4，其工作流程圖如圖7所示。
實施例2制作一臺具有柔性傳輸和3軸聯(lián)動的激光加工裝置。同實施例1相同，只是采用了可上下移動的垂直機械臂。
實施例3制作一臺具有柔性傳輸和4軸聯(lián)動的激光加工裝置。同實施例2相同，它還在垂直機械臂5.5下端用固定件固定一可帶動另一機械臂繞垂直機械臂5.5中軸線旋轉的轉動關節(jié)5.4，并在轉動關節(jié)5.4上用固定件固定激光加工頭6、光學變換器3、借機測量部分4。
實施例4制作一臺具有柔性傳輸和5軸聯(lián)動的激光加工裝置。同實施例3相同，它還在轉動關節(jié)5.4上安裝一可做擺動運動的機械臂5.1。裝置如圖3所示，其中鋼制框架結構5長4.5米，寬3.1米，高2.0米，在縱向橫梁5.6上裝有導軌，水平橫梁5.3可以在其上由電機帶動前后移動。水平橫梁5.3上也裝有導軌，可供安裝于其上的垂直機械臂5.5可沿水平方向左右移動，同時機械臂5.5上的電機又帶動它可以上下移動。垂直機械臂5.5的下端裝有可繞垂直機械臂中軸線360°旋轉的轉動關節(jié)5.4，它又連接著可作擺動的關節(jié)5.1，圖4.2表示了這種結構的運動方式，圖4.1表示始終保持激光加工頭6沿被加工面法線運動時的動作姿態(tài)。測量頭4.1與激光加工頭均通過夾具裝于這個關節(jié)上，激光加工頭6和測量頭4.1的固定可使用兩種夾具一種是直接裝夾，即將激光加工頭6和測量頭4.1通過夾具直接安裝到機械臂5.5上；另一種是將一個可轉動圓盤5.2裝于機械臂上，激光加工頭與測量頭以同心圓的方式裝于可轉動定位的圓盤5.2上，圓盤5.2偏離機械臂5.5中軸線安裝，而使處于工作狀態(tài)的激光加工頭6(或測量頭4.1)位于中軸線上，這種設計保證了測量時測量頭4.1的位置與激光加工頭6工作位置的精確符合，圖3中即采用了這種設計。工控計算機7連接著激光源1、多軸聯(lián)動的機械部分5和測量裝置4，它負責控制輸出激光的參數(shù)、在線地處理測量裝置獲得的工件外形尺寸數(shù)據(jù)及控制多軸聯(lián)動的機械部分加工動作。裝置中的激光源由電源1.0和冷卻裝置1.1和激光器1.2組成，可根據(jù)具體加工要求，選用不同類型的和不同波長并適于柔性傳輸?shù)拇蠊β始す馄鳌＜す馊嵝詡鬏敳糠?采用低損耗、高功率的工業(yè)光導纖維2，它連接在激光器1.2與光學變換器3之間，在完成激光功率或能量的傳輸時，不受機械運動的限制。光束變換器可對激光源產生的激光按加工的要求進行付立葉光學變換處理。通過對入射光束的變換，可在加工平面上產生滿足要求的光強分布。對于不同的工業(yè)加工需求，只需換用相對應的光束變換和聚焦部件，即可得到滿足要求的激光束。智能化借機測量部分通過計算機控制測量頭沿工件表面的運動(它可智能地進行數(shù)據(jù)采集和運動)在線地獲取工件外形曲面的數(shù)據(jù)，如圖5所示。由于測量部分與加工部分使用同一套機械運動裝置，這樣既簡化了結構，又便于測量數(shù)據(jù)與加工數(shù)據(jù)的協(xié)調。多軸聯(lián)動機械部分，通過工控計算機控制，可產生激光加工所需的動作。在本實施例中說明了又一種機械聯(lián)動結構方式和兩種固定加工頭、測量頭的方式，計算機控制部分同實施例1相同。
實施例5制作一臺具有柔性傳輸和5軸聯(lián)動的激光加工裝置，它用于曲(平)面上的激光打孔、切割。利用實施例4述及的多功能5軸聯(lián)動激光加工裝置上，只是在激光加工頭6上配裝可在打孔與切割中通入輔助氣體的裝置，例如激光加工頭的側壁連接一根管子到氣瓶上。以防止加工表面的氧化?？蓪Υ蟪叽绻ぜ钠矫婊驈碗s曲面施行高精度的打孔和切割加工。這種借助于輔助吹氣結構和適當?shù)墓馐儞Q與聚焦系統(tǒng)而完成的打孔和切割無需后續(xù)處理，重復性好，精度高；加工熱影響區(qū)小，不產生變形；可控性好，加工過程可一次完成。在進行平面加工時，保持激光加工頭姿態(tài)的固定，利用框架結構帶動激光加工頭產生平面運動，可完成大面積板材上多點打孔和復雜邊界形狀工件切割的要求。在進行曲面加工時，利用二維旋轉機構可實現(xiàn)激光加工頭在空間任意點的法線姿態(tài)，滿足打孔與焊接需要加工激光垂直于加工面的要求，如圖4.1和圖4.2所示?？蓾M足航空發(fā)動機葉片打孔以及汽車車身先進制造技術中的板殼切割與裁剪這類有復雜曲面形狀零件的加工要求，并具有較高的精度。
實施例6制作一臺具有柔性傳輸和5軸聯(lián)動的激光加工裝置，它用于曲(平)面上的激光焊接。使用實施例4述及的多功能5軸聯(lián)動激光加工裝置，只是在激光加工頭6上配裝助焊劑輸送結構，即可完成大面積的平面或復雜表面形狀的曲面工件的焊接加工。根據(jù)焊縫的形狀、材料以及工藝要求，對光束進行變換，并通過編程送入激光加工系統(tǒng)一次完成加工，可控性好，焊縫質量比較有保證。在焊接過程中，由于被焊接的材料不同，所要求的聚焦后光斑形狀也不同，使用的助焊劑也不同，加上有些焊接軌跡是空間曲線，因此需要一個五維動作數(shù)控系統(tǒng)。
