专利名称：龙门宽幅高速三维立体激光内雕机的制作方法
技术领域：
本发明属于激光加工设备，具体涉及一种三维立体激光内雕机。
背景技术：
激光内雕机是集光、机、电一体化的激光加工设备，是将激 光技术和计算机技术结合起来合理运用的高科技产品。它能在水 晶、玻璃内部雕刻出图形、图像、文字各式各样的工艺礼品，但 现在随着人们生活水平的提高和对个性化的追求，更希望水晶玻 璃内雕产品能在大幅面人像照片、家庭、饭店及酒店装饰装修中 得以运用。
但目前市场上使用的激光内雕机都只能用于小幅面或准大 幅面水晶和玻璃的雕刻。
使用的准大幅面激光内雕机一般都采用叠加式二维或三维运
动平台加二维扫描纟展4竟机构的方式，无法完成真正意义上的宽幅 水晶和玻璃的内雕。参见第ZL 200520094982.1号中国专利。
现在市场上运动行程稍大的激光雕刻机，其X、 Y运动系统 通常采用电机驱动齿形同步带和驱动轴形式，它的缺点是，所搭 建的龙门跨度不能过大，且传动精度低、载荷轻，长时间运行同 步带容易产生拉伸变形，而影响重复定位精度，在大跨度的情况
下，很容易产生龙门运动不同步的情况，完全不能满足宽幅激光 内雕机要求龙门大跨度和大直线行程的重复定位精度要求。
而现在的一般激光内雕机在工件不动的情况下大都采用激光 器不动的布置方式，这样会造成激光光路过长，并需要光路方向 作多次改变，这样光路传输准确性容易受到影响，光方向的改变 由于需要增加多个反射镜才能完成，所以也容易造成光能损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现大幅面，高精度稳定内雕 刻的龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，以解决上述问题。本发明的技术方案为龙门宽幅高速三维立体激光内雕机， 它包括机体支架，机体支架内设的激光器冷却装置，机体支架上 设工作台面，工作台面的机体支架两侧设有两个Y轴运动支撑轨 道及Y轴驱动传动装置，两个Y轴运动支撑轨道之间连接可沿Y 轴运动支撑轨道运动的X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置， X轴运动支撑轨道上连接运动平台，两个Y轴运动支撑轨道内各 设置传动装置，传动装置的输入端与同步运行的伺服电机连接， 运动平台上连接Z轴运动轨道及Z轴运动驱动传动装置，Z轴运 动轨道连接二维扫描振镜雕刻头支撑平台，二维扫描振镜雕刻头 支撑平台上连接二维扫描振镜雕刻头及光路，运动平台上还设激 光器及光路。
所述Y轴运动支撑轨道设在间隔设置的Y轴运动支撑轨道水 平微调装置上。
所述二维扫描振镜雕刻头支撑平台上设置二维扫描振镜雕刻 头连接支撑板，连接支撑板连接微调机构。
本发明的优点是釆用大跨度动龙门结构，X、 Y轴行程长， 纵向采用双导轨双丝杠布局，结构性能稳定，刚性好，承载能力 大，能适合各类宽幅面玻璃的加工；龙门移动采用双驱动装置， 杜绝了大跨度龙门在运动时容易产生的不同步现象；X、 Y、 Z三 轴采用C3级滚珠丝杠和进口自润式导轨及轴承，使在大行程的情 况下，重复定位精度可达到10 jam以下，并采用伺服电机和丝杠 均直接驱动，使之噪音小，无传动损耗；Y轴大行程直线运动单 元是通过多个定位微调机构再安装在床式平台上，这样减少了对 平台的加工精度要求，安装时可对高度、平行度、平面度等进行 微调；半导体泵浦激光器和光路组件采用和X轴水平滑鞍一起运 动的结构，使之大大的缩短了激光光路，减少了光路上的装置， 确保了光路传输准确性和光能的损失。本发明的龙门宽幅高速三 维立体激光内雕机，结构简单紧凑，在高速二维扫描振镜和X、 Y、 Z三维运动系统联合运动下可以实现高速内雕，平均每分钟 可在水晶、玻璃内部雕刻10-15万点左右，真正做到了对宽幅面 水晶、玻璃的高速内雕加工，如1500X1000mm,能在玻璃装饰行 业得到广泛的应用。
图1龙门宽幅高速三维立体激光内雕机Y方向外形示意图。
5图2龙门宽幅高速三维立体激光内雕机X方向外形示意图。
图3 X轴运动支撑轨道上连接运动平台结构示意图。
图4 图3中B方向示意图。
图5 图4中C方向示意图。
图6 图3中D方向示意图。
图7 Y轴运动支撑轨道水平微调装置示意图。
图8 X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置示意图I 。
图9 X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置图II 。
图IOY轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置示意图I 。
图11 Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置示意图II。
图12本发明的激光器及光路的原理示意图I 。
图13本发明的激光器及光路的原理示意图I1。
图14本发明的控制系统方框图。
图15发明的控制软件流程图。
具体实施例方式
