專利名稱：一種閉合曲線的激光加工系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光加工技術領域，更具體地，本發(fā)明涉及一種閉合曲 線的激光加工系統(tǒng)。
背景技術：
目前用于焊接零件的閉合曲線的激光加工系統(tǒng)主要是針對專門零件 的加工裝置，存在普適性不強的問題。在發(fā)明名稱為"用于圃形加工件 焊接的激光焊接設備，包含第一反射面繞中心軸旋轉的光學系統(tǒng)"的歐
洲專利EP1477264-A1中的激光加工裝置，可以進4亍焊接、切割、打孔等 加工，所述裝置依靠光學系統(tǒng)中反射面的旋轉來實現圃形軌跡焊接。在 發(fā)明名稱為"電機軸焊接方法，包括將不銹鋼軸壓入鎳金屬圓盤，旋轉 圓盤并用激光照射圓盤與軸的接縫處"的日本專利JP2004090030-A中的 焊接方法，通過下部圓盤獨立的轉動來實現圓形軌跡的焊接。在發(fā)明名 稱為"用于工件圓周路徑加工的設備"的美國專利US4143261中的激光 焊接裝置，可以通過工具手段完成圓周或橢圓軌跡的焊接。上述專利中， 歐洲專利EP1477264-A1是通過光學系統(tǒng)的旋轉實現圓形軌跡的焊接，存 在光路復雜且光束傳輸裝置運動方式受限制等問題；日本專利 JP2004090030-A的圓形軌跡焊接實際上仍是在二維平面上的焊接，應為范圍較窄；美國專利US4143261雖然通過增加工作臺來完成圓周軌跡焊 接，但激光加工頭運動范圍都受限制，而且當圓形軌跡在空間三維變化 時，難以做出應變。
綜上所述，由于現有閉合曲線激光加工技術的不足，目前閉合曲線 的加工只能用于某一特定領域，對閉合曲線焊縫的加工還只局限于空間 固定位姿，限制了閉合曲線激光加工的應用。

發(fā)明內容
為克服現有閉合曲線激光加工系統(tǒng)中的位姿受限、普適性差的缺陷， 本發(fā)明提出了一種閉合曲線激光加工系統(tǒng)。 一種閉合曲線激光加工系統(tǒng)，包括
旋轉工作臺，所述旋轉工作臺包括夾具和電機，并且所述旋轉工作 臺可以為待加工零件提供旋轉運動；
激光器和激光焊接頭，所述激光焊接頭與所述激光器形成光路連接， 激光通過所述激光器傳輸到所述激光焊接頭，從所述激光焊接頭輸出；
機器人本體，所述機器人本體帶有電機，所述機器人本體用于承載 所述激光焊接頭；
控制裝置，所述控制裝置協(xié)調控制所述激光器、所述機器人本體和 所述旋轉工作臺，對所述待焊接零件的閉合曲線進行加工；
其中，所述旋轉工作臺的所述夾具用于夾持待加工零件，所述夾具 將待加工零件固定并使待加工零件焊縫軸線保持水平，所述夾具和所述 電機相連，所述電機在所述控制裝置的控制下帶動所述夾具旋轉，為待加工零件提供順時針或者逆時針的水平旋轉運動。
其中，所述控制裝置包括激光器控制單元、旋轉工作臺控制單元、 機器人運動控制單元和協(xié)調控制單元。
其中，所述機器人本體為5自由度框架式機器人。
其中，所述旋轉工作臺的夾具通過軸與所述電枳4目連。
其中，所述激光器控制單元與所述激光器連接，控制所述激光器的 激光功率和波形。
其中，所述機器人運動控制單元包括運動控制器，所述運動控制器
控制所述電機，通過所述電機帶動所述機器人本體運動；并且，所述機 器人運動控制單元反饋機器人的運動控制和狀態(tài)信息。
其中，所述旋轉工作臺運動控制單元包括運動控制器、伺服放大器、 光電隔離器和通用輸入/輸出接口；其中，運動控制器通過祠月W:大器與 旋轉工作臺相連，控制旋轉工作臺的電機的轉動；運動控制器通過一個 光電隔離器連接到通用輸入/輸出接口，存儲旋轉工作臺的狀態(tài)信息；并 且，旋轉工作臺控制單元反饋旋轉工作臺的諸如位置、速度的運動控制 和狀態(tài)信息。
其中，所述協(xié)調控制單元分別與所述激光器控制單元、所述機器人 運動控制單元和所述旋轉臺控制單元連接，實時接收所述旋轉工作臺、 所述機器人本體和所述激光器的狀態(tài)反饋信息，發(fā)出控制命令。
其中，所述機器人由所述電機帶動可以沿水平方向左右移動、沿垂 直方向上下移動，并且所述機器人具有繞水平方向和垂直方向轉動的機 械臂。其中，所述協(xié)調控制單元包括收發(fā)機器人信號單元、收發(fā)激光器信 號單元、收發(fā)旋轉工作臺信號單元和信號協(xié)調處理單元，所述協(xié)調控制 單元還包括用于操作者與所述系統(tǒng)進行交互的人機交互單元。
