高精度柔性雷射加工系統的製作方法

2024-02-11 01:48:15 1

本發明涉及到一種雷射加工設備，具體是一種多功能雷射加工系統。

背景技術：

雷射具有可聚焦性、高能量密度、柔性傳導特性以及可實現快速、準確加工的特點，因此雷射優於傳統熱源。雷射加工是一門發展迅速的高新技術，已成為發展新興產業，改造傳統製造業的關鍵技術之一。各種雷射（熔覆、焊接、淬火、切割、微造型、清洗、複合焊等）系統和設備已經或正在進入各工業領域，諸如醫療器械、汽車、機械製造、鋼鐵、冶金、石油等，為傳統工業技術改造和製造業的現代化提供了先進的技術裝備。

在工業製造中一個工件往往需要多種雷射加工，例如雷射切割、雷射焊接、雷射熔覆、雷射淬火、雷射清洗、雷射微造型等，如果這些工序分步加工則需要重新定位裝夾，這樣就會產生定位誤差，如果一次裝夾進行多種類型的雷射加工則可以提高製造的精度，從而改進產品的質量。對於企業的新產品研發部門，多功能的雷射加工設備可以縮短新產品的研發周期，降低投入成本。高校科研院所往往要研究多種雷射加工的工藝特性，現有的雷射加工設備不能滿足這種需求。當前對於集成如此多功能的雷射加工設備的研究較少，現有的發明專利中最多的只有集成三種雷射加工的加工設備，這些加工設備不足於解決科研院所和企業所面臨的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服以上的不足，提供一種高精度柔性雷射加工系統，該系統可以實現一次裝夾後進行多種雷射加工，避免重複裝夾所帶來的定位誤差提高零部件的加工精度。

本發明公開了一種高精度柔性雷射加工系統，包括雷射系統、機械運動成形系統、雷射頭頭庫系統、控制系統、輔助系統；所述雷射系統為雷射加工提供光源，所述雷射系統由雷射器和雷射頭組成，雷射器產生的雷射通過光纖傳導到雷射頭中；所述機械運動成形系統為雷射加工提供所需的表面成形運動，所述機械運動成形系統由機器人、直線導軌滑臺、工作檯、主軸箱和尾座、數控分度盤組成，所述機器人安裝在直線導軌滑臺上，工作檯設置在直線導軌滑臺旁邊，主軸箱和尾座安裝在工作檯上，雷射頭以及相關的輔助設備安裝在機器人手臂末端；雷射頭頭庫系統包括換頭機械手，雷射頭類型識別傳感器，雷射頭頭庫，雷射頭放置傳送鏈；輔助系統包括送粉機、弧焊電源、送絲機；控制系統包括主控制器、機器人控制器、直線導軌滑臺控制器，主控制器連接著機器人控制器、直線導軌滑臺控制器、送粉機控制器、弧焊電源控制器、雷射器控制器，控制系統存儲有雷射加工工藝的資料庫；雷射頭通過快速換接器安裝在機械運動成形系統中的機器人手臂上，快速換接器與雷射頭頭庫系統配合應用可以實現雷射頭的快速換接，從而使該高精度柔性雷射加工系統實現功能的快速切換，快速換接器上有定位裝置和夾緊裝置，定位裝置使用定位擋塊，夾緊裝置使用氣動夾具。

本發明的進一步改進在於：所述雷射器有連續雷射器和脈衝雷射器兩種。

本發明的進一步改進在於：雷射頭有熔覆雷射頭、焊接雷射頭、淬火雷射頭、切割雷射頭、微造型雷射頭、清洗雷射頭、複合焊雷射頭7種雷射頭，控制系統存儲有雷射熔覆、雷射焊接、雷射淬火、雷射切割、雷射微造型、雷射清洗、雷射複合焊這7種雷射加工工藝的資料庫。

雷射熔覆是通過在基體材料表面添加熔覆材料，並利用高能密度的雷射束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層。雷射熔覆根據工件的工況要求，熔覆各種設計成分的金屬或者非金屬，製備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面塗層。本發明高精度柔性雷射加工系統實現3D雷射熔覆的方法是，機器人手臂末端換裝雷射熔覆頭連並接好輔助設備後，高達9個自由度的機械運動成形系統可以進行三維的表面成形運動使得雷射熔覆頭精確的跟隨著工件的表面，雷射熔覆頭上可以進行連續的同軸送粉使得合金粉末噴塗並熔覆在工件表面。雷射熔覆加工選用的雷射器是連續雷射器。