如图l所示，龙门宽幅高速三维立体激光内雕机包括机体支 架1内设的激光器冷却装置25,机体支架1上设工作台面安装T 型工作面2，工作台面的才几体支架两侧设有两个Y轴运动支撑轨 道及Y轴驱动传动装置5, Y轴运动支撑轨道设在间隔设置的Y 轴运动支撑轨道水平微调装置上3(图2中)；两个Y轴运动支撑 轨道及Y轴驱动传动装置5上连接大跨度龙门支架6,两个大跨 度龙门支架6之间连接可沿Y轴运动支撑轨道运动的X轴运动支 撑轨道及X轴驱动传动装置7, X轴运动支撑轨道及X轴驱动 传动装置7上连接运动平台12，运动平台12上连接Z轴运动轨 道及Z轴运动驱动传动装置15， Z轴运动驱动传动装置15的输 入端连接伺服电机16 (图3所示)，Z轴运动轨道及Z轴运动驱 动传动装置15设在L形防尘保护罩20内。
如图2、 3所示，运动平台12上设激光器14及其光路，Z轴 运动轨道连接二维扫描振镜雕刻头支撑平台17, 二维扫描振镜雕 刻头支撑平台17上设置二维扫描振镜雕刻头18。
Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置5中的传动装置的输 入端与同步运行的伺力i电机4。 X轴运动支撑轨道及X轴驱动传 动装置7中的传动装置的输入端与伺服电机11。
运动平台12上连接Y轴拖链支撑架IO和X轴拖链支架10-1，Y轴拖链支撑架10与Y轴拖链9连接；X轴拖链支架10-1与X 轴拖链8连接(图3、 4所示)。
Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置5如图10、 ll所示， 它包括包括壳体5.1,壳体5.1 —端连接伺服电机4,伺服电机4 的输出轴连接丝杆5.2,本实施例中伺服电机4的输出轴通过连 轴器5.3与丝杆5.2连接；丝杆5.2上连接螺母5.4,螺母5.4与 滑鞍5.5和滑块5.6连接，滑块5.6连接在滑轨5.7上。滑鞍5.5 与大跨度龙门支架6连接。左右两个Y轴运动支撑轨道及Y轴驱 动传动装置5的结构相同。
如图2、 7所示，Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置5 设在间隔设置的Y轴运动支撑轨道水平微调装置3上。水平微调 装置3包括下定位块3.1和上定位块3.2,下定位块3.1和上定位 块3.2之间连接上定位块高度调整螺紋副3.3,上定位块3.2上锁 紧螺钉3.4,和直线单元锁紧螺栓3.5。上定位块3.2开设用于支 撑Y轴运动支撑轨道的凹槽3.6。 Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动 传动装置5设在凹槽3.6内。
运动平台12上还设有防光射眼安全板12-1。如图5所示。 X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置7如图9、 IO所示， 它包括壳体7.1,壳体7.1 —端连接伺服电机11，伺服电机ll的 输出轴连接丝杆7.2，本实施例中伺服电机11与丝杆7.2之间通 过连轴器7.7连接，丝杆7.2上连接螺母7.3,螺母7.3与滑鞍7.4 连接，滑鞍7.4下两侧分别设滑轨7.5,滑轨7.5上分别连接滑块 7.6。滑鞍7.4与运动平台12连接。
Z轴运动轨道及Z轴运动驱动传动装置15的结构与X轴运 动支撑轨道及X轴驱动传动装置7的结构相同，不再此累述。Z 轴运动轨道及Z轴运动驱动传动装置15设在悬挂框式结构连接 板19上，连接板19设在X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置 7的侧面。
如图3、 6所示，二维扫描振镜雕刻头18支撑平台17上设置 二维扫描振镜雕刻头连接支撑板18.2,连接支撑板连接微调机构。 微调机构包括与支撑板连接调节板18.1，调节板18.1上设置第一 方向的调节螺钉18.3，第一方向的调节螺钉18.3为上下两组；调 节板18.1连接支撑板18.2上设置第二方向的调节螺钉18.4。第 二方向的调节螺確丁 18.4为上下两组。通过上述孩i调机构可以保证
7二维扫描振镜雕刻头18姿态的准确。
本实施例中激光光路如图12、 13所示，龙门宽幅高速三维立 体激光内雕机的光路系统由 一体化半导体泵浦的倍频激光器14、 光路组件13和二维扫描振镜机构18组成。 一体化半导体泵浦的 倍频激光器14包括半导体激光器14-1，耦合透镜组14-2，全反 镜14-3，声光调Q晶体14-4， 45度全反镜14-5, YAG棒14-6， 中间镜14-7,倍频晶体14-8和输出镜14-9组成。其中全反镜14-3， 45度全反镜14-5,输出镜14-9组成折迭式谐振腔。半导体激光 的泵浦方式为端面泵浦方式，有利于激光束的改善。半导体泵浦 激光器14输出532nm声光调Q倍频激光，频率在1 10KHz之间， 脉宽在10~30ns左右。绿激光光束经过扩束镜13-1,两个45度 全反镜13后，再射入二维扫描振镜(高精度伺服电机带动反射镜 在X，、 Y，方向做高速摆动)，扫描振镜在工业计算机的控制下两 反射镜延着X，、 Y，方向高速摆动，并通过F-6聚焦镜18-2后， 使激光束在平面X、 Y两维方向上进行扫描，并在焦点处产生一 个高功率的激光脉冲，使水晶、玻璃内部形成一炸裂微点而形成雕刻。
图14所示，控制系统由工业PC机，DSP运动控制卡，输入 输出接口板，伺服驱动系统，振镜系统等组成。其中Y轴通过双 轴驱动的同步匹配和伺服电机控制技术，D S P运动控制卡实现三 维运动和激光振镜运动三轴联动五轴控制。该系统是采用PCI总 线形式，基于高性能的DSP处理器+EPGA的架构，能实现对振 镜扫描头、激光、多轴进行实时同步、高速高精度控制。
