專利名稱：一種數(shù)控激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控激光加工裝置。該裝置可用于對
不同型號的工件進行激光加工，包括焊接、切割和表面熱處理等，尤其適用于大型工件 的激光加工。
背景技術(shù)：
近年來，高功率激光加工技術(shù)因其加工效率高、無機械接觸、易于實現(xiàn)自動化 等一系列優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是激光加工裝置的"刀具" 為激光，其加工特性與激光束的輸出方式、能量大小以及所采用的光學(xué)系統(tǒng)、聚焦方式 等密切相關(guān)。當(dāng)我們改變激光的輸出功率、輸出脈沖頻率或占空比等參數(shù)時，或者改變 激光加工頭的結(jié)構(gòu)(如切割頭、焊接頭等)，激光加工工藝將會發(fā)生性質(zhì)的變化，如從激 光切割變?yōu)榧す夂附踊蛘呒す獗砻鎻娀幚淼?，而相?yīng)的機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等幾乎無 需改動。這樣，我們就可以利用改變激光加工參數(shù)(包括工藝參數(shù)和加工頭)的方法使某 臺單功能的激光加工設(shè)備變?yōu)槎喙δ艿募す饧庸ぱb置，實現(xiàn)智能柔性加工。
目前的機器人激光加工裝置常有兩種形式 一種是基于常規(guī)數(shù)控機床的激光加 工設(shè)備(以下簡稱數(shù)控激光加工機床)，它的通用性好，不僅能滿足光纖傳輸?shù)墓腆w激光 器激光加工的要求，而且滿足依靠光學(xué)鏡片的反射傳輸?shù)腃02激光器的激光加工要求； 另一種是基于多軸機器人的激光加工裝置，它的柔性化程度高，與固體激光器的光纖輸 出相適應(yīng)，能夠滿足各種復(fù)雜三維形狀的激光加工要求，C02激光器因其光束難以用光 纖傳輸，因此很少使用機器人作為加工系統(tǒng)。 現(xiàn)有的數(shù)控激光加工機床按照所加工對象的性能要求，可以是二到五個自由 度。 一般為五個自由度，稱為五軸聯(lián)動激光加工裝置，它包括三個平動軸和二個回轉(zhuǎn) 軸，可以加工大尺寸范圍的復(fù)雜零件。但是在實際加工中卻有其自身的技術(shù)難度
l.編程復(fù)雜，難度大。因為五軸加工除了三個直線平動外，還有兩個旋轉(zhuǎn)運動 參與，其合成的運動的空間軌跡相當(dāng)復(fù)雜和抽象。為了加工出所需的空間自由曲面，往 往需要多次坐標(biāo)變換和復(fù)雜的空間集合運算，同時還要考慮各軸運動的協(xié)調(diào)性，避免干 涉、沖撞，編程難度相當(dāng)大。 2.對數(shù)控和伺服系統(tǒng)要求高。由于五軸加工要協(xié)調(diào)控制五個軸，數(shù)控系統(tǒng)必 須要有五軸聯(lián)動的控制功能；另外合成運動有回轉(zhuǎn)運動的加入，增加了插補運算的工作 量；回轉(zhuǎn)運動的微小誤差有可能放大，為了避免影響加工的精度，要求數(shù)控系統(tǒng)要有極 高的運算速度。 激光機器人加工系統(tǒng)一般采用關(guān)節(jié)式機器人，適合幾乎任何角度和軌跡的工 作，可以自由編程，可控制的錯誤率，較高的生產(chǎn)效率。但是目前多數(shù)的機器人在應(yīng)用 時定點在某個固定位置，由于機器人自身工作空間的限制，在實際加工中其工作范圍顯 得較為狹窄，對于大型工件，如大型模具、機車車身、船舶等大型復(fù)雜零件的加工無能 為力。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提出了一種數(shù)控激光加工裝置，該裝置不但提高了激光 加工裝置的柔性化和自動化控制能力，降低了數(shù)控編程的難度，而且大幅提高了激光加 工效率和加工零件尺寸范圍，特別可以滿足大尺寸和超大尺寸零部件的數(shù)控激光加工要 求。 