一种旋转磁场与超声振动辅助的激光加工装置

本发明属于激光加工领域，特别涉及一种旋转磁场与超声振动辅助的激光加工装置。

背景技术：

随着科学技术的发展，航空航天、国防军工等领域对于高性能复合材料的需求不断增大，但由于其高硬度、高脆性等特点，传统加工中存在刀具磨损、加工精度较差等问题，激光加工以非接触无刀具磨损而被用于高性能复合材料的加工上，然而对于厚尺寸材料，采用激光加工会出现重铸层、锥度、熔融飞溅、氧化物等缺陷，因此急需一种激光加工装置来解决高性能复合材料加工时出现的各种问题。

近年来，已有一些研究人员对双面激光加工进行了研究，如专利(201910376596.8)提出了一种双面激光加工的方法，通过分光镜将一束激光分为两束激光，同时对工件的两面进行加工，或将工件旋转180°，虽然一定程度上减小了孔的锥度，但加工孔的同轴度难以保证，且孔内产生的等离子体、熔融物及蒸汽等减弱激光加工效率的物体难以排出，从而较难保证加工质量的稳定性。

为了实现对材料的双面加工，解决锥度、重铸层、氧化物、等离子体、加工质量低、加工效率低等问题，因此有必要设计一种旋转磁场与超声振动辅助的激光加工装置，采用工件反转、三自由度超声振动，以解决锥度、重铸层、热影响区、等离子体、微裂纹、加工效率低等缺陷，采用旋转磁场，减小加工过程中等离子体对激光的影响，以提高加工质量。

技术实现要素：

本发明的目的旨在解决目前尺寸较厚工件激光加工时所出现的锥度、重铸层、等离子体等加工缺陷，即提供一种工作可靠、功能多样化、加工效率高、工件加工质量好的一种旋转磁场与超声振动辅助的激光加工装置。

本发明所要解决的问题通过以下技术方案实现：一种旋转磁场与超声振动辅助的激光加工装置，包括机架、激光加工装置、超声振动装置、工件装夹装置、旋转磁场装置、控制器，所述的机架包括底座、第一支架、第二支架、第三支架、安装架、水箱挡板、水箱，所述的第一支架安装在底座上，所述的第二支架安装在底座上，所述的第三支架安装在底座上，所述的安装架有两个，安装在底座上，所述的水箱挡板安装在安装架上，所述的水箱安装在水箱挡板上，所述的激光加工装置安装在底座上，所述的超声振动装置安装在机架上，所述的工件装夹装置安装在机架上，所述的旋转磁场装置安装在底座上，所述的控制器安装在底座上。

所述的激光加工装置包括第一丝杠传动机构、第二丝杠传动机构、第三丝杠传动机构，所述的第一丝杠传动机构包括第一导轨平台、第一电机、第一丝杠、第一导轨、第一支座，所述的第一导轨平台安装在底座上，所述的第一电机安装在第一导轨平台上，所述的第一丝杠安装在第一电机的输出轴上，所述的第一导轨有两个，第一导轨通过螺栓安装在第一导轨平台上，所述的第一支座通过螺栓安装在第一导轨平台上，所述的第二丝杠传动机构包括第二电机、第二丝杠、第二导轨、第二支座、第一移动平台，所述的第二电机安装在第一移动平台上，所述的第二丝杠安装在第二电机的输出轴上，所述的第二导轨有两个，第二导轨通过螺栓安装在第一移动平台上，所述的第二支座通过螺栓安装在第一移动平台上，所述的第一移动平台安装在第一丝杠和第一导轨上，第一移动平台与第一丝杠形成螺旋副，第一移动平台与第一导轨形成移动副，所述的第三丝杠传动机构包括第三电机、第三丝杠、第三导轨、第三支座、第二移动平台、第三移动平台、激光器，所述的第三电机安装在第二移动平台上，所述的第三丝杠安装在第三电机的输出轴上，所述的第三导轨有两个，第三导轨通过螺栓安装在第二移动平台上，所述的第三支座通过螺栓安装在第二移动平台上，所述的第二移动平台安装在第二丝杠和第二导轨上，第二移动平台与第二丝杠形成螺旋副，第二移动平台与第二导轨形成移动副，所述的第二移动平台安装在第二丝杠和第二导轨上，第二移动平台与第二丝杠形成螺旋副，第二移动平台与第二导轨形成移动副，所述的第三移动平台安装在第三丝杠和第三导轨上，第三移动平台与第三丝杠形成螺旋副，第三移动平台与第三导轨形成移动副，所述的激光器通过螺栓安装在第三移动平台上。