图15所示，对于激光内雕机软件一般由点云形成软件和设备 控制软件两部分组成。先按矩阵的方式把它分成许多块，利用振 镜扫描的方式雕刻速度比较快的优点雕刻每一小块，再利用三维 运动平台的方式把每一小块拼接起来而形成一个尺寸比较大的图 形。对于每一个需雕刻的图形，通过点云形成软件形成激光内雕 机能识别的文件格式，点云形成软件的输入文件只能是气dxf文件 格式，其它的文件需要通过其它软件进行转换。通过设备控制软 件，把点云形成软件生成的点云文件让激光内雕机雕刻出来。
龙门宽幅高速三维立体激光内雕机的工作原理是计算机软件 通过DSP运动控制卡控制伺服驱动三维运动系统、二维扫描振镜 系统和激光系统。每一次发出激光就可以在水晶或玻璃内产生一个炸裂微点。通过控制二维扫描振镜系统可以在小范围内产生有 序的图案。通过伺服驱动三维运动系统把小范围有序的图案组合 成大范围有序的三维立体的图像。
权利要求
1、一种龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，它包括机体支架，机体支架内设的激光器冷却装置，机体支架上设工作台面，工作台面的机体支架两侧设有两个Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置，两个Y轴运动支撑轨道之间连接可沿Y轴运动支撑轨道运动的X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置，X轴运动支撑轨道上连接运动平台，其特征在于两个Y轴运动支撑轨道内各设置传动装置，传动装置的输入端与同步运行的伺服电机连接，运动平台上连接Z轴运动轨道及Z轴运动驱动传动装置，Z轴运动轨道连接二维扫描振镜雕刻头支撑平台，二维扫描振镜雕刻头支撑平台上连接二维扫描振镜雕刻头及光路，运动平台上还设激光器及光路。
2、 如权利要求1所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其 特征在于Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置设在间隔设置的 Y轴运动支撑轨道水平微调装置上。
3、 如权利要求2所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其 特征在于Y轴运动支撑轨道水平微调装置包括下定位块和上定位 块，下定位块和上定位块之间连接上定位块高度调整螺紋副，上 定位块上锁紧螺钉，和直线单元锁紧螺栓。
4、 如权利要求3所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其 特征在于上定位块开设用于支撑Y轴运动支撑轨道的凹槽。
5、 如权利要求1所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其 特征在于X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置包括壳体，壳体 一端连接伺服电机，伺服电机的输出轴连接丝杆，丝杆上连接螺 母，螺母与滑鞍连接，滑鞍下两侧分别设滑轨，滑轨上分别连接 滑块。
6、 如权利要求1所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其 特征在于二维扫描振镜雕刻头支撑平台上设置二维扫描振镜雕刻 头连接支撑板，连接支撑板连接微调机构。
7、 如权利要求6所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其 特征在于微调机构包括与支撑板连接调节板，调节板上设置第一 方向的调节螺钉；微调机构还包括连接支撑板上设置第二方向的 调节螺钉。
8、如权利要求1所述龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，其特征在于Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置包括壳体，壳体 一端连接伺服电机，伺服电机的输出轴连接丝杆，丝杆上连接螺 母，螺母与滑鞍和滑块连接，滑块连接在滑轨上。
全文摘要
本发明公开了一种龙门宽幅高速三维立体激光内雕机，它包括机体支架，机体支架内设的激光器冷却装置，机体支架上设工作台面，工作台面的机体支架两侧设有两个Y轴运动支撑轨道及Y轴驱动传动装置，两个Y轴运动支撑轨道之间连接可沿Y轴运动支撑轨道运动的X轴运动支撑轨道及X轴驱动传动装置，X轴运动支撑轨道上连接运动平台，两个Y轴运动支撑轨道内各设置传动装置，传动装置的输入端与同步运行的伺服电机连接，运动平台上连接Z轴运动轨道及Z轴运动驱动传动装置，运动平台上还设激光器及光路。本发明结构简单紧凑，能实现大幅面高速内雕，如1500×1000mm，能在玻璃装饰行业得到广泛的应用。
文档编号B44B1/00GK101549609SQ20091006179
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者柯西军 申请人:柯西军