本發(fā)明提供的數(shù)控激光加工裝置包括激光器，冷卻機，龍門框架，機器人滑 臺，機器人，床頭箱，工作臺，立柱導(dǎo)軌，第一、第二伺服電機，控制器，尾座和激光 加工頭； 龍門框架的橫梁上安裝有直線導(dǎo)軌，機器人滑臺安裝在龍門框架的橫梁上的直 線導(dǎo)軌上，第一伺服電機安裝在龍門框架的立柱上，第一伺服電機控制機器人滑臺沿直 線導(dǎo)軌移動； 機器人為三軸以上的工業(yè)機器人，固定安裝在在機器人滑臺上，通過機器人滑 臺倒掛在龍門立柱的橫梁上面，激光加工頭安裝在機器人的最后一個關(guān)節(jié)末端上；激光 加工頭通過光纖與激光器相連；冷卻機通過冷卻管分別與激光器及激光加工頭相連；
工作臺位于龍門框架的下方，床頭箱固定在工作臺的端部，尾座活動安裝在工 作臺上；第二伺服電機控制工作臺上的待加工工件與龍門框架相對移動；
控制器分別通過控制線與機器人及機器人滑臺連接。 上述技術(shù)方案可以采用下述改進方式的一種或幾種予以優(yōu)化( 一 )機器人滑臺 包括滑座和限位開關(guān)，滑座的底部上設(shè)有與直線導(dǎo)軌配合的凸臺，限位開關(guān)裝在滑座兩 側(cè)，通過信號線接到第一伺服電機；在滑座中部安裝有一個滾珠絲杠螺母，滾珠螺桿位 于龍門框架的橫梁中間，中部與安裝在滑座上的滾珠絲杠螺母相配合，末端與第一伺服 電機相連。(二)工作臺兩側(cè)對稱安裝有第一、第二立柱導(dǎo)軌，龍門框架的兩個立柱安裝 在立柱導(dǎo)軌上，構(gòu)成機械滑臺結(jié)構(gòu)，第二伺服電機驅(qū)動龍門框架沿立柱導(dǎo)軌移動。(三) 工作臺的滑槽上安裝有滑鞍，第二伺服電機帶動滑鞍沿工作臺上的滑槽移動。
本發(fā)明裝置可以實現(xiàn)一種新的數(shù)控激光加工方式，它將激光加工數(shù)控機床和關(guān) 節(jié)機器人集合起來，不僅克服了現(xiàn)有激光加工數(shù)控機床加工系統(tǒng)編程復(fù)雜、控制較難和 費用高的缺陷，而且解決了關(guān)節(jié)機器人激光加工裝置加工范圍小的問題。具體而言，本 發(fā)明具有以下技術(shù)效果 l.采用移動龍門結(jié)構(gòu)，機器人可以沿著龍門立柱橫梁方向直線運動，同時立柱 可以沿著直線導(dǎo)軌縱向移動，增加了兩個自由度，大大提高了機器人的加工范圍，從而 提高了加工系統(tǒng)的加工范圍； 2.采用固定龍門結(jié)構(gòu)，機器人也可以沿著龍門立柱橫梁方向直線運動，同時工 作臺滑鞍可以沿著工作臺縱向運動，同樣增加了系統(tǒng)兩個自由度，大大提高了加工系統(tǒng) 的加工范圍； 3.采用先進的多軸關(guān)節(jié)機器人，提高了系統(tǒng)的柔性和自動化控制能力。 一般 而言，現(xiàn)代的商業(yè)機器人本身已經(jīng)開發(fā)了強大的軟件控制系統(tǒng)，可以進行示教或者離線 編程，大大降低了復(fù)雜曲面加工的編程難度，提高了生產(chǎn)效率；此外，機器人本身一般 帶有自身開發(fā)的控制系統(tǒng)，從而使整個加工中心的控制系統(tǒng)設(shè)計得到簡化；而且隨著工業(yè)機器人在工業(yè)、物流等領(lǐng)域的逐漸普及，價格越來越低，從而整個系統(tǒng)的成本也將降低。 4.該加工系統(tǒng)的"刀具"為激光，激光器可以采用業(yè)已成熟的固體激光器(包括燈泵浦激光器、二極管泵浦全固態(tài)激光器、二極管激光器或者是光纖激光器)，其共同特點是激光束可以通過光纖傳輸，因此可以和機器人的柔性化運動過程相結(jié)合，提高激光加工的精度和效率。 5.工作臺都采用數(shù)控機床形式，是工件的裝夾和加工都非常方便，從而使該加工中心具有很大通用性。 6.激光加工頭可以根據(jù)加工需要進行跟換，大大提高了加工的通用性和實用性。 7.將機器人的六個軸以及系統(tǒng)其它軸的運動集成到控制器進行控制，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的多軸聯(lián)動控制。