所述的超声振动装置包括第一超声振动机构、第二超声振动机构、第三超声振动机构，所述的第一超声振动机构包括第一超声换能器、第一超声变幅杆，所述的第一超声换能器安装在底座上，所述的第一超声变幅杆的一端安装在第一超声换能器上，第一超声变幅杆的另一端安装在水箱的底部，所述的第二超声振动机构包括第二超声换能器、第二超声变幅杆、第一超声放大板，所述的第二超声换能器安装在水箱上，所述的第二超声变幅杆的一端安装在第二超声换能器上，第二超声变幅杆的另一端通过螺栓安装在第一超声放大板上，所述的第三超声振动机构包括第三超声换能器、第三超声变幅杆、第二超声放大板，所述的第三超声换能器安装在水箱上，所述的第三超声变幅杆的一端安装在第三超声换能器上，第三超声变幅杆的另一端通过螺栓安装在第二超声放大板上。

所述的工件装夹装置包括第一齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、工件装夹机构，所述的第一齿轮传动机构包括第一齿轮、第二齿轮、第一连杆、第一支撑、第三齿轮、第四齿轮、第二连杆、第二支撑、第五齿轮，所述的第一齿轮安装在第四电机的输出轴上，所述的第二齿轮通过键安装在第一连杆上，第二齿轮与第一齿轮相啮合，所述的第一连杆通过轴承安装在第一支撑上，所述的第一支撑通过螺栓安装在底座上，所述的第三齿轮通过键安装在第一连杆上，第三齿轮与第四齿轮形成齿轮副，所述的第四齿轮通过键安装在第二连杆上，所述的第二连杆通过轴承安装在第二支撑上，所述的第二支撑通过螺栓安装在第一导轨平台上，所述的第五齿轮通过键安装在第二连杆上，所述的蜗轮蜗杆传动机构包括第六齿轮、第三连杆、第三支撑、蜗杆、蜗轮，所述的第六齿轮通过键安装在第三连杆上，第六齿轮与第五齿轮相啮合，所述的第三连杆通过轴承安装在第三支撑上，所述的第三支撑通过螺栓安装在第二支架上，所述的蜗杆通过键安装在第三连杆上，所述的蜗轮通过键安装在第四连杆上，蜗轮与蜗杆形成蜗轮副，所述的工件装夹机构主要包括第一夹板、第二夹板、螺栓、第四连杆、红外发生器、红外接收器、第四电机，所述的第一夹板通过螺栓安装在第二夹板上，所述的第二夹板通过螺栓安装在第四连杆上，所述的红外发生器安装在第四连杆上，所述的红外接收器通过螺栓安装在安装架上，所述的第四电机安装在第一支架上。

所述的旋转磁场装置包括第二齿轮传动机构、旋转磁场平台，所述的第二齿轮传动机构包括第五电机、第七齿轮、第八齿轮、第五连杆、第四支撑、第九齿轮，所述的第五电机安装在第三支架上，所述的第七齿轮安装在第五电机的输出轴上，所述的第八齿轮通过键安装在第五连杆上，第八齿轮与第七齿轮相啮合，所述的第五连杆通过轴承安装在第四支撑上，所述的第四支撑通过螺栓安装在底座上，所述的第九齿轮通过键安装在第五连杆上，所述的旋转磁场平台包括第十齿轮、第六连杆、第五支撑、第十一齿轮、第十二齿轮、磁极，所述的第十齿轮通过键安装在第六连杆上，第十齿轮与第九齿轮相啮合，所述的第六连杆通过轴承安装在第五支撑上，所述的第五支撑通过螺栓连接在第二支架上，所述的第十一齿轮通过键安装在第六连杆上，所述的第十二齿轮安装在第二支架上，第十二齿轮与第十一齿轮相啮合，所述的磁极通过螺栓安装在第十二齿轮上。

