專利名稱：一種數控激光加工裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光加工領域，具體涉及一種數控激光加工裝置。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：
近年來，高功率激光加工技術因其加工效率高、無機械接觸、易于實現自動化 等一系列優點，在工業領域正得到越來越廣泛的應用。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系統、聚焦方式 等密切相關。當我們改變激光的輸出功率、輸出脈沖頻率或占空比等參數時，或者改變 激光加工頭的結構(如切割頭、焊接頭等)，激光加工工藝將會發生性質的變化，如從激 光切割變為激光焊接或者激光表面強化處理等，而相應的機械結構、控制系統等幾乎無 需改動。這樣，我們就可以利用改變激光加工參數(包括工藝參數和加工頭)的方法使某 臺單功能的激光加工設備變為多功能的激光加工裝置，實現智能柔性加工。
目前的機器人激光加工裝置常有兩種形式 一種是基于常規數控機床的激光加 工設備(以下簡稱數控激光加工機床)，它的通用性好，不僅能滿足光纖傳輸的固體激光 器激光加工的要求，而且滿足依靠光學鏡片的反射傳輸的C02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，能夠滿足各種復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。 現有的數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，稱為五軸聯動激光加工裝置，它包括三個平動軸和二個回轉 軸，可以加工大尺寸范圍的復雜零件。但是在實際加工中卻有其自身的技術難度
l.編程復雜，難度大。因為五軸加工除了三個直線平動外，還有兩個旋轉運動 參與，其合成的運動的空間軌跡相當復雜和抽象。為了加工出所需的空間自由曲面，往 往需要多次坐標變換和復雜的空間集合運算，同時還要考慮各軸運動的協調性，避免干 涉、沖撞，編程難度相當大。 2.對數控和伺服系統要求高。由于五軸加工要協調控制五個軸，數控系統必 須要有五軸聯動的控制功能；另外合成運動有回轉運動的加入，增加了插補運算的工作 量；回轉運動的微小誤差有可能放大，為了避免影響加工的精度，要求數控系統要有極 高的運算速度。 激光機器人加工系統一般采用關節式機器人，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，較高的生產效率。但是目前多數的機器人在應用 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、船舶等大型復雜零件的加工無能 為力。

發明內容
針對上述問題，本發明提出了一種數控激光加工裝置，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控激光加工要 求。 本發明提供的數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軌，機器人滑臺安裝在龍門框架的橫梁上的直 線導軌上，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 線導軌移動； 機器人為三軸以上的工業機器人，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節末端上；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。 上述技術方案可以采用下述改進方式的一種或幾種予以優化( 一 )機器人滑臺 包括滑座和限位開關，滑座的底部上設有與直線導軌配合的凸臺，限位開關裝在滑座兩 側，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)工作臺兩側對稱安裝有第一、第二立柱導軌，龍門框架的兩個立柱安裝 在立柱導軌上，構成機械滑臺結構，第二伺服電機驅動龍門框架沿立柱導軌移動。(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。
本發明裝置可以實現一種新的數控激光加工方式，它將激光加工數控機床和關 節機器人集合起來，不僅克服了現有激光加工數控機床加工系統編程復雜、控制較難和 費用高的缺陷，而且解決了關節機器人激光加工裝置加工范圍小的問題。具體而言，本 發明具有以下技術效果 l.采用移動龍門結構，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 提高了加工系統的加工范圍； 2.采用固定龍門結構，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，同樣增加了系統兩個自由度，大大提高了加工系統 的加工范圍； 3.采用先進的多軸關節機器人，提高了系統的柔性和自動化控制能力。 一般 而言，現代的商業機器人本身已經開發了強大的軟件控制系統，可以進行示教或者離線 編程，大大降低了復雜曲面加工的編程難度，提高了生產效率；此外，機器人本身一般 帶有自身開發的控制系統，從而使整個加工中心的控制系統設計得到簡化；而且隨著工業機器人在工業、物流等領域的逐漸普及，價格越來越低，從而整個系統的成本也將降低。 4.該加工系統的"刀具"為激光，激光器可以采用業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合，提高激光加工的精度和效率。 5.工作臺都采用數控機床形式，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其它軸的運動集成到控制器進行控制，可以實現系統的多軸聯動控制。


圖1為本發明裝置的一種具體實施方式
的結構主視圖； 圖2為圖1的左視圖； 圖3為機器人滑臺4的主視圖； 圖4為本發明裝置的另一種具體實施方式
的結構主視圖； 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明，但以下實施例僅是說明性的，本發明的保護范圍并不受這些實施例的限制。 如圖l、 2所示，本發明提供的多軸聯動數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，立柱導軌9、 9'，第一伺服電機IO，控制器ll，龍門立柱驅動系統12，尾座13，激光加工頭14。