雷射焊接是利用高能量密度的雷射束作為熱源的一種高效精密焊接方法。雷射焊接屬於熱傳導焊接，無論是鋼還是鋁合金的熱傳導焊接過程都比較平靜、穩定，其焊接質量也較好，一般不會產生焊接缺陷。本發明高精度柔性雷射加工系統實現3D雷射焊接的方法是，機器人手臂末快速換接器的換裝雷射焊接頭連接好輔助設備後，高達9個自由度的機械運動成形系統可以進行三維的表面成形運動使得雷射焊接頭精確的跟隨著工件的表面，雷射焊接頭上可以同軸輸送保護氣體可以防止焊縫氧化。雷射焊接加工選用的雷射器是連續雷射器。

雷射淬火可以在鋼和鑄鐵零部件表面形成較硬的耐磨層，這種技術特別適合幾何形狀複雜或尺寸較小的零部件表面。本發明高精度柔性雷射加工系統的機械運動成形系統具有高達9個自由度，高精度機器人手臂末端換接淬火雷射頭後可以在幾何形狀複雜的零部件表面進行進行3D雷射淬火。雷射淬火選用的雷射器是連續雷射器，雷射頭選用的是淬火雷射頭。

雷射切割是利用高功率密度雷射束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續形成寬度很窄的切縫，完成對材料的切割。本發明可以在複雜的零件表面實現3D雷射切割，進行雷射切割時高精度工業機器人手臂末端要換接切割雷射頭，雷射頭需要通過光纖連接雷射器。雷射切割選用的雷射器為連續雷射器。

雷射複合焊是除雷射作為熱源外，具有第二種熱源與雷射同時作用於同一焊接熔池。第二種熱源為焊接熔池提供額外的熱量，與此同時，也提供填充材料。本發明高精度雷射柔性加工系統換接複合焊雷射連接相關複合焊設備即可實現該功能。複合焊雷射頭旁邊安裝有MIG焊槍，焊槍與弧焊電源連接，並通過送絲機送絲。

雷射微造型是在摩擦副表面加工出具有減小磨損提高硬度的微觀形貌，該微觀形貌具有存儲潤滑油，和捕捉磨粒的作用。本發明高精度柔性加工系統只需要換接微造型雷射頭和連接脈衝雷射器就可以切換到雷射加工微造型功能。

雷射清洗是採用脈衝或者連續雷射輻照表面層的情況下，發生在雷射與材料之間的區域的、無接觸的相互作用，該作用使材料的表層發生蒸發而去除。本發明高精度柔性雷射加工系統通過換接機器人手臂末端的雷射頭就可以實現對複雜表面的雷射清洗。換接的清洗雷射頭需要通過光纖連接脈衝雷射器。

本發明的進一步改進在於：機械運動成形系統具有三種組合形式，分別為臥式形式、立式形式和數控分度盤形式，臥式形式為主軸箱和尾座對應安裝在工作檯上，工件裝夾在主軸箱和尾座的中間，這種安裝形式主要用於大型長迴轉體工件的加工如軋輥；立式形式主要用於直徑較大而短的迴轉體零件的加工；數控分度盤形式主要用於球形工件的加工。

本發明的進一步改進在於：雷射頭頭庫系統具有自動選擇雷射頭和換接雷射頭的功能，雷射頭庫中的雷射頭放在傳送鏈上，傳送鏈上有放置雷射頭的對應位置，且位置上安裝有識別定位標籤，每個雷射頭也都有一個識別定位標籤，該標籤與傳送鏈上雷射頭放置位置上的標籤相關連，雷射頭庫上安裝有專用換雷射頭的機械手。

本發明的進一步改進在於：換雷射頭的步驟為：加工過程中需要換雷射頭時，工業機器人將手臂末端通過快速換接器夾持的雷射頭移動到雷射頭庫特定的換頭位置， 專用換頭機械手夾持住雷射頭，快速換接器鬆開夾持的雷射頭，專用換頭機械手中安裝有傳感器，該傳感器可以識別雷射頭上的標籤，這時雷射頭頭庫將放置雷射頭的傳送鏈移動到特定位置，然後專用換頭機械手將雷射頭放置定位在該位置上，接著，雷射頭頭庫轉動傳動鏈使要換的雷射頭移動到特定位置，換頭機械手夾持雷射頭並將雷射頭安裝在工業機器人的快速換接器上，到此完成整個換雷射頭過程。