加工前，启动控制器，控制器控制第四电机启动，将工件装夹机构调至水平，通过旋转螺栓调节第一夹板与第二夹板至合适位置，从而可以装夹不同厚度的工件；加工时，启动控制器，控制器控制第一电机、第二电机、第三电机同时启动，第一电机启动，带动安装在第一电机输出轴上的第一丝杠转动，进而带动第一移动平台沿第一导轨移动到指定位置，第二电机启动，带动安装在第二电机输出轴上的第二丝杠转动，进而带动第二移动平台沿第二导轨移动到指定位置，第三电机启动，带动安装在第三电机输出轴上的第三丝杠转动，进而带动第三移动平台沿第三导轨移动到指定位置，控制器控制第一电机、第二电机、第三电机关闭，通过上述步骤将激光器移动到了指定位置。

控制器控制第四电机启动，带动安装在第四电机输出轴上的第一齿轮转动，第一齿轮通过齿轮副带动第二齿轮转动，第二齿轮通过第一连杆带动第三齿轮转动，第三齿轮通过齿轮副带动第四齿轮转动，第四齿轮通过第二连杆带动第五齿轮转动，第五齿轮通过齿轮副带动第六齿轮转动，第六齿轮通过第三连杆带动蜗杆转动，蜗杆通过蜗轮副带动蜗轮转动，蜗轮通过键带动第四连杆转动，从而带动红外发生器转动，控制器控制红外接收器启动，控制红外接收器打开指定红外信号接收端口，当红外发生器发出的红外线被红外接收器指定接收端口接收时，对控制器发送反馈信号，使第四电机停止工作，通过上述步骤最终实现了工件的反转，以达到双面加工的目的，根据不同加工需求，可以调节不同的旋转角度，同时可以用来加工角孔。

控制器控制第五电机启动，带动安装在第五电机输出轴上的第七齿轮转动，第七齿轮通过齿轮副带动第八齿轮转动，第八齿轮通过第五连杆带动第九齿轮转动，第九齿轮通过齿轮副带动第十齿轮转动，第十齿轮通过第六连杆带动第十一齿轮转动，第十一齿轮通过齿轮副带动第十二齿轮转动，从而带动磁极转动，通过上述步骤实现了加工工件时磁场的旋转，有助于孔内的等离子体的排出，提高加工质量，增大加工效率。

本发明的有益效果是：本发明能克服现有加工平台的技术缺陷，可实现工件的双面激光加工，工件的自动反转，三自由度超声振动及工件的三自由度振动等功能，具有工作可靠、自动化程度高、功能多样化、维护便捷、加工效率高、工件加工质量高、适用性强等众多优点。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的工件装夹机构结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1、图2所示，一种旋转磁场与超声振动辅助的激光加工装置，包括机架1、激光加工装置2、超声振动装置3、工件装夹装置4、旋转磁场装置5、控制器6，所述的机架1包括底座11、第一支架12、第二支架13、第三支架14、安装架15、水箱挡板16、水箱17，所述的第一支架12安装在底座11上，所述的第二支架13安装在底座11上，所述的第三支架14安装在底座11上，所述的安装架15有两个，安装在底座11上，所述的水箱挡板16安装在安装架15上，所述的水箱17安装在水箱挡板16上，所述的激光加工装置2安装在底座11上，所述的超声振动装置3安装在机架1上，所述的工件装夹装置4安装在机架1上，所述的旋转磁场装置5安装在底座11上，所述的控制器6安装在底座11上。

如图1所示，所述的激光加工装置2包括第一丝杠传动机构21、第二丝杠传动机构22、第三丝杠传动机构23，所述的第一丝杠传动机构21包括第一导轨平台211、第一电机212、第一丝杠213、第一导轨214、第一支座215，所述的第一导轨平台211安装在底座11上，所述的第一电机212安装在第一导轨平台211上，所述的第一丝杠213安装在第一电机212的输出轴上，所述的第一导轨214有两个，第一导轨214通过螺栓安装在第一导轨平台211上，所述的第一支座215通过螺栓安装在第一导轨平台211上，所述的第二丝杠传动机构22包括第二电机221、第二丝杠222、第二导轨223、第二支座224、第一移动平台225，所述的第二电机221安装在第一移动平台225上，所述的第二丝杠222安装在第二电机221的输出轴上，所述的第二导轨223有两个，第二导轨223通过螺栓安装在第一移动平台225上，所述的第二支座224通过螺栓安装在第一移动平台225上，所述的第一移动平台225安装在第一丝杠213和第一导轨214上，第一移动平台225与第一丝杠213形成螺旋副，第一移动平台225与第一导轨214形成移动副，所述的第三丝杠传动机构23包括第三电机231、第三丝杠232、第三导轨233、第三支座234、第二移动平台235、第三移动平台236、激光器237，所述的第三电机231安装在第二移动平台235上，所述的第三丝杠232安装在第三电机231的输出轴上，所述的第三导轨233有两个，第三导轨233通过螺栓安装在第二移动平台235上，所述的第三支座234通过螺栓安装在第二移动平台235上，所述的第二移动平台235安装在第二丝杠222和第二导轨223上，第二移动平台235与第二丝杠222形成螺旋副，第二移动平台235与第二导轨223形成移动副，所述的第二移动平台235安装在第二丝杠222和第二导轨223上，第二移动平台235与第二丝杠222形成螺旋副，第二移动平台235与第二导轨223形成移动副，所述的第三移动平台236安装在第三丝杠232和第三导轨233上，第三移动平台236与第三丝杠232形成螺旋副，第三移动平台236与第三导轨233形成移动副，所述的激光器237通过螺栓安装在第三移动平台236上。

