一種三維運動光束頭的製作方法

2023-05-18 22:29:41 1

專利名稱：一種三維運動光束頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射製造技術，具體為一種可實現三維運動，特別適於
複雜零部件雷射製造或再製造的光束頭，國際專利分類號擬為Int.CLB05B 7/00 ( 2006. 01 )。
背景技術：
現有普通雷射製造或再製造的光東頭只能做二維平面加工。為解決普通 雷射製造或再製造的光束頭工作空間限制，以及因為雷射束不能垂直加工對 象的表面而引起的焦距、光斑等一系列決定性參數不穩定,使得雷射加工效果 不理想的問題。
國內外研究人員已經相繼開發出多種雷射加工光東頭，如英國的利物浦 大學研究人員、美國的一些國家實驗室研究人員、德國宇航研究院研究人員、 臺灣和韓國的一些大學都開展了此項研究。有些還取得了一定的成果，研製
出了具有實用價值的二維同軸送粉工作頭，並且進行了一些應用試驗。如德 國宇航研究院利用二維光東頭對葉片和蝸杆進行的快速製造取得了良好的效 果。
目前國內研製出來的光束頭都是只能進行二維平面加工，對於空間三維 加工就無能為力。空間某物體的自由運動要用六個坐標來描述。雖然雷射具 有很強的方向性，但雷射東有一定的發散性，如果雷射東不能垂直加工表面， 將引起焦距,光斑等一系列決定性參數的不穩定，使得加工效果不理想.加工 中不能忽略這一因素，而把焦點看成理想的一點.因此在對複雜形面加工時， 傳統的做法是雷射東頭不動，將工件做一定的移動或轉動，以實現重新聚焦。 但是對於大型工件這種做法無疑是不可行的，而且多次裝夾，無疑會使加工 精度和質量無法保證。考慮上述因素，設計一種三維運動光東頭，讓光東頭在 加工過程中具有三維工作能力，實現複雜形面零件的製造及再製造是一個新 課題。

實用新型內容
針對上述技術的不足，本實用新型要解決的技術問題是提供一種三維 運動光束頭，它可作空間三維運動，實現複雜零件的雷射製造和再製造，並 具有結構簡單，靈活性強，方便可調，精度高，不汙染環境等優點。
本實用新型解決所述的技術問題的技術方案是設計一種三維運動光東 頭，其特徵在於它包括導光部分和傳動部分；所述的導光部分包括垂直相貫 的導光套簡與反射鏡簡，與反射鏡簡平行連通的聚焦鏡簡，與聚焦鏡簡垂直
相貫的出光簡；在所述反射鏡簡內的垂直相貫處裝有反射鏡，在所述聚焦鏡 簡內的垂直相貫處裝有聚焦鏡；所述的反射鏡和聚焦鏡分別由反射鏡鎖緊機 構和聚焦鏡鎖緊機構鎖緊；光路設計為雷射依次經導光套簡、反射鏡簡和 反射鏡反射，進入聚焦鏡簡併由聚焦鏡聚焦後由出光簡出光；所述的傳動部 分包括；可使三維運動光東頭繞豎直軸做旋轉運動的上步進電機及其傳動的 第一齒輪組，第一齒輪組內的垂直角接觸球軸承組安裝在導光套簡上；可使 三維運動光東頭繞水平軸做旋轉運動的下步進電機組及其傳動的第二齒輪 組，第二齒輪組內的水平角接觸球軸承組安裝在聚焦鏡簡上；第一電機支架 支撐上步進電機並固裝在導光套簡上，第二電機支架支撐下步進電機並固裝 在反射鏡簡上；所述的垂直角接觸軸承組和水平角接觸軸承組均包括兩個向 心角接觸軸承，且每組的兩個軸承採用面對面方式安裝。
與現有技術相比，本實用新型設計的一種三維運動光束頭，特別適於復 雜零部件雷射製造或再製造，可以按數控工具機數控代碼的要求實現光束頭的 一個直線運動和兩個迴轉運動的三維運動，並具有結構簡單，靈活，方便調 節，精度高等優點。


圖l是本實用新型三維運動光束頭一種實施例的整體結構示意圖(圖中 未標示文字的箭頭指示了光東頭的入光、出光位置和方向)；
圖2是本實用新型三維運動光束頭一種實施例圖1的A向視圖。
具體實施方式
下面結合實施例及其附圖詳述本實用新型
本實用新型解決所述的技術問題的技術方案是設計一種三維運動光東
頭(以下簡稱光束頭。參見圖1、 2)，它包括導光和傳動兩個部分；所述的
