一种复合激光加工的五轴超振声数控机床制造技术

本发明专利技术涉及一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，该数控机床同时具有机械加工和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及工件加工部；其中，工件加工部包括沿XYZ轴运动的电机、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；机械运动控制系统控制上述电机的运动。本发明专利技术通过将机械数控加工方式和激光加工方式这两种加工结合起来，提高加工效率，改善加工成品，扩大加工能力。

【技术实现步骤摘要】
一种复合激光加工的五轴超振声数控机床
本专利技术属于精密器件加工领域，具体涉及一种复合激光加工的五轴超振声数控机床。
技术介绍
传统机械数控加工已经是一项比较成熟的工艺，由控制系统发出指令使刀具作符合要求的切割运动，以数值和字母形式表示工件的尺寸和形状等技术要求，以及加工工艺要求从而进行加工。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。数控机床的加工精度一般可达0.05—0.1mm，在更精密的加工技术中数控金切机床的加工精度可以达到更小的等级，已从原来的丝级(0.01mm)提升到微米级(0.001mm)，有些品种已达到0.05μm左右。激光技术是上世纪60年代人类继原子能和计算机之后又一伟大专利技术，特别是超快脉冲激光如纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光的出现，推动激光微加工技术迅速发展，使得可设计高精度和真三维的微纳器件的制备成为可能。现有的技术中，激光加工一般是单一地使用激光束对工件的表面进行切割、焊接等加工，而较少对孔进行加工。随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求，提高电路板小型化水平的关键就是越来越窄的线宽和不同层面线路之间越来越小的微型过孔和盲孔。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm，这显然已不能满足要求，取而代之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm左右的小孔。在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点，利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为突出，具有极大的商业价值。上述加工方式存在如下缺陷：1.机械数控加工对大尺度的切削加工比较快速，但由于机械加工的局限性，过长的刀头所能承受的力矩是有限的，过小的刀头的制造成本太高和加工磨损严重，导致在一些小孔和深孔加工依然是力不从心。而激光加工对小尺度的切割加工比较快和精确，但是对大尺度的切割加工效率就比较低。在传统工艺中，这两种加工工艺是分别完成的。若将机械加工完的工件再进行激光加工，一是需要从一个加工平台上移动到另一个加工平台上，产生了一定的时间消耗；二是在不同加工平台上加工，定位中心位置的移动和偏差是不可避免的，产生了误差累计，对工件加工的精度产生了影响。2.由于激光加工中激光功率越高，聚焦的激光半径越小，能量密度越密集，加工效率也越高，因此对于不同材料，同样的加工功率下加工的深度是不一样的，所以对于通孔用激光的加工比较简单。但是激光对于加工盲孔和外形的尺寸以及形貌的精确控制就困难了许多，特别是高温下材料的软化以及性能的改变。3.激光加工的激光半径对加工工件的成品质量有很大影响，激光半径越大，能量密度的分布就越难集中，就会造成在加工中，中心部位能量集中部分能够将加工部位快速加热甚至气化，而能量较低的外圈的大部分地方只能液化工件，甚至只能对工件表面进行一定程度的加热。4.在机械加工完的工件表面很可能会有残余应力的存在。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，通过将机械数控加工方式和激光加工方式这两种加工结合起来，提高加工效率，改善加工成品，扩大加工能力。本专利技术提出的技术方案如下：一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，其特征在于，该数控机床同时具有机械加工和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及工件加工部；其中，工件加工部包括沿XYZ轴运动的电机、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；所述沿XYZ轴运动的电机分别带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器沿XYZ轴移动；所述A轴电机带动加工平台绕Y轴旋转，A轴电机的旋转方向定义为A轴；所述C轴电机带动加工平台绕Z轴旋转，C轴电机的旋转方向定义为C轴；所述机械加工的刀具夹头用于夹持刀具；机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器在同一个三维的移动杆上的不同垂直轴上；加工平台用于放置并固定待加工工作；激光加工的深度探测器用于检测激光加工的深度；机械运动控制系统控制上述电机的运动。进一步地，所述深度探测器位于激光发生器的主轴运动部件上，并相对于激光发生器的激光刀头的位置固定。进一步地，深度探测器选用激光反射式测距接收器，在激光加工过程中，激光反射式测距接收器接受固定角度的激光反射，从而通过激光的反射对激光加工中的加工深度进行测量。进一步地，工件平台沿C轴的运动范围为360°，并且允许叠加旋转角度。进一步地，工件平台沿A轴的运动范围为-20°到正向120°。进一步地，所述的加工平台通过力矩电机以及高精度编码器使得加工平台具有绕Z轴旋转和绕Y轴旋转的功能。进一步地，所述刀具所在的杆能够沿X、Y、Z轴三个方向通过力矩电机进行移动，通过直线光栅反馈元件，采用全闭环控制，能够同时对工件进行平面和深度的三维加工。进一步地，待加工工件的材料范围包括但不限于：金属、陶瓷、高分子、玻璃、碳纤维。进一步地，非加工段机床电机控制的水平运动速度最大为10000㎜/min；非加工段电机控制的旋转速度最大为20000°/min；在加工段机床电机控制的水平运动速度最大为2000㎜/min；加工段电机控制的旋转速度最大为10000°/min。一种如前任一项所述的数控机床的工作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先，对待加工工件的工件材料基本成分性能进行分析，选择对该种材料的性能合适的切削效果的机械加工刀具并设定加工的刀具参数；同时对该种材料的激光加工参数进行设定；其次，将待加工工件固定于工作平台上，按照上述设定的参数，通过沿XYZ轴运动的电机的三个平移轴带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器移动，A轴电机和C轴电机的旋转轴带动加工平台进行旋转，从而将待加工工件调整到适合的加工位置；通过机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器对加工平台上的待加工工件进行精确加工。本专利技术的有益效果：1.本专利技术将机械数控加工和激光加工这两种加工方式结合起来，提高加工效率，改善加工成品，扩大加工能力，对于越来越精准的工件加工是一种保障。2.本专利技术提出的数控机床对于工件的加工，是在一个工作平台上，通过机械加工配合激光加工得到最终加工成品。这样工件只在一个平台上加工，工件的定位中心位置的定位也仅进行一次，可以减小重复定位产生的误差累计，对于高精密的工件加工的零部件尺寸、形貌精度有极大的提升，解决了现有技术中的重复定位精度问题。3.本专利技术通过机械和激光复合加工，可以对工件的外形形貌进行精确的机械加工，并且机械加工工件形貌的速率较快，这样既高效又精准且能很好的保证加工质量。其次对于机械加工无法触及的加工部位或加工深度，可以通过激光加工来对局部和细节进行精细的处理。对于不同材料激光工作的效率不同，这个通过激光反射接收器反馈的信息来设置参数用以控制激光加工的时间，或者调节激光输出功率，从而提高整体加工效率以及成品形貌精确控制。4.本专利技术采用缩小激光半径和提高功率来解决激光加工的激光半径对加工工件的成品质量的影响。在该机床中，大的孔和槽等都由机械加工部分完成，对于机械难以加工的部位和小孔等通过激光加工，这样对激光的半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，其特征在于，该数控机床同时具有机械加工和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及工件加工部；其中，工件加工部包括沿XYZ轴运动的电机、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；所述沿XYZ轴运动的电机分别带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器沿XYZ轴移动；所述A轴电机带动加工平台绕Y轴旋转，A轴电机的旋转方向定义为A轴；所述C轴电机带动加工平台绕Z轴旋转，C轴电机的旋转方向定义为C轴；所述机械加工的刀具夹头用于夹持刀具；机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器在同一个三维的移动杆上的不同垂直轴上；加工平台用于放置并固定待加工工作；激光加工的深度探测器用于检测激光加工的深度；机械运动控制系统控制上述电机的运动。

