一种多光源、多功能、多轴激光加工头及装备制造技术

本发明专利技术公开了一种激光加工头及其包括该加工头的多光源、多功能、多轴激光加工装备。所述激光加工头包括壳体、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪、电机驱动机构和吸尘保护罩，具有多种加工模式、可灵活选择激光器、容易更换特点。所述多光源、多功能、多轴激光加工装备包括装备控制操作系统平台、多轴联动数控机床和前述激光加工头，激光加工头通过刀柄式定位锥装置固定于高精度多轴联动机床上，进行大幅面、跨尺度的激光精细加工只需通过激光光源、激光光路和激光加工头的切换，即可实现至少三种以上大型复杂构件精细表面加工应用，特别适用于航空航天领域。本发明专利技术具有制造成本低，应用范围广，便于批量生产等优点。

Multi light source, multifunctional, multi axis laser processing head and equipment

The invention discloses a laser processing head and a plurality of light source, multifunctional and multi axis laser processing equipment including the processing head. The laser processing head comprises a shell, optical system, positioning cone disc connection mechanism, laser rangefinder, motor driving mechanism and dust protection cover, with a variety of processing mode, flexible, easy to replace the laser characteristics. The multi source, multi function and multi axis laser processing equipment including the equipment control operating system platform, multi axis CNC machine tools and the laser processing head, laser processing head is fixed on the high precision multi axis machine tool by shank type positioning device of cone, large format, switching cross laser fine processing scale only the laser light source, laser light and the laser processing head can be realized by at least three kinds of complex components of fine surface processing applications, especially suitable for the aerospace field. The invention has the advantages of low manufacturing cost, wide application range, convenient batch production, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光加工
，具体涉及一种多光源、多功能、多轴激光加工方法及装备。技术背景在航空航天的三维复杂构件精密加工中，存在大量非规则曲面构件表面图案制作、尺寸修理及化铣刻型需求，其共同特点是表面精细加工，构件尺寸一般为数米，制造精度达数十微米，而且材料各异，属于典型的不同材料“复杂曲面跨尺度”制造。传统的多轴机械加工方法加工精度和一致性差且生产效率极低，难以满足实际应用要求。例如，在导弹和飞机雷达罩频率选择表(FSS)天线雷达罩以及航天器固面天线反射器方面，制造尺寸一般从0.3～3m不等，但加工图形尺寸精度要求达到10～20μm的量级。现在常用的FSS天线罩的传统成型工艺有两种，一种是间接转移法，在薄膜基底上采用镀膜、光刻得到柔性FSS膜，然后转移到天线罩上。但FSS膜分块贴覆在天线罩表面时，拼接误差等造成FSS周期微结构完整性和精确性遭到破坏，直接影响天线罩透波性能和隐身性能，造成与设计技术指标差距较大，无法满足型号技术指标要求。另一种是数字化机械加工，该方法难点在于加工系统的设计以及加工精度和机械应力的控制，加工中各种误差的累积和变形会严重影响FSS天线罩的传输特性。飞机发动机的空心叶片陶瓷修芯技术一直是空心叶片铸造中的关键技术之一，它决定了叶片的尺寸精度、合格率和铸造成本以及飞机发动机的使用性能和寿命。随着发动机技术的发展，叶片的气冷结构趋于复杂化，作为形成空心叶片气冷结构的陶瓷型芯也逐渐薄壁化，结构复杂化。如双层陶瓷芯的特征：槽、柱、孔、腔等由于结构复杂、薄壁(0.6-1.0mm)导致尺寸修芯难度较大，现有人工机械修芯手段无法保证精度，导致精度差且效率低，难以满足质量要求。化铣刻型轻量化是航空航天和武器装备制造的难点问题，是提高火箭、导弹推重比以及综合性能的重要途径。然而，现在国内普遍采用传统人工刻型工艺。由于人工刻型过程中误差累积较大，不能自动化，加工效率低，加工周期长，无法保证零件尺寸的精准性和一致性，很难保证胶膜刻断，不伤及基体金属以及外形线所需的精度要求，同时还需要大量的刻型样板。激光由于具有聚焦光斑直径小、能量密度高、非接触式加工(无刀具磨损)、柔性程度高、无掩膜等特点，非常适合难加工材料：超软、超硬、超脆、超薄等特殊材以及各种复杂形状微结构制造。但是，由于上述加工材料的光学特性和物理化学属性都有较大的差别，对激光波长、波形和功率有不同的要求。现有技术只能采用单一激光源，难以达到对上述所有材料都能进行精密加工的目的。如果采用一台三维激光加工装备用于上述某一种精密加工应用，则必须采用多台不同激光波长光源的三维激光加工装备才能满足以上三种应用要求，导致研制的三维激光加工装备成本昂贵，应用范围单一，无法批量生产的问题。