導光部分包括垂直相貫的導光套簡10與反射鏡簡9,與所述反射鏡筒9平行 連通的聚焦鏡筒ll,與所述聚焦鏡簡11垂直相貫的出光簡16;在所述反射 鏡簡9內的垂直相貫處裝有反射鏡12,在所述聚焦鏡簡11內的垂直相貫處 裝有聚焦鏡13;所述的反射鏡12和聚焦鏡13分別由反射鏡鎖緊機構7和聚 焦鏡鎖緊機構8鎖緊；光路設計為雷射依次經導光套簡IO、反射鏡簡9和 反射鏡12反射，進入聚焦鏡簡11並由聚焦鏡13聚焦後由出光簡16出光。
所述的傳動部分包括；可使光東頭繞豎直軸(z軸)做旋轉運動的上步 進電機1及其傳動的第一齒輪組3,第一齒輪組3內的垂直角接觸球軸承組 14安裝在導光套簡10上；可使光東頭繞水平軸(X軸)做旋轉運動的下步 進電機2及其傳動的第二齒輪組4,第二齒輪組4內的水平角接觸球軸承組 15安裝在所述聚焦鏡簡11上；第一電機支架5支撐上步進電機1並固裝在 所述導光套簡10上，第二電機支架6支撐下步進電機2並固裝在所述反射鏡 簡9上；所述的垂直角接觸軸承組14和水平角接觸軸承組15均包括兩個向 心角接觸軸承，且每組的兩個軸承採用面對面方式安裝。
所述分別安裝在導光鏡簡10和反射鏡簡9上，用以固定上步進電機1的 第一電機支架5及固定下步進電機組2，第二電機支架6，都能實現其位置調 整，以滿足設計和安裝的精度需要。所述的反射鏡鎖緊機構7和聚焦鏡鎖緊 機構8均可以對其鎖緊對象反射鏡l2和聚焦鏡13進行微量調節，以提高光 東頭的工作精度要求。所述的安裝位置調整和鏡頭的微量調節都是現有技術。
本實用新型所述下步進電機2可以是一個步進電機，也可以釆用兩個並 聯的步進電機，構成下步進電機組2，(參見圖2)。實施例優選了步進電機組 2'。設計步進電機組2，的目的是形成對稱力偶，以進一步提高光束頭的工 作穩定性和系統的工作精度。由上步進電機1帶動第一齒輪組3 (驅動變速 裝置)，可實現反射鏡簡9及聚焦鏡筒11和出光簡16繞豎直軸(即Z軸或導 光套筒10)做旋轉運動；由下步進電機組2，(或下步進電機2，下同)及其 帶動的第二齒輪組4 (驅動變速裝置)，可實現聚焦鏡簡11繞水平軸(即X 軸或反射鏡簡9)做旋轉運動。所述的上步進電機1和下步進電機組2，實施 例均選用參數是四相八拍，扭矩l. 4N.m，額定工作電壓6. 8V，額定工作電
流1.5A的步進電機。但並非唯一選擇，完全可以根據需要做另外的選擇。考 慮到光束頭加工時雷射束的高能量，以及需要固定的三維運動光東頭等部件
的結構和重量，所述的導光套筒10、反射鏡筒9和聚焦鏡簡11及出光簡16， 實施例均採用了 45#鋼製造。為了防止其製造和使用過程中的氧化生鏽，影 響安裝、調試和拆卸，所述導光套簡10、反射鏡筒9和聚焦鏡簡11內外表 面均進行了黑化處理。黑化處理技術為現有技術。
所述的導光套筒10、反射鏡簡9和聚焦鏡簡11及出光簡16的簡徑一致， 並均具有很重要的作用。除了結構設計外，其加工組配精度和質量至關重要。 若加工精度和質量不高，雷射光束在從光東頭聚焦出來時很可能偏離理想位 置，引起光束頭的損壞。為了避免燒傷送粉頭零部件等事故的發生，本實用 新型光東頭在實施例設計時採用了更加嚴格的公差要求，管件焊接也要求嚴 格，以減小變形和材料的內應力以及零部件加工後的誤差。所述的反射鏡i2 和聚焦鏡13的作用分別是對光束進行反射和聚焦。因為透鏡組本身具有獨立 的水冷通道，所以本實用新型光束頭也具有水冷系統。轉動機構上還設計有 保護氣通道，以便使用反射聚焦時保護鏡面。所述的鏡組位置可調，以方便 調節光路。這些都是現有技術。
所述的垂直角接觸軸承14和水平角接觸軸承15均為兩個軸承構成的軸 承組，且均選用向心角接觸軸承，以適應設備旋轉精度與轉速較高的要求。 這種設計可以提高工作時總體機構的精度，即送粉頭轉動時不出現晃動。由 於兩軸承之間距離的大小直接影響整體的結構尺寸，進而影響導光套簡10與 反射鏡簡9和反射鏡簡9與聚焦鏡簡11的連接精度，所以每組的兩個軸承採 用面對面方式安裝，以保證其連接精度和結構尺寸的要求。
所述的第一齒輪組3和第二齒輪組4、第一電機支架5和第二電機支架6、 反射鏡鎖緊機構7和聚焦鏡鎖緊機構8以及垂直角接觸軸承14和水平角接觸 軸承15的形狀結構可以相同，也可以不同，可根據實際需要設計或變化。實 施例採用了相同結構，以簡便設計。