圖1為本發(fā)明裝置的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖2為圖1的左視圖； 圖3為機器人滑臺4的主視圖； 圖4為本發(fā)明裝置的另一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖5為圖3的左視圖； 圖6為圖3的俯視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明均能滿足對大型工件的激光加工、控制相對簡單、成本較低的要求。
下面通過借助實施例更加詳細地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。 如圖l、 2所示，本發(fā)明提供的多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工裝置包括激光器l，冷卻機2，龍門框架3，機器人滑臺4，機器人5，滾珠螺桿6，床頭箱7，工作臺8，立柱導(dǎo)軌9、 9'，第一伺服電機IO，控制器ll，龍門立柱驅(qū)動系統(tǒng)12，尾座13，激光加工頭14。
激光器l可以是燈泵浦激光器、二極管泵浦全固態(tài)激光器、光纖激光器或者其它能夠方便通過光纖傳輸?shù)募す馄?，它主要是用來產(chǎn)生加工中心的"刀具"-激光，并對激光的參數(shù)進行控制和優(yōu)化。 冷卻機2通過冷卻管分別與激光器1及激光加工頭14相連，它通過冷卻管將冷卻介質(zhì)(水或者是空氣)壓入到激光器1和激光加工頭14中，對激光器1的部件和激光加工頭14中的鏡片進行冷卻，然后將介質(zhì)循環(huán)到冷卻機中。 龍門框架3主要用來支撐多軸工業(yè)機器人并擴大機器人的加工范圍。龍門框架3的橫梁上安裝有第一直線導(dǎo)軌19。 工作臺8固結(jié)在地基上，并位于龍門框架3的下方。工作臺臺面分布有等距的
T型槽，可以安裝不同大小的夾具，從而達到加工不同大小工件的目的。 立柱導(dǎo)軌9、 9'也為直線導(dǎo)軌，對稱安裝在工作臺8兩側(cè)。龍門框架3的兩個立柱安裝在立柱導(dǎo)軌9、 9'上，與立柱導(dǎo)軌9、 9'構(gòu)成機械滑臺結(jié)構(gòu)。第二伺服電機12安裝在其中一個立柱導(dǎo)軌旁，與機械滑臺進給部分相連，驅(qū)動龍門框架3可以沿立柱導(dǎo)軌9、 9'移動。 機器人滑臺4安裝在龍門框架3的橫梁上的直線導(dǎo)軌19上。機器人滑臺4包括滑座15和限位開關(guān)16?；?5的底部上設(shè)有與直線導(dǎo)軌19配合的凸臺18，可沿直線導(dǎo)軌19進行移動。限位開關(guān)16裝在滑座15兩側(cè)，通過信號線接到第一伺服電機IO，當(dāng)滑座15移動到直線導(dǎo)軌19的兩個末端時，限位開關(guān)15將會報警并會使第一伺服電機10緊急停止。 在滑座15中部安裝有一個滾珠絲杠螺母17，滾珠螺桿6位于龍門框架3的橫梁中間，中部與安裝在滑座15上的滾珠絲杠螺母17相配合，末端與第一伺服電機10相連。滾珠螺桿6與滾珠絲杠螺母17組成一對絲杠副，從而達到承載機器人橫向移動的功能。 第一伺服電機10安裝在龍門框架3立柱上，伺服電機的主軸與滾珠螺桿6的一端相連接，主要用來驅(qū)動和控制絲杠運動。 通過伺服電機10帶動滾珠絲杠副運動，后者帶動機器人滑臺4在橫梁導(dǎo)軌上移動。 