其中，在開始加工時，所述控制裝置通過所述協(xié)調控制單元的控制， 使所述機器人本體帶動所述激光焊接頭移動到加工開始的位置，所述機 器人到位后，反饋到位信號給所述控制裝置。
其中，所述控制裝置通過所述協(xié)調控制單元，使所述旋轉工作臺帶 動待加工的零件轉動，達到勻速后，反饋速度到達信號給所述控制裝置， 所述控制裝置控制所述激光器射出激光。
其中，所述控制裝置通過接收所述旋轉工作臺和所述激光器的狀態(tài) 反饋信息，協(xié)調控制所述旋轉工作臺和所述激光器，按照設定的工藝進 行加工。
通過應用本發(fā)明，實現了激光器、機器人和旋轉工作臺的多維同步 控制，而且所述加工系統(tǒng)開放性強，可以在不同工藝下加工中軸線不同 的圓形封閉曲線。


圖1為才艮據本發(fā)明的實施例的加工系統(tǒng)組成示意圖2為控制裝置的結構示意圖3為協(xié)調控制裝置的結構示意圖4為加工系統(tǒng)加工流程圖5為實施例1中的一種環(huán)形焊縫；圖6為實施例2中的一種平面圓形焊縫。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明提供的一種閉合曲線激光加 工系統(tǒng)作進一步說明。
圖1為才艮據本發(fā)明的實施例的加工系統(tǒng)組成示意圖，加工系統(tǒng)包括 機器人本體1、激光焊接頭2、旋轉工作臺3、機器人控制拒4、控制裝 置5、激光器6、激光冷卻裝置7。機器人本體l帶有電機，用于承載所 述激光焊接頭，機器人本體1為自由度框架式機器人；機器人本體1的 框架包括在長4米、寬3米、高2米的鋼制縱向橫梁上裝有滑軌，并 在其上安置水平橫梁，水平橫梁由電機帶動，在縱向橫梁上可以前后移 動；在水平橫梁上有滑軌，在滑軌上安裝有垂直機械臂，在垂直機械臂 的末端上，通過夾具固定激光焊接頭2。激光焊接頭與所述激光器形成光 路連接，加工所用激光通過激光器傳輸到激光焊接頭，從激光焊接頭輸 出進行加工；在激光焊接頭上還設置通入輔助氣體的結構和助焊劑輸送 結構。旋轉工作臺包括夾具和電機，夾具用于夾持待加工零件，將待加 工零件固定、夾緊并使待加工中軸線保持水平，夾具和電機通過軸相連， 電機轉動，帶動夾具旋轉，為待加工零件提供順時針或者逆時針的水平 旋轉運動。激光器6帶有過程現場總線通信協(xié)議，控制裝置5采用單主 站的線型網絡拓樸結構，控制裝置5設為過程現場總線的主站，激光器6 設為從站。
如圖2所示，控制裝置5用于控制激光器、機器人本體和旋轉工作臺，控制裝置5包括激光器控制單元3. 5、旋轉工作臺控制單元3. 3、機 器Ai^動控制單元3. 6和協(xié)調控制單元3.1。
激光器控制單元3. 5通過現場總線與激光器6連接，激光器控制單 元3. 5對激光器實現激光功率和波形控制。
機器人運動控制單元3.6包括一個開放式運動控制器，用于控制機 器人本體，運動控制器通過電機帶動機器人各軸的運動，運動控制器向 運動控制單元發(fā)送命令實現對電機的控制。另外，機器人運動控制單元 3.6完成機器人的運動控制和狀態(tài)信息(位置、速度等)的反饋。
旋轉工作臺運動控制單元3. 3包括開放式運動控制器3. 2、伺服放大 器、光電隔離器和通用輸入/輸出(I/O)接口。運動控制器3.2通過伺 服放大器與旋轉工作臺相連，控制旋轉工作臺的電機的轉動，即圖2中 所示的伺服電機，從而控制旋轉工作臺的夾具的轉動；運動控制器3.2 通過一個光電隔離器連接到一個通用輸入/輸出(1/0)接口 3.4，用來存 儲旋轉工作臺的狀態(tài)信息；并且旋轉工作臺控制單元3.3完成旋轉工作 臺的運動控制和狀態(tài)信息(位置、速度等)的反饋。激光器控制單元3. 5、 機器人運動控制單元3. 6和旋轉臺控制單元3. 3分別與協(xié)調控制單元3. 1 連接。