實施例7制作一臺具有柔性傳輸和5軸聯(lián)動的激光加工裝置，它用于模具表面處理。利用實施例4的裝置，可對某些覆蓋件模具和塑料模具進行表面處理。通過付立葉光學變換技術產生的特定的光強分布，可對激光進行空間強度變換，在一次單脈沖焦平面上產生二維的光斑列陣，極大地提高了處理速度(達2～3個數(shù)量級)，如圖6所示。利用多軸聯(lián)動激光加工裝置，可完成對具有復雜曲面外形的模具表面的強化處理，以提高模具的質量和使用壽命。由于需要表面強化的模具，生產單位并不一定將產品設計數(shù)據(jù)提供給使用者，或是設計數(shù)據(jù)與激光加工所需數(shù)據(jù)格式不同且難以轉換，或是在生產中出現(xiàn)磨損而需再次強化的模具，因此在加工時必須結合測量部分，以獲取所加工模具的精確三維尺寸。通過使用智能借機測量部分，采用如圖5所示的方式對模具表面進行掃描，可以在線地還原模具的外形。由于借機測量部分與加工部分使用同一套運動機構，一方面降低了成本，另一方面也可以保證測量頭與激光加工頭位置的吻合，使測量數(shù)據(jù)可以立即形成加工數(shù)據(jù)完成加工，大大縮短了生產周期。
權利要求
1．一種由激光源、機械聯(lián)動結構、加工頭、計算機組成的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于還包括光導纖維、光學變換器、借機測量部分。其中激光器輸出端與光學變換器之間聯(lián)接一根光導纖維，光學變換器與激光加工頭相連，計算機與激光源、借機測量部分、機械聯(lián)動結構相接，激光加工頭、借機測量部分和光學變換器用固定件固定在機械聯(lián)動結構的機構臂下。
2．按權利要求1所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于所述的借機測量部分，由安裝在機械聯(lián)動結構上的測量頭與計算機相聯(lián)接組成。
3．按權利要求1、2所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于所述的機械聯(lián)動結構是多軸聯(lián)動，包括框架結構上的縱向橫梁上設有導軌，并在其上安置一水平橫梁，水平橫梁上有導軌，在其上安裝一可沿水平方向移動的機械臂，機械臂下端用固定件固定激光加工頭、光學變換器、借機測量部分，計算機通過電機與機械臂相聯(lián)組成。
4．按權利要求3所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于所述的機械聯(lián)動結構還進一步包括在水平橫梁上設置一由電機帶動做垂直滑動的機構臂，機械臂下端用固定件固定激光加工頭、光學變換器、借機測量部分，計算機通過電機與機械臂相聯(lián)。
5．按權利要求1-4所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于還包括在垂直機械臂下端用固定件固定一可帶動另一機械臂繞垂直機械臂中軸線旋轉的轉動關節(jié)，并在轉動關節(jié)上用固定件固定激光加工頭、光學變換器、借機測量部分。
6．按權利要求5所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于還包括在轉動關節(jié)上安裝一可做擺動運動的擺動關節(jié)，在其上固定激光加工頭、光學變換器、借機測量部分。
7．按權利要求4所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于所述的固定激光頭、光學變換器、借機測量部分的固定件包括轉動圓盤，加工頭和測試頭以同心園方式裝在轉動園盤上，園盤做在垂直機械臂下端。
8．按權利要求1-6所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于還包括在激光加工頭上設置一通入輔助氣體的結構。
9．按權利要求1-6所述的具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置，其特征在于還包括在激光加工頭上設置一助焊劑的輸送裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有柔性傳輸和多軸聯(lián)動的激光加工裝置。該裝置由激光源、光纖、光學變換器、機械聯(lián)動結構、激光加工頭、計算機組成,其中激光器輸出端與光學變換器之間聯(lián)接一根光纖,光學變換器與激光加工頭相連,計算機與激光源、借機測量部分、機械聯(lián)動結構相接,激光加工頭、借機測量部分和光學變換器固定在機械聯(lián)動結構的機構臂下。本發(fā)明的裝置加工靈活,適用大型和復雜曲面工件的多種加工;既縮短加工周期又提高加工精度。
文檔編號B23K26/00GK1215644SQ9810121
公開日1999年5月5日 申請日期1998年3月30日 優(yōu)先權日1998年3月30日
發(fā)明者虞鋼, 王紅才, 張鳳林, 高春林, 安永強, 張桂秋, 胡幼娟, 李平, 喬銳, 莊儀方, 張金城 申請人:中國科學院力學研究所