高精度柔性激光加工系统的制作方法

本发明涉及到一种激光加工设备，具体是一种多功能激光加工系统。

背景技术：

激光具有可聚焦性、高能量密度、柔性传导特性以及可实现快速、准确加工的特点，因此激光优于传统热源。激光加工是一门发展迅速的高新技术，已成为发展新兴产业，改造传统制造业的关键技术之一。各种激光（熔覆、焊接、淬火、切割、微造型、清洗、复合焊等）系统和设备已经或正在进入各工业领域，诸如医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传统工业技术改造和制造业的现代化提供了先进的技术装备。

在工业制造中一个工件往往需要多种激光加工，例如激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光淬火、激光清洗、激光微造型等，如果这些工序分步加工则需要重新定位装夹，这样就会产生定位误差，如果一次装夹进行多种类型的激光加工则可以提高制造的精度，从而改进产品的质量。对于企业的新产品研发部门，多功能的激光加工设备可以缩短新产品的研发周期，降低投入成本。高校科研院所往往要研究多种激光加工的工艺特性，现有的激光加工设备不能满足这种需求。当前对于集成如此多功能的激光加工设备的研究较少，现有的发明专利中最多的只有集成三种激光加工的加工设备，这些加工设备不足于解决科研院所和企业所面临的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种高精度柔性激光加工系统，该系统可以实现一次装夹后进行多种激光加工，避免重复装夹所带来的定位误差提高零部件的加工精度。

本发明公开了一种高精度柔性激光加工系统，包括激光系统、机械运动成形系统、激光头头库系统、控制系统、辅助系统；所述激光系统为激光加工提供光源，所述激光系统由激光器和激光头组成，激光器产生的激光通过光纤传导到激光头中；所述机械运动成形系统为激光加工提供所需的表面成形运动，所述机械运动成形系统由机器人、直线导轨滑台、工作台、主轴箱和尾座、数控分度盘组成，所述机器人安装在直线导轨滑台上，工作台设置在直线导轨滑台旁边，主轴箱和尾座安装在工作台上，激光头以及相关的辅助设备安装在机器人手臂末端；激光头头库系统包括换头机械手，激光头类型识别传感器，激光头头库，激光头放置传送链；辅助系统包括送粉机、弧焊电源、送丝机；控制系统包括主控制器、机器人控制器、直线导轨滑台控制器，主控制器连接着机器人控制器、直线导轨滑台控制器、送粉机控制器、弧焊电源控制器、激光器控制器，控制系统存储有激光加工工艺的数据库；激光头通过快速换接器安装在机械运动成形系统中的机器人手臂上，快速换接器与激光头头库系统配合应用可以实现激光头的快速换接，从而使该高精度柔性激光加工系统实现功能的快速切换，快速换接器上有定位装置和夹紧装置，定位装置使用定位挡块，夹紧装置使用气动夹具。

本发明的进一步改进在于：所述激光器有连续激光器和脉冲激光器两种。

本发明的进一步改进在于：激光头有熔覆激光头、焊接激光头、淬火激光头、切割激光头、微造型激光头、清洗激光头、复合焊激光头7种激光头，控制系统存储有激光熔覆、激光焊接、激光淬火、激光切割、激光微造型、激光清洗、激光复合焊这7种激光加工工艺的数据库。

激光熔覆是通过在基体材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面涂层。本发明高精度柔性激光加工系统实现3D激光熔覆的方法是，机器人手臂末端换装激光熔覆头连并接好辅助设备后，高达9个自由度的机械运动成形系统可以进行三维的表面成形运动使得激光熔覆头精确的跟随着工件的表面，激光熔覆头上可以进行连续的同轴送粉使得合金粉末喷涂并熔覆在工件表面。激光熔覆加工选用的激光器是连续激光器。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接属于热传导焊接，无论是钢还是铝合金的热传导焊接过程都比较平静、稳定，其焊接质量也较好，一般不会产生焊接缺陷。本发明高精度柔性激光加工系统实现3D激光焊接的方法是，机器人手臂末快速换接器的换装激光焊接头连接好辅助设备后，高达9个自由度的机械运动成形系统可以进行三维的表面成形运动使得激光焊接头精确的跟随着工件的表面，激光焊接头上可以同轴输送保护气体可以防止焊缝氧化。激光焊接加工选用的激光器是连续激光器。

激光淬火可以在钢和铸铁零部件表面形成较硬的耐磨层，这种技术特别适合几何形状复杂或尺寸较小的零部件表面。本发明高精度柔性激光加工系统的机械运动成形系统具有高达9个自由度，高精度机器人手臂末端换接淬火激光头后可以在几何形状复杂的零部件表面进行进行3D激光淬火。激光淬火选用的激光器是连续激光器，激光头选用的是淬火激光头。