如图1、图2所示，所述的超声振动装置3包括第一超声振动机构31、第二超声振动机构32、第三超声振动机构33，所述的第一超声振动机构31包括第一超声换能器311、第一超声变幅杆312，所述的第一超声换能器311安装在底座11上，所述的第一超声变幅杆312的一端安装在第一超声换能器311上，第一超声变幅杆312的另一端安装在水箱17的底部，所述的第二超声振动机构32包括第二超声换能器321、第二超声变幅杆322、第一超声放大板323，所述的第二超声换能器321安装在水箱17上，所述的第二超声变幅杆322的一端安装在第二超声换能器321上，第二超声变幅杆322的另一端通过螺栓安装在第一超声放大板323上，所述的第三超声振动机构33包括第三超声换能器331、第三超声变幅杆332、第二超声放大板333，所述的第三超声换能器331安装在水箱17上，所述的第三超声变幅杆332的一端安装在第三超声换能器331上，第三超声变幅杆332的另一端通过螺栓安装在第二超声放大板333上。

如图1、图2所示，所述的工件装夹装置4包括第一齿轮传动机构41、蜗轮蜗杆传动机构42、工件装夹机构43，所述的第一齿轮传动机构41包括第一齿轮411、第二齿轮412、第一连杆413、第一支撑414、第三齿轮415、第四齿轮416、第二连杆417、第二支撑418、第五齿轮419，所述的第一齿轮411安装在第四电机437的输出轴上，所述的第二齿轮412通过键安装在第一连杆413上，第二齿轮412与第一齿轮411相啮合，所述的第一连杆413通过轴承安装在第一支撑414上，所述的第一支撑414通过螺栓安装在底座11上，所述的第三齿轮415通过键安装在第一连杆413上，第三齿轮415与第四齿轮416形成齿轮副，所述的第四齿轮416通过键安装在第二连杆417上，所述的第二连杆417通过轴承安装在第二支撑418上，所述的第二支撑418通过螺栓安装在第一导轨平台211上，所述的第五齿轮419通过键安装在第二连杆417上，所述的蜗轮蜗杆传动机构42包括第六齿轮421、第三连杆422、第三支撑423、蜗杆424、蜗轮425，所述的第六齿轮421通过键安装在第三连杆422上，第六齿轮421与第五齿轮419相啮合，所述的第三连杆422通过轴承安装在第三支撑423上，所述的第三支撑423通过螺栓安装在第二支架13上，所述的蜗杆424通过键安装在第三连杆422上，所述的蜗轮425通过键安装在第四连杆434上，蜗轮425与蜗杆424形成蜗轮副，所述的工件装夹机构43主要包括第一夹板431、第二夹板432、螺栓433、第四连杆434、红外发生器435、红外接收器436、第四电机437，所述的第一夹板431通过螺栓433安装在第二夹板432上，所述的第二夹板432通过螺栓安装在第四连杆434上，所述的红外发生器435安装在第四连杆434上，所述的红外接收器436通过螺栓安装在安装架15上，所述的第四电机437安装在第一支架12上。

