一种具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置。该装置由激光源、光纤、光学变换器、机械联动结构、激光加工头、计算机组成，其中激光器输出端与光学变换器之间联接一根光纤，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光源、借机测量部分、机械联动结构相接，激光加工头、借机测量部分和光学变换器固定在机械联动结构的机构臂下。本发明专利技术的装置加工灵活，适用大型和复杂曲面工件的多种加工；既缩短加工周期又提高加工精度。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工技术，特别是涉及一种采用柔性光纤传输激光，经过光束变换，具有多轴联动的机械部分和智能测量的多功能的激光加工装置。目前激光加工装置可分为三大类一是机械臂式激光加工机器人，二是激光加工中心，三是激光加工专用设备。在美国专利号US4870246、名称为“激光加工机器人用于切割与焊接”的文件中，介绍了一种采用框架式结构，使加工机器人沿水平和垂直线性运动、在垂直平面内的旋转运动和以中空加工臂为中心的二到三维极坐标运动，来完成加工动作。在美国专利号US5221823、名称“激光机械设备用于焊接与切割”文件中，介绍了一种关节臂式机器人。这两种装置共同特点，都是激光传输采用光学折返镜式传输系统，通过中空的腔式结构，将大功率激光从激光源传到加工面。附图说明图1给出了专利号US5221823“激光机械设备用于焊接与切割”文件中所采用的传输装置。可以看出，这种传输激光的方法为了保证激光传递光路的正确，传输装置的运动方式十分受限制，不仅加工中机器人的运动控制较为复杂，而且也使利用现有机械装置进行激光加工装备的改造难度增大。上述两种专利技术的设备中第二个缺陷是都只是通过光学折返镜式传输系统，将激光直接由激光源传到加工面，而未对加工中使用的激光作进一步的处理。这虽然是目前激光加工设备主要采用的方式，但由于在实际工业生产中，针对不同的加工，激光的空间分布和强度分布要求也会有不同，因此，这种直接使用激光源加工的设备，大多只能以专用设备的形式出现，适用面较窄，远远满足不了实际需要。另外，目前的激光加工设备，基本上均为单纯的加工设备，自身不具备测量能力，因此加工的精确性在很大程度上依赖于加工工件外形尺寸，如果工件由于某种原因没有工件外形设计数据，则须借助于外部的测量设备，这又产生了测量数据与加工数据之间出现误差问题。综上所述，由于现有激光加工技术的不足，目前的激光加工设备大多只能用于某一特定的领域，限制了激光加工设备在工业上的广泛应用。本专利技术的目的在于为了解决现有的激光加工装置所存在的问题，从而提供一种在保证加工精度的同时，其有较大的加工范围和很好的工业适用性，既可用于曲面打孔、切割与焊接，又可用于材料表面处理、快速原形和模具制造等多种工业用途，可独立完成智能测量和工件加工，具有较高的性能价格比的柔性传输和多轴传动的激光加工装置。本专利技术的目的是这样实现的为了实现上述目的，本专利技术的新型柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其工作原理图如图2所示。它由激光器、机械联动结构、激光加工头、计算机组成的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于还包括光导纤维、光学变换器和借机测量部分，其中激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光器、借机测量部分、机械联动结构相接，激光加工头、借机测量部分和光学变换器用固定件固定在机械联动结构的机械臂下。其中由激光源发出的激光通过柔性光纤传输到光束变换器部分，在这里通过付立叶光学变换使激光改变其空间强度的分布，通过激光加工头聚焦输出，以多轴联动的方式，利用外部数据或使用本装置的智能借机测量部分所测数据，由计算机控制激光加工头对工件进行加工。借机测量部分，由安装在机械联动装置上的测量头与计算机相联接组成。机械联动结构是多轴联动，包括一个顶部带滑轨的钢制框架结构，在滑轨上设有一水平横梁，它可以沿框架结构的滑轨前后移动，水平横梁上安装有一垂直机械臂，它既可以沿水平轴往返移动，也可垂直于水平横梁上下运动。光束变换部分、激光加工头和测量部分均通过固定件(夹具)安装于垂直机械臂的下端，这样机械部分以三维运动带动激光加工头和测量头运动，机械臂下端可联接4-6节不同种类的机械臂，以实现不同动作。