本发明专利技术公开了工件五轴调整架、五轴运动装置、激光加工系统和方法，属于激光加工领域。本发明专利技术通过不同调节单元，给予定位盘不同方向的力的作用，从而改变工件的俯仰角度和空间位置，实现对工件的高精度位姿调整，从而使得双旋转台转轴、工件曲率中心、激光光轴达到高精度的契合。本发明专利技术通过A轴旋转台、B轴旋转台协同控制，利用待加工工件的回转特性，采用激光焦点位置固定不动，工件高速高精度旋转的加工方式，加工过程中无需控制Z轴的升降，且消除了光路扫描变化带来的聚焦精度误差。本发明专利技术通过A轴旋转台、B轴旋转台带动工件进行空间旋转，其旋转角度和速度由待加工图形决定，实现在工件表面高精度、高速度地加工出所设定的图形。高速度地加工出所设定的图形。高速度地加工出所设定的图形。
【技术实现步骤摘要】
工件五轴调整架、五轴运动装置、激光加工系统和方法
[0001]本专利技术属于激光加工领域，更具体地，涉及工件五轴调整架、五轴运动装置、激光加工系统和方法。
技术介绍
[0002]随着全球工业加工制造技术的不断发展，各领域对材料加工的需求从二维平面向三维曲面发展，诸如球面、圆柱面、圆锥面等回转曲面的加工，往往采用两种方式：
[0003]一是传统的机械加工特制掩膜和离子腐蚀的方式，在工件待加工曲面上刻蚀出应用所需的图形。这种加工方式的缺点在于，图形的加工精度取决于掩膜的加工精度，而掩膜材料往往较薄，容易变形，且具有图形参数难以控制、加工时间长、对刀具要求高等缺点。
[0004]二是利用激光方法对工件待加工曲面进行刻蚀，通常可以利用振镜进行二维平面内的精准扫描，而通过工件或激光光束的位移调控，使激光束在工件上的聚焦位置形成三维的扫描，则可以实现对曲面的加工，但这种方式也存在焦平面的变化导致光斑分布不均匀、振镜偏转导致光束未严格垂直加工表面等缺点。
[0005]专利CN103266323A公开了一种用于具有曲面结构的金属制品表面蚀刻加工方法，先将金属制品平面部分和曲面部分进行掩膜处理，平面部分的掩膜间隙均匀一致，曲面部分掩膜间隙从平面与曲面的结合处到曲面的边缘处逐渐增大，再采用耐腐蚀遮挡物沿与金属制品平面平行的方向将金属制品的曲面部分遮挡，然后进行蚀刻加工。该蚀刻加工方法过程繁琐，初次蚀刻之后还需要进行脱膜、再次刻蚀、浸泡、清洗等后续处理过程，且所用的蚀刻液、耐腐胶、清洗液等均属于化学制品，对环境会有一定的污染。由于加工图形是通过蚀刻液与金属表面的化学反应形成的，存在着不可控性，需要被加工的区域可能由于化学反应的不充分性未被刻蚀，或是不需要加工的区域可能受化学反应的影响受到刻蚀，其蚀刻加工效果会受到一定的影响。
[0006]专利CN109940270A公开了一种七轴五联动超快激光加工系统，该方法将待加工工件置于旋转台上，通过对工件进行结构光的投影和拍照反馈，进而修改光路偏折，再利用振镜对工件进行扫描，该方法实现曲面加工的原理是通过旋转台调整工件的位置，再利用振镜进行小扫场范围内的平面扫描，实际上是将曲面分割成了细小的平面，曲面连续性不高。且通过结构光拍照反馈计算机，修改光路，实际上仍会造成一定程度的聚焦不均匀。
[0007]专利CN112475591A公开了一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及工作方法，利用两个旋转台实现工件的曲面加工，其中一个旋转台用来固定和旋转工件，以使工件得到周向的扫描，另一个旋转台和Z轴位移机构联动，通过激光头的摆动实现激光的曲面扫描。该方法理论上可保证激光焦点实时处于待加工曲面上，但由于Z轴位移机构的限制，无法提高扫描的速度，且联动扫描前需要进行标定，双旋转台与工件之间的同轴度也难以保证。
[0008]专利CN206561203U公开了适用于头盔加工的五轴激光切割装置，先将工件放置在物料台面上进行定位，再对工件进行三维空间的预扫描，通过算法形成加工路径。工件的旋转通过物料台的平移和转动实现，工件表面的曲面扫描通过激光束的摆角头和Z轴位移机
构实现。该方法理论上可实现激光焦点实时处于待加工曲面上，但实际操作较为复杂，预扫描影响了加工的效率和精度，物料台的平移和转动限制了加工的速度，且工件表面曲率中心和激光束的同轴情况难以保证。
[0009]专利CN210817953U公开了一种基于扫描振镜的五轴激光微加工装置，将工件固定于一个旋转台上，同时通过另一个旋转台实现正交平面上的转动。当双旋转台协同作用时，可以通过振镜实现较为复杂的曲面加工。该方法利用双旋转台使工件具有两个正交的旋转自由度，理论上可以实现高效、较高精度的曲面加工。但不足之处在于，缺少特定的装置，使双旋转台转轴、工件曲率中心、激光光轴达到高精度的契合，当多轴协同运动时，微小的同轴误差将被放大，从而影响着加工的精度。
[0010]上述公开的曲面成型装置及其表面刻蚀存在的问题有：
[0011]1、使用传统的机械加工特制掩膜和离子腐蚀方法能够制作的曲面结构有限，每制作一个曲面结构就需要制作相应的模具，过程繁琐，成本较高，对于一些复杂的曲面结构，其模具的加工难度系数较高，不易制作。当利用化学药品进行金属表面刻蚀时，由于化学反应的不确定性和不定向性，刻蚀区域和刻蚀深度不可操控，会使加工质量严重下降，且该刻蚀方法针对体积较小曲面金属材料来讲，掩膜处理的难度大大增加，化学药品容易从样品需刻蚀区域流出，致使样品被破坏。
