一種具有柔性傳輸和多軸聯動的激光加工裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及具有柔性傳輸和多軸聯動的激光加工裝置。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動結構的機構臂下。本發明專利技術的裝置加工靈活，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。（*該技術在2018年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及激光加工技術，特別是涉及一種采用柔性光纖傳輸激光，經過光束變換，具有多軸聯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，通過中空的腔式結構，將大功率激光從激光源傳到加工面。附圖說明圖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。可以看出，這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，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，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據，則須借助于外部的測量設備，這又產生了測量數據與加工數據之間出現誤差問題。綜上所述，由于現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上的廣泛應用。本專利技術的目的在于為了解決現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。本專利技術的目的是這樣實現的為了實現上述目的，本專利技術的新型柔性傳輸和多軸聯動的激光加工裝置，其工作原理圖如圖2所示。它由激光器、機械聯動結構、激光加工頭、計算機組成的具有柔性傳輸和多軸聯動的激光加工裝置，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動結構的機械臂下。其中由激光源發出的激光通過柔性光纖傳輸到光束變換器部分，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，以多軸聯動的方式，利用外部數據或使用本裝置的智能借機測量部分所測數據，由計算機控制激光加工頭對工件進行加工。借機測量部分，由安裝在機械聯動裝置上的測量頭與計算機相聯接組成。機械聯動結構是多軸聯動，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，機械臂下端可聯接4-6節不同種類的機械臂，以實現不同動作。由于加工用激光是通過光纖柔性傳輸的，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，也可根據需要，采用2到9軸的運動方式；既可專門研制，也可利用現有設備改造而成。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，進行差補，以實現多軸聯動，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。專利技術的效果本專利技術的柔性傳輸和多軸聯動的激光加工裝置，采用成熟的工業大功率激光光源，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動機械運動部分，加工動作靈活，可實現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，可用于對現有的機械加工設備的改造。下面結合附圖及實施實例對本專利技術進行詳細地說明附圖及附圖的簡單說明圖1現有技術中激光傳輸裝置示意圖。圖2本專利技術的柔性傳輸和多軸聯動激光加工裝置工作框圖。圖3本專利技術提供的一種具有柔性傳輸和五軸聯動激光加工裝置結構示意圖。圖4.1本專利技術的激光加工頭運動姿態示意圖。圖4.2本專利技術的激光加工頭二維旋轉運動示意圖。圖5本專利技術的一種智能化借機測量部分示意圖。圖6本專利技術用于表面強化加工時光束變換示意圖。圖7本專利技術實施例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-多軸聯動的機械部分，5.0-框架結構，5.1-擺動關節，5.2-可轉動定位圓盤，5.3-水平橫梁，5.4-旋轉關節，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5.4，并在轉動關節5.4上用固定件固定激光加工頭6、光學變換器3、借機測量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種由激光源、機械聯動結構、加工頭、計算機組成的具有柔性傳輸和多軸聯動的激光加工裝置，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動結構的機構臂下。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：中國科學院力學研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]