本發明與現有技術相比的有益效果是：本發明中雷射頭通過快速換接器安裝在機械運動成形系統中的機器人手臂上，快速換接器可以與雷射頭頭庫配合使用實現雷射頭的快速自動換接，從而使該高精度柔性雷射加工系統實現功能的快速切換。

附圖說明：

圖1是本發明中機械運動成形系統臥式形式的結構圖；

圖2是本發明中機械運動成形系統立式形式的結構圖；

圖3是本發明中機械運動成形系統數控分度盤形式的結構圖；

圖4是換雷射頭的流程圖；

圖中標號：1-主軸箱、2-工作檯、3-尾座、4-熔覆雷射頭、5-快速換接器、6-高精度機器人、7-直線導軌滑臺、8-雷射頭庫、9-淬火雷射頭、10-焊接雷射頭、11-切割雷射頭、12-複合焊雷射頭、13-微造型雷射頭、14-清洗雷射頭、15-送粉器、16-總控制櫃、17-連續雷射器、18-機器人控制櫃、19-脈衝雷射器、20-弧焊電源、21-送絲機、22-數控分度盤。

具體實施方式：

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發明的一種實施方式中描述的元素和特徵可以與一個或更多個其它實施方式中示出的元素和特徵相結合。應當注意，為了清楚的目的，說明中省略了與本發明無關的、本領域普通技術人員已知的部件和處理的表示和描述。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

一種高精度柔性雷射加工系統，包括雷射系統、機械運動成形系統、控制系統、輔助系統；所述雷射系統為雷射加工提供光源，所述雷射系統由雷射器和雷射頭組成，雷射器產生的雷射通過光纖傳導到雷射頭中；所述機械運動成形系統為雷射加工提供所需的表面成形運動，所述機械運動成形系統由機器人、直線導軌滑臺、工作檯、主軸箱和尾座、數控分度盤組成，所述機器人安裝在直線導軌滑臺上，工作檯設置在直線導軌滑臺旁邊，主軸箱和尾座安裝在工作檯上，雷射頭以及相關的輔助設備安裝在機器人手臂末端；輔助系統包括送粉機、弧焊電源、送絲機；控制系統包括主控制器、機器人控制器、直線導軌滑臺控制器，主控制器連接著機器人控制器、直線導軌滑臺控制器、送粉機控制器、弧焊電源控制器、雷射器控制器，控制系統存儲有雷射加工工藝的資料庫；雷射頭通過快速換接器安裝在機械運動成形系統中的機器人手臂上，快速換接器可以實現雷射頭的快速換接，從而使該高精度柔性雷射加工系統實現功能的快速切換，快速換接器上有氣動夾具。雷射器有連續雷射器和脈衝雷射器兩種，雷射器中配套設有水冷系統。雷射頭有熔覆雷射頭、焊接雷射頭、淬火雷射頭、切割雷射頭、微造型雷射頭、清洗雷射頭、複合焊雷射頭7種雷射頭，控制系統存儲有雷射熔覆、雷射焊接、雷射淬火、雷射切割、雷射微造型、雷射清洗、雷射複合焊這7種雷射加工工藝的資料庫。

雷射頭放置的雷射頭庫中，具有自動選擇雷射頭和換接雷射頭的功能，雷射頭庫中的雷射頭放在傳送鏈上，傳送鏈上有放置雷射頭的對應位置，且位置上安裝有識別定位標籤，每個雷射頭也都有一個識別定位標籤，該標籤與傳送鏈上雷射頭放置位置上的標籤相關連，雷射頭庫上安裝有專用換雷射頭的機械手。如圖4所示，換雷射頭的步驟為：加工過程中需要換雷射頭時，工業機器人將手臂末端通過快速換接器夾持的雷射頭移動到雷射頭庫特定的換頭位置， 專用換頭機械手夾持住雷射頭，快速換接器鬆開夾持的雷射頭，專用換頭機械手中安裝有傳感器，該傳感器可以識別雷射頭上的標籤，這時雷射頭頭庫將放置雷射頭的傳送鏈移動到特定位置，然後專用換頭機械手將雷射頭放置定位在該位置上，接著，雷射頭頭庫轉動傳動鏈使要換的雷射頭移動到特定位置，換頭機械手夾持雷射頭並將雷射頭安裝在工業機器人的快速換接器上，到此完成整個換雷射頭過程。