激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割。本发明可以在复杂的零件表面实现3D激光切割，进行激光切割时高精度工业机器人手臂末端要换接切割激光头，激光头需要通过光纤连接激光器。激光切割选用的激光器为连续激光器。

激光复合焊是除激光作为热源外，具有第二种热源与激光同时作用于同一焊接熔池。第二种热源为焊接熔池提供额外的热量，与此同时，也提供填充材料。本发明高精度激光柔性加工系统换接复合焊激光连接相关复合焊设备即可实现该功能。复合焊激光头旁边安装有MIG焊枪，焊枪与弧焊电源连接，并通过送丝机送丝。

激光微造型是在摩擦副表面加工出具有减小磨损提高硬度的微观形貌，该微观形貌具有存储润滑油，和捕捉磨粒的作用。本发明高精度柔性加工系统只需要换接微造型激光头和连接脉冲激光器就可以切换到激光加工微造型功能。

激光清洗是采用脉冲或者连续激光辐照表面层的情况下，发生在激光与材料之间的区域的、无接触的相互作用，该作用使材料的表层发生蒸发而去除。本发明高精度柔性激光加工系统通过换接机器人手臂末端的激光头就可以实现对复杂表面的激光清洗。换接的清洗激光头需要通过光纤连接脉冲激光器。

本发明的进一步改进在于：机械运动成形系统具有三种组合形式，分别为卧式形式、立式形式和数控分度盘形式，卧式形式为主轴箱和尾座对应安装在工作台上，工件装夹在主轴箱和尾座的中间，这种安装形式主要用于大型长回转体工件的加工如轧辊；立式形式主要用于直径较大而短的回转体零件的加工；数控分度盘形式主要用于球形工件的加工。

本发明的进一步改进在于：激光头头库系统具有自动选择激光头和换接激光头的功能，激光头库中的激光头放在传送链上，传送链上有放置激光头的对应位置，且位置上安装有识别定位标签，每个激光头也都有一个识别定位标签，该标签与传送链上激光头放置位置上的标签相关连，激光头库上安装有专用换激光头的机械手。

本发明的进一步改进在于：换激光头的步骤为：加工过程中需要换激光头时，工业机器人将手臂末端通过快速换接器夹持的激光头移动到激光头库特定的换头位置， 专用换头机械手夹持住激光头，快速换接器松开夹持的激光头，专用换头机械手中安装有传感器，该传感器可以识别激光头上的标签，这时激光头头库将放置激光头的传送链移动到特定位置，然后专用换头机械手将激光头放置定位在该位置上，接着，激光头头库转动传动链使要换的激光头移动到特定位置，换头机械手夹持激光头并将激光头安装在工业机器人的快速换接器上，到此完成整个换激光头过程。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明中激光头通过快速换接器安装在机械运动成形系统中的机器人手臂上，快速换接器可以与激光头头库配合使用实现激光头的快速自动换接，从而使该高精度柔性激光加工系统实现功能的快速切换。

附图说明：

图1是本发明中机械运动成形系统卧式形式的结构图；

图2是本发明中机械运动成形系统立式形式的结构图；

图3是本发明中机械运动成形系统数控分度盘形式的结构图；

图4是换激光头的流程图；

图中标号：1-主轴箱、2-工作台、3-尾座、4-熔覆激光头、5-快速换接器、6-高精度机器人、7-直线导轨滑台、8-激光头库、9-淬火激光头、10-焊接激光头、11-切割激光头、12-复合焊激光头、13-微造型激光头、14-清洗激光头、15-送粉器、16-总控制柜、17-连续激光器、18-机器人控制柜、19-脉冲激光器、20-弧焊电源、21-送丝机、22-数控分度盘。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高精度柔性激光加工系统，包括激光系统、机械运动成形系统、控制系统、辅助系统；所述激光系统为激光加工提供光源，所述激光系统由激光器和激光头组成，激光器产生的激光通过光纤传导到激光头中；所述机械运动成形系统为激光加工提供所需的表面成形运动，所述机械运动成形系统由机器人、直线导轨滑台、工作台、主轴箱和尾座、数控分度盘组成，所述机器人安装在直线导轨滑台上，工作台设置在直线导轨滑台旁边，主轴箱和尾座安装在工作台上，激光头以及相关的辅助设备安装在机器人手臂末端；辅助系统包括送粉机、弧焊电源、送丝机；控制系统包括主控制器、机器人控制器、直线导轨滑台控制器，主控制器连接着机器人控制器、直线导轨滑台控制器、送粉机控制器、弧焊电源控制器、激光器控制器，控制系统存储有激光加工工艺的数据库；激光头通过快速换接器安装在机械运动成形系统中的机器人手臂上，快速换接器可以实现激光头的快速换接，从而使该高精度柔性激光加工系统实现功能的快速切换，快速换接器上有气动夹具。激光器有连续激光器和脉冲激光器两种，激光器中配套设有水冷系统。激光头有熔覆激光头、焊接激光头、淬火激光头、切割激光头、微造型激光头、清洗激光头、复合焊激光头7种激光头，控制系统存储有激光熔覆、激光焊接、激光淬火、激光切割、激光微造型、激光清洗、激光复合焊这7种激光加工工艺的数据库。