技术实现思路
针对以上航空航天各种材料和复杂构件表面图案精密加工、尺寸修理和化铣刻型的重大需求，本专利技术提出一种多光源、多功能、多轴激光加工方法及装备，目的是在一台加工设备上实现陶瓷、金属、金属-聚合物复合材料的精密切割、刻蚀等多种激光精细加工制造功能，并同时保证精密加工制造尺寸精度和质量要求。本专利技术提出的一种激光加工头，包括壳体(51)、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪(20)、电机驱动机构(18)和吸尘保护罩(22)；其中：所述壳体(51)开设有外部激光进光孔、光纤激光进光孔、出光孔和测距孔；出光孔和测距孔位于激光加工头壳体底面，进光孔、出光孔和测距孔分别用于外部激光入射、光纤激光入射、聚焦后激光和激光测距仪检测光通过；所述光路系统用于对激光整形并使其投射到加工焦平面上，根据不同波长激光选用匹配的光学器件，集成在不同激光加工头内；光路系统可灵活拆装更换，以适用于不同波长激光；所述定位锥盘状连接机构(17)安装于壳体(51)侧壁外部，用于与数控机床固定连接，不同激光加工头可通过定位锥盘状连接机构(17)灵活拆装更换；定位锥盘状连接机构(17)中部开有通光孔，该孔与壳体外部激光进光孔正对，用于外部激光馈入加工头；所述激光测距仪(20)安装在壳体(51)内，工作时其出射的检测激光束和反射激光束均通过壳体底面测距孔，激光测距仪出射的检测激光束在激光加工焦平面上的光斑与激光加工光斑重合，用于测量激光加工焦平面高度偏差；所述电机驱动机构(18)安装在壳体(51)内部，用于驱动光路系统和激光测距仪在工件表面的法线方向移动；所述吸尘保护罩(22)位于激光加工头底部，围绕壳体(51)出光口安装，通过与外部吸尘管连接以吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。进一步的，所述激光加工头壳体外部安装有光纤激光器。进一步的，所述光路系统有两种工作方式：动态聚焦方式：光路系统包括90°反射镜和聚焦镜，安装在激光加工头壳体内侧壁，进光孔入射的激光束首先经过90°反射镜反射后平行入射到聚焦镜，由其将激光束聚焦，经出光孔投射到工件表面；三维扫描方式：光路系统包括90°反射镜、二维高速扫描振镜和扫描场镜，安装在壳体内部，进光孔入射的激光束首先经过90°反射镜反射后平行入射进入扫描振镜，再经过扫描场镜聚焦，由出光孔投射到工件表面。根据前述的激光加工头，提出一种多光源、多功能和多轴激光精密制造装备，该装置还包括装备控制操作系统平台、多轴联动数控机床；其中：所述装备控制操作系统基于PC机构成，用于控制多轴联动数控机床和激光加工头的整体运行，包括但不限于实现大型复杂曲面模型的非规则分区规划、曲面加工图形精度补偿、加工路径模拟仿真和防碰撞实时监测功能；所述多轴联动主机床采用至少有五轴的高精度联动数控机床，包括X、Y、Z三维直线移动轴、旋转轴C和摆动轴A；所述激光加工头安装在摆动轴A上；所述多轴联动数控机床的Z轴上预留有安装气体激光器及其光路系统位置，加工时，可根据材料特性选择使用气体激光器或加工头内部安装的光纤激光器；使用中，当采用动态聚焦方式工作时，激光加工头在数控机床带动下动作，激光光斑的移动由数控机床控制；激光从激光头壳体入光孔进入，经光路系统整形聚焦，由壳体底部吸尘保护罩内的出光口射出，聚焦在工件表面；所述激光测距仪发出激光，通过外壳测距孔投射到工件表面，测量工件高度数据，送入装备控制操作系统，由装备控制操作系统实时调整焦点高度到工件表面，实现动态跟踪聚焦；当采用三维扫描方式工作时，激光加工头在数控机床带动下动作，激光光斑移动由二维高速扫描振镜控制；激光从激光头壳体入光孔进入，经反射镜、扫描振镜和场镜，经由壳体底部吸尘保护罩射出，聚焦在工件表面；所述激光测距仪发出激光，通过外壳测距孔投射到工件表面，测量工件高度数据，送入装备控制操作系统，由装备控制操作系统调整焦点高度。进一步的，所述多轴联动数控机床为龙门式五轴机床。进一步的，所述激光加工头还包括光束指向/功率检测模块，用于对激光光束指向和激光功率进行实时监测；光束指向/功率检测模块安装在光路系统中90°反射镜的后部，从90°反射镜透射出的部分激光入射进入光束指向/功率检测模块的检测窗口，实现对激光光束指向和激光功率进行实时监测。对于所述光源、多功能和多轴激光精密制造装备，监测结果被反馈至装备控制操作系统中；装备控制操作系统对检测结果进行分析，若光束指向/功率符合要求，则不调节；若光束指向不符本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光加工头，其特征在于，包括壳体(51)、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪(20)、电机驱动机构(18)和吸尘保护罩(22)；其中：所述壳体(51)开设有外部激光进光孔、光纤激光进光孔、出光孔和测距孔；出光孔和测距孔位于激光加工头壳体底面，进光孔、出光孔和测距孔分别用于外部激光入射、光纤激光入射、聚焦后激光和激光测距仪检测光通过；所述光路系统用于对激光整形并使其投射到加工焦平面上，根据不同波长激光选用匹配的光学器件，集成在不同激光加工头内；光路系统可灵活拆装更换，以适用于不同波长激光；所述定位锥盘状连接机构(17)安装于壳体(51)侧壁外部，用于与数控机床固定连接，不同激光加工头可通过定位锥盘状连接机构(17)灵活拆装更换；定位锥盘状连接机构(17)中部开有通光孔，该孔与壳体外部激光进光孔正对，用于外部激光馈入加工头；所述激光测距仪(20)安装在壳体(51)内，工作时其出射的检测激光束和反射激光束均通过壳体底面测距孔，激光测距仪出射的检测激光束在激光加工焦平面上的光斑与激光加工光斑重合，用于测量激光加工焦平面高度偏差；所述电机驱动机构(18)安装在壳体(51)内部，用于驱动光路系统和激光测距仪在工件表面的法线方向移动；所述吸尘保护罩(22)位于激光加工头底部，围绕壳体(51)出光口安装，通过与外部吸尘管连接以吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。...