激光器l可以是燈泵浦激光器、二極管泵浦全固態激光器、光纖激光器或者其它能夠方便通過光纖傳輸的激光器，它主要是用來產生加工中心的"刀具"-激光，并對激光的參數進行控制和優化。 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(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，然后將介質循環到冷卻機中。 龍門框架3主要用來支撐多軸工業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軌19。 工作臺8固結在地基上，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。 立柱導軌9、 9'也為直線導軌，對稱安裝在工作臺8兩側。龍門框架3的兩個立柱安裝在立柱導軌9、 9'上，與立柱導軌9、 9'構成機械滑臺結構。第二伺服電機12安裝在其中一個立柱導軌旁，與機械滑臺進給部分相連，驅動龍門框架3可以沿立柱導軌9、 9'移動。 機器人滑臺4安裝在龍門框架3的橫梁上的直線導軌19上。機器人滑臺4包括滑座15和限位開關16。滑座15的底部上設有與直線導軌19配合的凸臺18，可沿直線導軌19進行移動。限位開關16裝在滑座15兩側，通過信號線接到第一伺服電機IO，當滑座15移動到直線導軌19的兩個末端時，限位開關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在橫梁導軌上移動。 機器人5—般采用三軸至六軸的工業機器人，固結在機器人滑臺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通過法蘭盤固結在機器人1的最后一個關節末端，并通過光纖與激光器1相連。激光加工頭14相當于機械加工中的刀具。激光加工頭14可根據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構，包括尾座基座和頂尖構成，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，達到調整頂尖與床頭箱7的距離，從而使加工系統能加工不同尺寸范圍的工件。 控制器ll是整個加工系統的核心部分，它具備下面幾個功能
1.控制多軸工業機器人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來設置它們的運動參數，包括轉動速度和轉動圈數，相當于將6關節機器人擴展成為6+2軸或者6+3軸機器人結構。 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、關光以及激光器的功率設置等。
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.根據待加工零件的長度調整床頭箱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調整到加工的初始位置，并建立基坐標系和工具坐標系。
4.根據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.測試結果無誤后，進行正式加工。
7.加工完畢，關閉加工中心各部件。 本發明裝置也可以采用如圖4所示的結構，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。該結構與圖l所示的結構有以 下區別 (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的運動來擴大系統的加工 范圍；而龍門固定式是依靠滑鞍20來擴大系統的加工范圍。
其他部件在功能和結構上基本與前一種方案相同。 以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限于該實施例和附圖 所公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發 明保護的范圍。
權利要求
一種數控激光加工裝置，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軌，機器人滑臺(4)安裝在龍門框架(3)的橫梁上的直線導軌(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)沿直線導軌(19)移動；機器人(5)為三軸以上的工業機器人，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)的最后一個關節末端上；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. 根據權利要求1所述的數控激光加工裝置，其特征在于機器人滑臺(4)包括滑座(15) 和限位開關(16)，滑座(15)的底部上設有與直線導軌(19)配合的凸臺(18)，限位開關(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. 根據權利要求1或2所述的數控激光加工裝置，其特征在于工作臺(8)兩側對稱 安裝有第一、第二立柱導軌(9、 9')，龍門框架(3)的兩個立柱安裝在立柱導軌(9、 9') 上，構成機械滑臺結構，第二伺服電機(12)驅動龍門框架(3)沿立柱導軌(9、 9')移動。
4. 根據權利要求1或2所述的數控激光加工裝置，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
本發明公開了一種多軸聯動數控激光加工裝置，其結構為龍門框架的橫梁上安裝有直線導軌，機器人滑臺安裝在直線導軌上，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軌移動；機器人固結在機器人滑臺上，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 優先權日2009年9月30日
發明者吳哪吒, 曾曉雁, 李祥友, 杜敏, 段軍, 胡乾午, 高明 申請人:華中科技大學