激光头放置的激光头库中，具有自动选择激光头和换接激光头的功能，激光头库中的激光头放在传送链上，传送链上有放置激光头的对应位置，且位置上安装有识别定位标签，每个激光头也都有一个识别定位标签，该标签与传送链上激光头放置位置上的标签相关连，激光头库上安装有专用换激光头的机械手。如图4所示，换激光头的步骤为：加工过程中需要换激光头时，工业机器人将手臂末端通过快速换接器夹持的激光头移动到激光头库特定的换头位置， 专用换头机械手夹持住激光头，快速换接器松开夹持的激光头，专用换头机械手中安装有传感器，该传感器可以识别激光头上的标签，这时激光头头库将放置激光头的传送链移动到特定位置，然后专用换头机械手将激光头放置定位在该位置上，接着，激光头头库转动传动链使要换的激光头移动到特定位置，换头机械手夹持激光头并将激光头安装在工业机器人的快速换接器上，到此完成整个换激光头过程。

如图1所示，工作台2上安装有主轴箱1和尾座3，主轴箱1和尾座之3间装夹需要加工的工件。在工作台2的旁边安装有直线导轨滑台7，直线导轨滑台7上安装有6轴的高精度工业机器人6，高精度工业机器人6的手臂末端安装有快速换接器5，快速换接器5连接着激光器4和机器人手臂末端。直线导轨的旁边安装有专门放置激光头的激光头库，该激光头库中有激光头换接臂，和激光头传送链装置，该装置可以实现自动选择和换接激光头。在机械运动成形系统的旁边安装有送粉器15，送粉器是在激光熔覆加工中为熔覆激光头提供粉末。送粉器旁边有气源，送粉器中的粉末以保护气为载体通过皮管送到熔覆激光头中。送粉器15的旁边放置有主控制柜16和高精度机器人控制柜18，在在控制柜和送粉机的后面放置有连续激光器17、脉冲激光器19、弧焊电源20和送丝机21。

如图2所示为本发明高精度柔性激光加工系统中机械运动成型系统的立式形式，其结构除了工作台上安装的设备与卧式形式不同其余都相同。其不同之处在于工作台上只安装主轴箱，且主轴箱垂直放置。该形式主要用于直径较大轴向长度较短的材料。

如图3所示为本发明高精度柔性激光加工系统中机械运动成型系统的数控分度盘形式，其结构除了工作台上安装的设备与卧式形式不同其余都相同。其不同之处在于工作台上面只安装数控分度盘装置22，该数控分度盘可以实现两轴的高精度转动，该种形式主要用于加工球形材料和复杂的曲面。

激光熔覆加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接熔覆激光头4，熔覆激光头4需要通过光纤连接连续激光器17，同时主控制器开启送粉机15，并根据主控器中存储的激光熔覆工艺参数进行激光熔覆加工。

激光焊接加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接焊接激光头10，焊接激光头10需要通过光纤连接连续激光器17，同时主控器根据其存储的激光焊接工艺参数进行激光焊接加工。

激光淬火加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接淬火激光头9，淬火激光头9需要通过光纤连接连续激光器17，同时主控器根据其存储的激光淬火工艺参数进行激光淬火加工。

激光切割加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接切割激光头11，切割激光头11需要通过光纤连接连续激光器17同时主控器根据其存储的激光切割工艺参数进行激光切割加工。

激光复合焊加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接复合焊激光头12，复合焊激光头12需要通过光纤连接连续激光器17，同时主控制器开启弧焊电源20和送丝机21，并根据主控器中存储的激光复合焊工艺参数进行激光复合焊加工。

激光微造型加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接微造型激光头13，微造型激光头13需要通过光纤连接脉冲激光器19同时主控器根据其存储的激光微造型工艺参数进行激光微造型加工。

激光清洗加工时高精度工业机器人6需要通过换接器5换接清洗激光头14，清洗激光头14需要通过光纤连接脉冲激光器17同时主控器根据其存储的激光清洗工艺参数进行激光清洗加工。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。