【技术特征摘要】
1.一种激光加工头，其特征在于，包括壳体(51)、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪(20)、电机驱动机构(18)和吸尘保护罩(22)；其中：所述壳体(51)开设有外部激光进光孔、光纤激光进光孔、出光孔和测距孔；出光孔和测距孔位于激光加工头壳体底面，进光孔、出光孔和测距孔分别用于外部激光入射、光纤激光入射、聚焦后激光和激光测距仪检测光通过；所述光路系统用于对激光整形并使其投射到加工焦平面上，根据不同波长激光选用匹配的光学器件，集成在不同激光加工头内；光路系统可灵活拆装更换，以适用于不同波长激光；所述定位锥盘状连接机构(17)安装于壳体(51)侧壁外部，用于与数控机床固定连接，不同激光加工头可通过定位锥盘状连接机构(17)灵活拆装更换；定位锥盘状连接机构(17)中部开有通光孔，该孔与壳体外部激光进光孔正对，用于外部激光馈入加工头；所述激光测距仪(20)安装在壳体(51)内，工作时其出射的检测激光束和反射激光束均通过壳体底面测距孔，激光测距仪出射的检测激光束在激光加工焦平面上的光斑与激光加工光斑重合，用于测量激光加工焦平面高度偏差；所述电机驱动机构(18)安装在壳体(51)内部，用于驱动光路系统和激光测距仪在工件表面的法线方向移动；所述吸尘保护罩(22)位于激光加工头底部，围绕壳体(51)出光口安装，通过与外部吸尘管连接以吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。2.根据权利要求1所述的加工头，其特征在于，所述壳体(51)外部安装有光纤激光器。3.根据权利要求1所述的加工头，其特征在于，所述光路系统有两种工作方式：动态聚焦方式：光路系统包括90°反射镜和聚焦镜，安装在激光加工头壳体内侧壁，进光孔入射的激光束首先经过90°反射镜反射后平行入射到聚焦镜，由其将激光束聚焦，经出光孔投射到工件表面；三维扫描方式：光路系统包括90°反射镜、二维高速扫描振镜和扫描场镜，安装在壳体内部，进光孔入射的激光束首先经过90°反射镜反射后平行入射进入扫描振镜，再经过扫描场镜聚焦，由出光孔投射到工件表面。4.根据权利要求2所述光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器是超快或纳秒光纤激光器，输出激光从加工头壳体的光纤激光进光孔送入激工加工头。5.根据权利要求1所述激光加工头，其特征在于，所述激光加工头还包括光束指向/功率检测模块，用于对激光光束指向和激光功率进行实时监测；光束指向/功率检测模块安装在光路系统中90°反射镜的后部，从90°反射镜透射出的部分激光入射进入光束指向/功率检测模块的检测窗口，实现对激光光束指向和激光功率进行实时监测。6.根据权利要求1所述的激光加工头的多光源、多功能和多轴激光精密制造装备，其特征在于，还包括装备控制操作系统平台、多轴联动数控机床；所述装备控制操作系统基于PC机构成，用于控制多轴联动数控机床和激光加工头的整体运行，包括但不限于实现大型复杂曲面模型的非规则分区规划、曲面加工图形精度...

【专利技术属性】
技术研发人员：段军，张菲，胡乾午，曾晓雁，蒋明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42