機器人5—般采用三軸至六軸的工業(yè)機器人，固結(jié)在機器人滑臺4上，通過機器人滑臺4倒掛在龍門立柱4的橫梁上面，可以隨著機器人滑臺4的移動而同步移動。多軸工業(yè)機器人在控制器ll的控制下，將激光加工頭14送到指定的位置，從而完成對工件三維立體加工。 激光加工頭14通過法蘭盤固結(jié)在機器人1的最后一個關(guān)節(jié)末端，并通過光纖與激光器1相連。激光加工頭14相當(dāng)于機械加工中的刀具。激光加工頭14可根據(jù)不同的加工需要進行更換，比如激光焊接時使用的焊接加工頭，激光切割時使用切割加工頭。
床頭箱7和尾座13均安裝在工作臺8上，用來加緊工件和控制工件轉(zhuǎn)動的速度。床頭箱7固定在工作臺一端，尾座安裝在工作臺8上面的型槽上，可以沿著T型槽進行運動。尾座可以采用通用的結(jié)構(gòu)，包括尾座基座和頂尖構(gòu)成，頂尖用來對工件進行對中和夾緊工件，基座可以在工作臺的T型槽里進行移動，達到調(diào)整頂尖與床頭箱7的距離，從而使加工系統(tǒng)能加工不同尺寸范圍的工件。 控制器ll是整個加工系統(tǒng)的核心部分，它具備下面幾個功能
1.控制多軸工業(yè)機器人4的運動。我們可以通過操作面板手動控制機器人各軸運動，也可以通過示教編程或者離線編程控制機器人按照我們預(yù)定的軌跡進行運動。
2.控制龍門加工機床的另外三個軸運動。工作臺床頭箱7的伺服電機、第一伺
服電機以及第二伺服電機都通過i/o接口連接到機器人的控制器上，這樣我們就可以通過
控制器ll來設(shè)置它們的運動參數(shù)，包括轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動圈數(shù)，相當(dāng)于將6關(guān)節(jié)機器人擴展成為6+2軸或者6+3軸機器人結(jié)構(gòu)。 3.控制激光器1。激光器l通過I/0接口連接到控制器上，這樣我們就可以通過控制器控制激光器1的開光、關(guān)光以及激光器的功率設(shè)置等。
工作流程 l.測試加工中心的各部分是否運行正常，包括激光器l、冷卻機2、機器人5、工作臺8和激光加工頭14等。 2.根據(jù)待加工零件的長度調(diào)整床頭箱7、尾座13的距離，將待加工零件裝夾在 床頭箱7和尾座13之間。 3.在機器人5調(diào)整到加工的初始位置，并建立基坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系。
4.根據(jù)待加工工件的三維幾何尺寸，運用機器人語言進行離線編程。
5.將編程程序輸入控制器11，并示教測試。
6.測試結(jié)果無誤后，進行正式加工。
7.加工完畢，關(guān)閉加工中心各部件。 本發(fā)明裝置也可以采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)，它包括以下幾個部分激光器l，激 光冷卻機2，龍門框架3，滑臺4，機器人5，滾珠螺桿6，工作臺8，滑鞍20，第一伺服 電機IO，控制器ll，第二伺服電機12，激光加工頭14。該結(jié)構(gòu)與圖l所示的結(jié)構(gòu)有以 下區(qū)別 (1)龍門框架3與上一方案中龍門框架3不同，龍門框架3固定在工作臺中部， 不能移動； (2)滑鞍20安裝在工作臺8的滑槽上，可以在第二伺服電機12的作用下沿著工 作臺進行運動 在功能上區(qū)別是龍門移動式方案是依靠龍門框架3的運動來擴大系統(tǒng)的加工 范圍；而龍門固定式是依靠滑鞍20來擴大系統(tǒng)的加工范圍。
其他部件在功能和結(jié)構(gòu)上基本與前一種方案相同。 以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖 所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā) 明保護的范圍。