控制裝置5除了單獨給電機、激光器和旋轉工作臺發(fā)送命令外，更 重要的是使三者相互協(xié)調，協(xié)調控制單元3.1通過線程實時接收旋轉工 作臺電機和機器人本體上電機的反饋狀態(tài)信息，并對信息做出解釋，判 斷是否需要協(xié)調激光器(如啟動、停止、更改功率波形等)并根據判斷 結果發(fā)出相應的控制命令。如圖3所示，協(xié)調控制單元3.1包括iJUL機器人信號單元、M激光器信號單元、^旋轉工作臺信號單元和信號 協(xié)調處理單元，協(xié)調控制單元還包括用于操作者與所述閉合曲線激光加 工系統(tǒng)進行交互的人機交互單元，即控制軟件，協(xié)調控制單元安裝于控 制裝置內。
在本實施例中，控制裝置的協(xié)調控制單元3. 1與運動控制器3. 2通 過PCI總線連接，激光器控制單元3. 5與激光器6通過PF0FIBUS現場總 線連接，系統(tǒng)采用3000W YAG脈沖激光器，功率在3000瓦以內可調，并 可在脈沖或連續(xù)兩種模式下工作。PR0FIBUS網絡適配卡選用西門子公司 的CP5611通訊卡，開放式運動控制器選用美國GALIL公司的DMC數字運 動控制器。
本發(fā)明的閉合曲線激光加工系統(tǒng)可用于閉合曲線的焊接、切割、打 孔等本領域熟知的各種加工。
在本實施例中，如圖4所示，加工系統(tǒng)開始焊接后，依次打開循環(huán) 水、氣閥、激光器電源、機器人控制電源和旋轉工作臺控制電源，對系 統(tǒng)中的現場總線和控制器等設備進行初始化、對機器人復位、清空緩存 控制裝置緩存；進而對系統(tǒng)進行診斷，通過各設備反饋的信息來判斷系 統(tǒng)各部分是否可以正常工作，若系統(tǒng)不正常，則報錯，返回。確認系統(tǒng) 正常后運行焊接控制，控制激光器、機器人和旋轉工作臺的先后或同步 動作來完成焊接加工。
焊接時，待加工的如圖5所示的45#鋼圓筒的兩部分通過夾具裝夾在 旋轉工作臺3上，控制裝置5通過協(xié)調控制單元3. 1發(fā)命令給機器人控 制單元3. 6,使機器人1帶動激光焊接頭移動到焊接開始的位置，機器人到位后，反饋到位信號給控制裝置5。然后，控制裝置5通過協(xié)調控制單 元3.1發(fā)命令給旋轉工作臺控制單元3. 3中的運動控制器3. 2,運動控制 器3. 2將命令信號發(fā)^f司jJMt大器，信號經伺J5gj改大器放大后傳到旋轉 工作臺的伺服電機，控制旋轉工作臺中的伺服電機轉動，電機與旋轉工 作臺上的夾具相連，通過夾具帶動待加工的45#鋼圃筒先轉動，達到勻速 后反饋速度到達信號給控制裝置5，控制裝置5控制激光器6啟動開始出 激光?？刂蒲b置5通過接受旋轉工作臺3和激光器6的反饋信息并向二 者發(fā)送相應運動命令，協(xié)調控制旋轉工作臺3和激光器6按設定的工藝 進行加工，焊接結束后控制裝置5發(fā)送命令使激光器6和旋轉工作臺3 停止運行，焊接加工結束。
在根據本發(fā)明的另一實施例中，加工系統(tǒng)用于焊接如圖6所示的平 面閉合圓形焊縫，焊接時，使待焊接面水平放置，并固定在工作臺上， 將焊接系統(tǒng)進行初始化，開始焊接時，控制裝置5通過協(xié)調控制單元3.1 發(fā)命令給機器人控制單元3.6，控制機器人l做圃周運動，同時，控制裝 置5控制激光器6啟動開始出激光?？刂蒲b置5通過接收機器人3和激 光器6的反饋信息并向二者發(fā)送相應運動命令，協(xié)調控制機器人運動速 度及激光器出光時間和功率使焊接按照設定工藝進行焊接。
最后應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對 其限制，并且在應用上可以延伸到其他的修改、變化、應用和實施例， 同時認為所有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發(fā)明的精神和范 圍內。
權利要求
1、一種閉合曲線的激光加工系統(tǒng)，包括旋轉工作臺，所述旋轉工作臺包括夾具和電機，并且所述旋轉工作臺可以為待加工零件提供旋轉運動；激光器和激光焊接頭，所述激光焊接頭與所述激光器形成光路連接，激光通過所述激光器傳輸到所述激光焊接頭，從所述激光焊接頭輸出；機器人本體，所述機器人本體帶有電機，所述機器人本體用于承載所述激光焊接頭；控制裝置，所述控制裝置協(xié)調控制所述激光器、所述機器人本體和所述旋轉工作臺，對所述待加工零件的閉合曲線進行加工；其中，所述旋轉工作臺的所述夾具用于夾持待加工零件，所述夾具將待加工零件固定并使待加工零件中軸線保持水平，所述夾具和所述電機相連，所述電機在所述控制裝置的控制下帶動所述夾具旋轉，為待加工零件提供順時針或者逆時針的水平旋轉運動。