【技术特征摘要】
1.一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，其特征在于，该数控机床同时具有机械加工和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及工件加工部；其中，工件加工部包括沿XYZ轴运动的电机、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；所述沿XYZ轴运动的电机分别带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器沿XYZ轴移动；所述A轴电机带动加工平台绕Y轴旋转，A轴电机的旋转方向定义为A轴；所述C轴电机带动加工平台绕Z轴旋转，C轴电机的旋转方向定义为C轴；所述机械加工的刀具夹头用于夹持刀具；机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器在同一个三维的移动杆上的不同垂直轴上；加工平台用于放置并固定待加工工作；激光加工的深度探测器用于检测激光加工的深度；机械运动控制系统控制上述电机的运动。2.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，所述深度探测器位于激光发生器的主轴运动部件上，并相对于激光发生器的激光刀头的位置固定。3.根据权利要求1或2所述的数控机床，其特征在于，深度探测器选用激光反射式测距接收器，在激光加工过程中，激光反射式测距接收器接受固定角度的激光反射，从而通过激光的反射对激光加工中的加工深度进行测量。4.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，工件平台沿C轴的运动范围为360°，并且允许叠加旋转角度。5.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，工件平台沿A轴的运动范围为-20°到正向120°。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：林锦新，林俊杰，卢衍锦，吴松全，甘艺良，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35