權(quán)利要求
一種數(shù)控激光加工裝置，其特征在于該裝置包括激光器(1)，冷卻機(2)，龍門框架，機器人滑臺(4)，機器人(5)，床頭箱(7)，工作臺(8)，立柱導(dǎo)軌，第一、第二伺服電機(10、12)，控制器(11)，尾座(13)和激光加工頭(14)；龍門框架的橫梁上安裝有直線導(dǎo)軌，機器人滑臺(4)安裝在龍門框架(3)的橫梁上的直線導(dǎo)軌(19)上，第一伺服電機(10)安裝在龍門框架(3)的立柱上，第一伺服電機(10)控制機器人滑臺(4)沿直線導(dǎo)軌(19)移動；機器人(5)為三軸以上的工業(yè)機器人，固定安裝在機器人滑臺(4)上，通過機器人滑臺(4)倒掛在龍門立柱(4)的橫梁上面，激光加工頭(14)安裝在機器人(5)的最后一個關(guān)節(jié)末端上；激光加工頭(14)通過光纖與激光器(1)相連；冷卻機(2)通過冷卻管分別與激光器(1)及激光加工頭(14)相連；工作臺(8)位于龍門框架的下方，床頭箱(7)固定在工作臺(8)的端部，尾座(13)活動安裝在工作臺(8)上；第二伺服電機(12)控制工作臺(8)上的待加工工件與龍門框架(3)相對移動；控制器(11)分別通過控制線與機器人(5)及機器人滑臺(4)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控激光加工裝置，其特征在于機器人滑臺(4)包括滑座(15) 和限位開關(guān)(16)，滑座(15)的底部上設(shè)有與直線導(dǎo)軌(19)配合的凸臺(18)，限位開關(guān)(16) 裝在滑座(15)兩偵U，通過信號線接到第一伺服電機(10);在滑座(15)中部安裝有一 個滾珠絲杠螺母(17)，滾珠螺桿(6)位于龍門框架(3)的橫梁中間，中部與安裝在滑座(15) 上的滾珠絲杠螺母(17)相配合，末端與第一伺服電機(10)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控激光加工裝置，其特征在于工作臺(8)兩側(cè)對稱 安裝有第一、第二立柱導(dǎo)軌(9、 9')，龍門框架(3)的兩個立柱安裝在立柱導(dǎo)軌(9、 9') 上，構(gòu)成機械滑臺結(jié)構(gòu)，第二伺服電機(12)驅(qū)動龍門框架(3)沿立柱導(dǎo)軌(9、 9')移動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控激光加工裝置，其特征在于工作臺(8)的滑槽上 安裝有滑鞍(20)，第二伺服電機(12)帶動滑鞍(20)沿工作臺上的滑槽移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多軸聯(lián)動數(shù)控激光加工裝置，其結(jié)構(gòu)為龍門框架的橫梁上安裝有直線導(dǎo)軌，機器人滑臺安裝在直線導(dǎo)軌上，第一伺服電機安裝在龍門框架的立柱上，電機控制機器人滑臺沿直線導(dǎo)軌移動；機器人固結(jié)在機器人滑臺上，通過滑臺倒掛在龍門立柱的橫梁上面，激光加工頭安裝在機器人上；加工頭通過光纖與激光器相連；冷卻機通過冷卻管分別與激光器及激光加工頭相連；工作臺位于龍門框架的下方，床頭箱固定在工作臺的端部，尾座活動安裝在工作臺上；第二伺服電機控制工作臺上的待加工工件與龍門框架相對移動；控制器分別通過控制線與機器人及滑臺連接。該裝置提高了激光加工的柔性化和自動化控制能力，可以滿足大尺寸和超大尺寸零部件的數(shù)控激光加工要求。
文檔編號B23K26/42GK101690994SQ20091027236
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者吳哪吒, 曾曉雁, 李祥友, 杜敏, 段軍, 胡乾午, 高明 申請人:華中科技大學(xué)