2、 權利要求l的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置包括激光器控制單元、 旋轉工作臺控制單元、機器人運動控制單元和協(xié)調控制單元。
3、 權利要求l的系統(tǒng)，其中，所述機器人本體為5自由度框架式機 器人。
4、 權利要求l的系統(tǒng)，其中，所述旋轉工作臺的夾具通過軸與所述 電才M目連。
5、 權利要求2的系統(tǒng)，其中，所述激光器控制單元與所述激光器連接，控制所述激光器的激光功率和波形。
6、 權利要求2的系統(tǒng)，其中，所述機器Ai^動控制單元包括運動控 制器，所述運動控制器控制所述電機，通過所述電機帶動所述機器人本 體運動；并且，所述機器人運動控制單元反饋機器人的運動控制和狀態(tài) 信息。
7、 權利要求2的系統(tǒng)，其中，所述旋轉工作臺運動控制單元包括運 動控制器、伺月M^L大器、光電隔離器和通用輸入/輸出接口；其中，運動 控制器通過伺月Mi大器與旋轉工作臺相連，控制旋轉工作臺的電機的轉 動；運動控制器通過一個光電隔離器連接到通用輸入/輸出接口，存儲旋 轉工作臺的狀態(tài)信息；并且，旋轉工作臺控制單元反饋旋轉工作臺的諸 如位置、速度的運動控制和狀態(tài)信息。
8、 權利要求2的系統(tǒng)，其中，所述協(xié)調控制單元分別與所述激光器 控制單元、所述機器人運動控制單元和所述旋轉臺控制單元連接，實時 接收所述旋轉工作臺、所述機器人本體和所述激光器的狀態(tài)反饋信息， 發(fā)出控制命令。
9、 權利要求3的系統(tǒng)，其中，所述機器人由所述電機帶動可以沿水 平方向左右移動、沿垂直方向上下移動，并且所述機器人具有繞水平方 向和垂直方向轉動的機械臂。
10、 權利要求3的系統(tǒng)，其中，所述協(xié)調控制單元包括收發(fā)機器人 信號單元、^激光器信號單元、收發(fā)旋轉工作臺信號單元和信號協(xié)調 處理單元，所述協(xié)調控制單元還包括用于操作者與所述系統(tǒng)進行交互的 人機交互單元。
11、 權利要求10的系統(tǒng)，其中，在開始加工時，所述控制裝置通過所述協(xié)調控制單元的控制，使所述機器人本體帶動所述激光焊接頭移動 到加工開始的位置，所述機器人到位后，反饋到位信號給所述控制裝置。
12、 權利要求10的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置通過所述協(xié)調控制單元，使所述旋轉工作臺帶動待加工的零件轉動，達到勻速后，反饋速度 到達信號給所述控制裝置，所述控制裝置控制所述激光器射出激光。
13、 權利要求12的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置通過接收所述旋轉工 作臺和所述激光器的狀態(tài)反饋信息，協(xié)調控制所述旋轉工作臺和所述激 光器，按照設定的工藝進行加工。
全文摘要
本發(fā)明公開一種閉合曲線的激光加工系統(tǒng)，包括激光器；與激光器形成光路連接的激光加工頭；用于承載激光加工頭的帶有電機的機器人本體；測量頭；用于裝夾加工件并且為加工提供旋轉運動的旋轉工作臺；用于控制激光器、機器人本體和旋轉工作臺的控制裝置；其中所述控制裝置包括激光器控制單元、機器人運動控制單元和旋轉工作臺運動控制單元；激光器控制單元與激光器連接，機器人運動控制單元與電機相連，旋轉工作臺控制單元與旋轉工作臺連接。通過應用本系統(tǒng)，實現了激光器、機器人和旋轉工作臺的多維同步控制，而且所述加工系統(tǒng)開放性強，可以在不同工藝下加工中軸線不同的圓形封閉曲線。
文檔編號B23K26/30GK101468428SQ20071030851
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權日2007年12月29日
發(fā)明者寧偉健, 宋宏偉, 王恒海, 王立新, 鋼 虞, 鄭彩云 申請人:中國科學院力學研究所