本實用新型的光東頭的運動機理是由上步進電機1帶動第一動齒輪組 3轉動，實現三維運動光束頭繞豎直軸(即z軸)的旋轉運動；由下步進電 機組2'帶動第二齒輪組4轉動，實現三維光東頭繞水平軸(即x軸)的旋 三維光東頭可以做一個直線運動和兩個迴轉運動，從而實現了其三維運動的 功能。
換言之，所述的上步進電機1及其傳動的第一齒輪組3和下步進電機組 2'及其傳動的第二齒輪組4，在數控系統指令下，可以分別實現光束繞導光 套簡IO和繞聚焦鏡簡ll任一角度的，或者同時繞各自的迴轉軸轉動任一角 度。所述第一齒輪組3及第二齒輪組4可以分別或同時實現其各自的轉動變 速功能，在加上在數控系統控制下的光束頭整體在Z軸方向的上下直線運動， 本實用新型光東頭可以實現繞豎直軸的直線和旋轉運動以及繞水平軸的旋轉 運動，順利地完成三維中任一維的等速或變速運動。
本實用新型未述及的適用於現有技術。
本實用新型的三維運動光東頭是雷射製造、再製造或快速製造雷射器的 關鍵部件。其主要用於雷射製造和再製造領域，可以完成形狀較複雜零件的 表面修復，軸瓦類、螺杆類、電力行業所需發動機葉片等零件的製造及再制 造，冶金行業的冷、熱軋滾，導軌、導板的表面熔敷，汽車行業的凸輪軸、 氣門、搖臂，油封等零件表面熔敷，模具雷射表面再製造等，具有良好的適 用性和工業實用性。
權利要求1.一種三維運動光束頭，其特徵在於它包括導光部分和傳動部分；所述的導光部分包括垂直相貫的導光套筒與反射鏡筒，與反射鏡筒平行連通的聚焦鏡筒，與聚焦鏡筒垂直相貫的出光筒；在所述反射鏡筒內的垂直相貫處裝有反射鏡，在所述聚焦鏡筒內的垂直相貫處裝有聚焦鏡；所述的反射鏡和聚焦鏡分別由反射鏡鎖緊機構和聚焦鏡鎖緊機構鎖緊；光路設計為雷射依次經導光套筒、反射鏡筒和反射鏡反射，進入聚焦鏡筒並由聚焦鏡聚焦後由出光筒出光；所述的傳動部分包括；可使三維運動光束頭繞豎直軸做旋轉運動的上步進電機及其傳動的第一齒輪組，第一齒輪組內的垂直角接觸球軸承組安裝在導光套筒上；可使三維運動光束頭繞水平軸做旋轉運動的下步進電機組及其傳動的第二齒輪組，第二齒輪組內的水平角接觸球軸承組安裝在聚焦鏡筒上；第一電機支架支撐上步進電機並固裝在導光套筒上，第二電機支架支撐下步進電機組並固裝在反射鏡筒上；所述的垂直角接觸軸承組和水平角接觸軸承組均包括兩個向心角接觸軸承，且每組的兩個軸承採用面對面方式安裝。
2. 根據權利要求l所述的三維運動光東頭，其特徵在於所述的下步進 電機組是由兩個並聯的步進電機構成。
3. 根據權利要求2所述的三維運動光東頭，其特徵在於所述的上步進電機和下步進電機組均是四相八拍，扭矩l.州.m，額定工作電壓6.8V,額 定工作電流1.5A的步進電機。
4. 根據權利要求l、 2或3所述的三維運動光束頭，其特徵在於所述的 導光套簡、反射鏡筒、聚焦鏡簡和出光簡均採用45#鋼製造，並且對其內外 表面均進行黑化處理。
專利摘要本實用新型涉及一種三維運動光束頭，其特徵在於它包括導光部分和傳動部分；前者包括垂直相貫的導光套筒與反射鏡筒和聚焦鏡筒與出光筒，反射鏡筒與聚焦鏡筒平行連通；在反射鏡筒和聚焦鏡筒內分別裝有反射鏡和聚焦鏡，並由各自的鏡鎖緊機構鎖緊；光路為雷射依次經導光套筒、反射鏡筒、反射鏡，聚焦鏡筒、聚焦鏡後由出光筒出光；後者包括；繞豎直軸做旋轉的上步進電機及其傳動的第一齒輪組，其內的垂直角接觸球軸承組安裝在導光套筒上；繞水平軸做旋轉的下步進電機組及其傳動的第二齒輪組，其內的水平角接觸球軸承組安裝在聚焦鏡筒上；第一電機支架支撐上步進電機並固裝在導光套筒上，第二電機支架支撐下步進電機並固裝在反射鏡筒上；所述的軸承組均包括兩個向心角接觸軸承，且採用面對面方式安裝。
文檔編號B23K26/08GK201002174SQ200620026480
公開日2008年1月9日 申請日期2006年6月21日 優先權日2006年6月21日
發明者張興泉, 楊洗陳, 王雲山 申請人:天津工業大學