如圖1所示，工作檯2上安裝有主軸箱1和尾座3，主軸箱1和尾座之3間裝夾需要加工的工件。在工作檯2的旁邊安裝有直線導軌滑臺7，直線導軌滑臺7上安裝有6軸的高精度工業機器人6，高精度工業機器人6的手臂末端安裝有快速換接器5，快速換接器5連接著雷射器4和機器人手臂末端。直線導軌的旁邊安裝有專門放置雷射頭的雷射頭庫，該雷射頭庫中有雷射頭換接臂，和雷射頭傳送鏈裝置，該裝置可以實現自動選擇和換接雷射頭。在機械運動成形系統的旁邊安裝有送粉器15，送粉器是在雷射熔覆加工中為熔覆雷射頭提供粉末。送粉器旁邊有氣源，送粉器中的粉末以保護氣為載體通過皮管送到熔覆雷射頭中。送粉器15的旁邊放置有主控制櫃16和高精度機器人控制櫃18，在在控制櫃和送粉機的後面放置有連續雷射器17、脈衝雷射器19、弧焊電源20和送絲機21。

如圖2所示為本發明高精度柔性雷射加工系統中機械運動成型系統的立式形式，其結構除了工作檯上安裝的設備與臥式形式不同其餘都相同。其不同之處在於工作檯上只安裝主軸箱，且主軸箱垂直放置。該形式主要用於直徑較大軸向長度較短的材料。

如圖3所示為本發明高精度柔性雷射加工系統中機械運動成型系統的數控分度盤形式，其結構除了工作檯上安裝的設備與臥式形式不同其餘都相同。其不同之處在於工作檯上面只安裝數控分度盤裝置22，該數控分度盤可以實現兩軸的高精度轉動，該種形式主要用於加工球形材料和複雜的曲面。

雷射熔覆加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接熔覆雷射頭4，熔覆雷射頭4需要通過光纖連接連續雷射器17，同時主控制器開啟送粉機15，並根據主控器中存儲的雷射熔覆工藝參數進行雷射熔覆加工。

雷射焊接加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接焊接雷射頭10，焊接雷射頭10需要通過光纖連接連續雷射器17，同時主控器根據其存儲的雷射焊接工藝參數進行雷射焊接加工。

雷射淬火加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接淬火雷射頭9，淬火雷射頭9需要通過光纖連接連續雷射器17，同時主控器根據其存儲的雷射淬火工藝參數進行雷射淬火加工。

雷射切割加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接切割雷射頭11，切割雷射頭11需要通過光纖連接連續雷射器17同時主控器根據其存儲的雷射切割工藝參數進行雷射切割加工。

雷射複合焊加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接複合焊雷射頭12，複合焊雷射頭12需要通過光纖連接連續雷射器17，同時主控制器開啟弧焊電源20和送絲機21，並根據主控器中存儲的雷射複合焊工藝參數進行雷射複合焊加工。

雷射微造型加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接微造型雷射頭13，微造型雷射頭13需要通過光纖連接脈衝雷射器19同時主控器根據其存儲的雷射微造型工藝參數進行雷射微造型加工。

雷射清洗加工時高精度工業機器人6需要通過換接器5換接清洗雷射頭14，清洗雷射頭14需要通過光纖連接脈衝雷射器17同時主控器根據其存儲的雷射清洗工藝參數進行雷射清洗加工。

最後應說明的是：雖然以上已經詳細說明了本發明及其優點，但是應當理解在不超出由所附的權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。而且，本發明的範圍不僅限於說明書所描述的過程、設備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領域內的普通技術人員從本發明的公開內容將容易理解，根據本發明可以使用執行與在此所述的相應實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結果的、現有和將來要被開發的過程、設備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權利要求旨在在它們的範圍內包括這樣的過程、設備、手段、方法或者步驟。