[0012]2、使用振镜扫描的激光刻蚀方式加工表面的质量不理想。为了提高加工效率，目前大多数采用振镜扫描的方式，但曲面结构其形状为非平面，则激光作用的每片区域的焦点存在一定的差别，致使作用区域表面材料吸收激光的能量不同，其刻蚀效果会有所不同，刻蚀质量下降。对于激光振镜扫描方式刻蚀加工的装置，若要获得较好的刻蚀效果，则加工的金属表面形状需为平面结构，这就导致了刻蚀加工能力的局限性。
[0013]3、使用旋转台和位移机构联动的激光刻蚀方式效率较低。对于工件在竖直平面内的曲面面型加工，目前存在利用旋转台和激光束构建摆角头，然后和Z轴位移机构联动的方式。Z轴位移机构向下移动时摆角头向上摆动，可以对曲面进行扫描加工。然而，这种方式的加工效率受限于Z轴位移机构的移动速度，且在加工前需要进行较为复杂的标定或预扫描。
[0014]4、使用双旋转台控制工件多自由度旋转的激光刻蚀方式难以保证定位的准确性。这种方式实际上利用了待加工工件的回转特性，通过工件旋转而激光光路固定的方式实现激光在工件曲面的实时聚焦。由于激光光路固定，则只需使工件的旋转中心和激光束同轴，即可保证激光束时刻垂直于待加工平面，获得高质量的聚焦效果。然而，多轴协同运动时，微小的同轴误差将被放大，这种加工方式需要保证双旋转台转轴、工件曲率中心、激光光轴达到高精度的契合。
[0015]综上所述，亟需一种针对回转曲面工件进行刻蚀的激光加工方法与装置，其具有加工精度高、加工效率快、加工质量好等优点。
技术实现思路
[0016]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供工件五轴调整架、五轴运动装置、激光加工系统和方法，旨在解决现有加工方法多轴协同运动难以保证定位准确性、蚀刻效率低的问题。
[0017]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种工件五轴调整架，包括：上层件、下
层件、定位盘、角度调节单元、位移调节单元和连接单元；
[0018]所述上层件中间设有凹槽；
[0019]所述定位盘为上端面设有固定件的圆台，所述固定件用于固定待加工工件；
[0020]所述上层件和下层件之间弹性连接，且中间留有间隙，从而形成安装腔；
[0021]所述定位盘设于安装腔内，且底面与凹槽的槽表面贴合；
[0022]所述角度调节单元，贯穿上层件表面且抵在下层件上表面，用于调节上层件在空间中的俯仰角度；
[0023]所述位移调节单元，贯穿上层件侧面且抵在定位盘的圆台上，用于调节定本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种工件五轴调整架，其特征在于，包括：上层件、下层件、定位盘、角度调节单元、位移调节单元和连接单元；所述上层件中间设有凹槽；所述定位盘为上端面设有固定件的圆台，所述固定件用于固定待加工工件；所述上层件和下层件之间弹性连接，且中间留有间隙，从而形成安装腔；所述定位盘设于安装腔内，且底面与凹槽的槽表面贴合；所述角度调节单元，贯穿上层件表面且抵在下层件上表面，用于调节上层件在空间中的俯仰角度；所述位移调节单元，贯穿上层件侧面且抵在定位盘的圆台上，用于调节定位圆台在空间中的相对位置；所述连接单元，贯穿下层件表面，用于固定下层件和B轴旋转台。2.如权利要求1所述的工件五轴调整架，其特征在于，所述角度调节单元和所述位移调节单元均为N个螺丝，N≥3。3.如权利要求2所述的工件五轴调整架，其特征在于，所述N个螺丝等间隔均匀分布。4.如权利要求1至3任一项所述的工件五轴调整架，其特征在于，所述工件五轴调整架的角度调节范围在0
°
到30
°
之间。5.如权利要求1至3任一项所述的工件五轴调整架，其特征在于，所述工件五轴调整架的位移调节范围在0.0001mm到10mm之间。6.如权利要求1至3所述的工件五轴调整架，其特征在于，所述定位盘的固定件侧面设有紧固螺丝。7.如权利要求1至3所述的工件五轴调整架，其特征在于，所述上层件和下层件之间通过插销和弹簧，实现弹性连接，弹簧两端分别穿过上层件和下层件上的通孔，通孔处有放置插销的插销卡槽，插销用于使弹簧保持一定压缩或伸长状态。8.一种五轴运动装置，其特征在于，包括：如权利要求1至7任一项所述的工件五轴调整架、A轴旋转台、旋转台连接件、B轴旋转台、XY轴二维直线位移平台；所述工件五轴调整架的下层件和B轴旋转台固定；所述B轴旋转台，用于带动下层件绕垂直于竖直平面的B轴旋转；所述A轴旋转台，用于带动旋转台连接件绕垂直于水平面的A轴旋转，所述A轴与Z轴方向平行；A轴旋转台、B轴旋转台通过旋转台连接件正交连接，使两个旋转台的旋转中心线在空间上重合于一点；A轴旋转台固定在XY轴二维直线位移平台上；所述XY轴二维直线位移平台，用于带动A轴旋转台在空间内做平移。9.一种五轴激光加工系统，其特征在于，包括：如权利要求8所述的五轴运动装...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊敏，刘翌，乔亚庆，段军，陈天庭，丁雨航，马浩然，熊伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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