由于加工用激光是通过光纤柔性传输的，不受机械运动的影响，具体的机械装置，既可如上所述采用三轴运动方式，也可根据需要，采用2到9轴的运动方式；既可专门研制，也可利用现有设备改造而成。通过工控计算机控制，始终保持激光加工头沿被加工面法线运动时的动作姿态，进行差补，以实现多轴联动，即可在三维空间内进行大范围、高精度和灵活快速的激光加工，包括在曲面上打孔、切割和焊接，表面强化处理以及快速原形和模具的制造等。专利技术的效果本专利技术的柔性传输和多轴联动的激光加工装置，采用成熟的工业大功率激光光源，通过柔性光纤传输激光，在选择相应的激光源后，不必再对机械运动部分进行复杂的改造，从而简化了激光加工头的结构，减轻了重量，操作和维修也都更加方便和安全对激光束进行变换以适应不同的要求，从而提高了激光加工的灵活性；工控计算机控制的多轴联动机械运动部分，加工动作灵活，可实现2～9维运动，可用于大型工件的平面和复杂曲面的打孔、切割、焊接、表面处理、快速原形和模具制造等多种工业用途，加工精度高；它具有自适应智能测量功能，可对类似于轿车外壳冲压模具这样大尺寸的工件进行在线实测，测量速度快，精度高，可缩短大型加工件的测量周期；性能价格比高，可用于对现有的机械加工设备的改造。下面结合附图及实施实例对本专利技术进行详细地说明附图及附图的简单说明图1现有技术中激光传输装置示意图。图2本专利技术的柔性传输和多轴联动激光加工装置工作框图。图3本专利技术提供的一种具有柔性传输和五轴联动激光加工装置结构示意图。图4.1本专利技术的激光加工头运动姿态示意图。图4.2本专利技术的激光加工头二维旋转运动示意图。图5本专利技术的一种智能化借机测量部分示意图。图6本专利技术用于表面强化加工时光束变换示意图。图7本专利技术实施例1中计算机控制的工作流程图。图面说明如下1-工业化大功率激光光源，1.0-激光电源，1.1-冷却装置，1.2-激光器；2-光导纤维；3-光束变换器；4-借机测量部分，4.1-测量头；5-多轴联动的机械部分，5.0-框架结构，5.1-摆动关节，5.2-可转动定位圆盘，5.3-水平横梁，5.4-旋转关节，5.5-垂直机械臂，5.6-纵向横梁；6-激光(聚焦)加工头；7-计算机部分；8-加工工件；9-激光在加工面上形成的二维光斑分布；11-测量头所走过的轨迹；J1表示X向水平运动；J2表示Y向水平运动；J3表示Z向垂直运动；J4表示激光加工头绕加工中轴线的转动；J5表示激光加工头的摆动。实施例1制作一台具有柔性传输和2轴联动的激光加工装置。在长4.5m×宽3.1m×高2.0m的钢梁纵向横梁5.6上装有导轨，并在其上安置一水平横梁5.3，水平横梁5.3由电机带动在纵向横梁5.6上可以前后移动；在水平横梁5.3上有导轨，可在其上安装一垂直机械臂5.5，在垂直机械臂末端用夹具把激光加工头6、测量头4.1和光学变换器3固定住，采用功率100～500W的近红外波长激光器，用一根介质实心的光导纤维将激光器和光学变换器3相连接，计算机7连接激光器1.2、光学变换器3和借机测量部分4，其工作流程图如图7所示。实施例2制作一台具有柔性传输和3轴联动的激光加工装置。同实施例1相同，只是采用了可上下移动的垂直机械臂。实施例3制作一台具有柔性传输和4轴联动的激光加工装置。同实施例2相同，它还在垂直机械臂5.5下端用固定件固定一可带动另一机械臂绕垂直机械臂5.5中轴线旋转的转动关节5.4，并在转动关节5.4上用固定件固定激光加工头6、光学变换器3、借机测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由激光源、机械联动结构、加工头、计算机组成的具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，其特征在于：还包括光导纤维、光学变换器、借机测量部分。其中激光器输出端与光学变换器之间联接一根光导纤维，光学变换器与激光加工头相连，计算机与激光源、借机测量部分、机械联动结构相接，激光加工头、借机测量部分和光学变换器用固定件固定在机械联动结构的机构臂下。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，王红才，张凤林，高春林，安永强，张桂秋，胡幼娟，李平，乔锐，庄仪方，张金城，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]