如图1所示，所述的旋转磁场装置5包括第二齿轮传动机构51、旋转磁场平台52，所述的第二齿轮传动机构51包括第五电机511、第七齿轮512、第八齿轮513、第五连杆514、第四支撑515、第九齿轮516，所述的第五电机511安装在第三支架14上，所述的第七齿轮512安装在第五电机511的输出轴上，所述的第八齿轮513通过键安装在第五连杆514上，第八齿轮513与第七齿轮512相啮合，所述的第五连杆514通过轴承安装在第四支撑515上，所述的第四支撑515通过螺栓安装在底座11上，所述的第九齿轮516通过键安装在第五连杆514上，所述的旋转磁场平台52包括第十齿轮521、第六连杆522、第五支撑523、第十一齿轮524、第十二齿轮525、磁极526，所述的第十齿轮521通过键安装在第六连杆522上，第十齿轮521与第九齿轮516相啮合，所述的第六连杆522通过轴承安装在第五支撑523上，所述的第五支撑523通过螺栓连接在第二支架13上，所述的第十一齿轮524通过键安装在第六连杆522上，所述的第十二齿轮525安装在第二支架13上，第十二齿轮525与第十一齿轮524相啮合，所述的磁极526通过螺栓安装在第十二齿轮525上。

加工前，启动控制器6，控制器6控制第四电机437启动，将工件装夹机构43调至水平，通过旋转螺栓433调节第一夹板431与第二夹板432至合适位置，从而可以装夹不同厚度的工件；加工时，启动控制器6，控制器6控制第一电机212、第二电机221、第三电机231同时启动，第一电机212启动，带动安装在第一电机212输出轴上的第一丝杠213转动，进而带动第一移动平台225沿第一导轨214移动到指定位置，第二电机221启动，带动安装在第二电机221输出轴上的第二丝杠222转动，进而带动第二移动平台235沿第二导轨223移动到指定位置，第三电机231启动，带动安装在第三电机231输出轴上的第三丝杠232转动，进而带动第三移动平台236沿第三导轨233移动到指定位置，控制器6控制第一电机212、第二电机221、第三电机231关闭，通过上述步骤将激光器237移动到了指定位置。

加工前，向水箱17内注入所需加工辅助液体(水、氢氟酸或其他液体)；加工时，启动控制器6，控制器6控制超声振动机构31启动，控制器6输出一个给定的振幅与频率，通过第一超声波换能器311、第一超声变幅杆312、水箱17，使水箱17内液体产生一个沿z轴的方向的振动；通过第二超声换能器321，第二超声变幅杆322，第一超声放大板323，使水箱17内的液体产生一个沿x方向的振动；通过第三超声换能器331、第三超声变幅杆332、第三超声放大板333，使水箱17内的液体产生一个沿y方向的振动，通过上述步骤最终实现了工件的三自由度超声振动，可大大减少附着在孔壁的熔融物，同时，减小加工过程中产生的氧化层，提高加工效率，根据不同的加工需求，也可以调节振动的自由度数目及辅助液体的类别。

控制器6控制第四电机437启动，带动安装在第四电机437输出轴上的第一齿轮411转动，第一齿轮411通过齿轮副带动第二齿轮412转动，第二齿轮412通过第一连杆413带动第三齿轮415转动，第三齿轮415通过齿轮副带动第四齿轮416转动，第四齿轮416通过第二连杆417带动第五齿轮418转动，第五齿轮418通过齿轮副带动第六齿轮421转动，第六齿轮421通过第三连杆422带动蜗杆424转动，蜗杆424通过蜗轮副带动蜗轮425转动，蜗轮425通过键带动第四连杆434转动，从而带动红外发生器435转动，控制器6控制红外接收器436启动，控制红外接收器436打开指定红外信号接收端口，当红外发生器435发出的红外线被红外接收器436指定接收端口接收时，对控制器6发送反馈信号，使第四电机437停止工作，通过上述步骤最终实现了工件的反转，以达到双面加工的目的，根据不同加工需求，可以调节不同的旋转角度，同时可以用来加工角孔。

控制器6控制第五电机511启动，带动安装在第五电机511输出轴上的第七齿轮512转动，第七齿轮512通过齿轮副带动第八齿轮513转动，第八齿轮513通过第五连杆514带动第九齿轮516转动，第九齿轮516通过齿轮副带动第十齿轮521转动，第十齿轮521通过第六连杆522带动第十一齿轮524转动，第十一齿轮524通过齿轮副带动第十二齿轮525转动，从而带动磁极526转动，通过上述步骤实现了加工工件时磁场的旋转，有助于孔内的等离子体的排出，提高加工质量，增大加工效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实验例的限制，上述实验例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。