激光柔性加工系统的制作方法

专利名称：激光柔性加工系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工技术，特别是涉及智能测量的多功能光机电数控一 体化的激光加工及工艺系统，其中采用了柔性光导纤维来传输激光并且光束 经过变换，该系统具有多轴联动的机械部分、导轨及运载小车。
背景技术：
目前的激光加工系统可分为三大类 一是机械臂式激光加工机器人，二 是激光加工中心，三是激光加工专用设备。在发明名称为"用于切割与焊接的激光加工机器人"的美国专利US4870246中，介绍了这样一种技术，其中 采用了框架式结构，使加工机器人沿水平和垂直线性运动并且在垂直平面内 进行旋转运动，并且以中空加工臂为中心进行二到三维极坐标运动，由此完 成加工动作。在发明名称为"用于焊接与切割的激光机械设备"的美国专利 US5221823中，介绍了一种关节臂式机器人。上述两种系统的共同特点是， 激光传输采用光学折返镜式传输系统，通过中空的腔式结构将大功率激光从 激光器传到加工面。图1给出了美国专利US5221823所采用的传输装置。可 以看出，这种传输激光的方法为了保证激光传递光路的正确，传输装置的运 动方式十分受限制，不仅加工中机器人的运动控制较为复杂，而且也使利用 现有机械装置进行激光加工装备的改造难度增大。上述两种专利技术的设备 的第三个缺陷是，都只是通过光学折返镜式传输系统将激光直接由激光器传 到加工面，而未对加工中使用的激光作进一步的处理。这虽然是目前的激光加工设备主要采用的方式，但由于在实际工业生产中，针对不同的加工，激 光的空间分布和强度分布要求也会有不同，因此，这种直接使用激光器加工 的设备，大多只能以专用设备的形式出现，适用面较窄，远远满足不了实际 需要。另外，目前的激光加工设备基本上均为单纯的加工设备，自身不具备 测量能力，因此加工的精确性在很大程度上依赖于加工工件外形尺寸，如果 工件由于某种原因没有工件外形设计数据，则须借助于外部的测量设备，这 又产生了测量数据与加工数据之间出现误差的问题。作为与本发明最接近的现有技术，中国发明专利98101217. 5涉及一种 具有柔性传输和多轴联动的激光加工装置，在该发明专利的实际应用中遇到 了如下的一些问题加工件的装载问题，特别是在生产线上如何实现加工件的自动装载与卸载；该发明专利中的定位圆盘装置用于实现测量头与激光加 工头的换位，但在实际应用中该装置易产生与周边环境的碰撞干涉，对加工 造成不利影响；该技术的控制系统开放性较差，不能方便地控制激光加工来 完成各种加工需求的灵活操作，特别是如何实现激光器与机器人运动系统的 协调控制还有待改进。综上所述，由于现有激光加工技术的不足，目前的激光加工设备大多只 能用于某一特定的领域，限制了激光加工设备在工业上的广泛应用，因此就 需要一种改进的激光柔性加工系统。发明内容为了解决中国发明专利98101217. 5中存在的工件装载问题和控制系统 不完善的问题，本发明提出一种激光柔性加工系统，包括激光器；与激光 器形成光路连接的激光加工头；用于承载激光加工头的带有电机的机器人本体；测量头；用于控制激光器和机器人本体的控制装置；其特征在于，该系 统还包括导轨及运载小车，其设置在机器人本体的下方，所述控制装置包括 激光器控制单元和机器人运动控制单元，激光器控制单元和机器人运动控制 单元与协调控制单元连接，所述激光器控制单元与激光器相连接，机器人运 动控制单元与所述电机相连接。此外，为了解决中国发明专利98101217. 5中存在的测量头与激光加工 头在利用定位圆盘装置换位时易产生与周边环境碰撞干涉的问题，本发明还 提出一种激光柔性加工系统，包括激光器；与所述激光器形成光路连接的 激光加工头；用于承载所述激光加工头的带有电机的机器人本体；测量头； 用于控制所述激光器和所述机器人本体的控制装置；其特征是，所述机器人 本体上安装有由电机带动而既能沿水平方向左右移动也能上下运动的垂直 机械臂；在所述垂直机械臂的下端有用于择一地固定所述测量头和所述激光 加工头的夹具，所述控制装置包括激光器控制单元和机器人运动控制单元， 激光器控制单元和机器人运动控制单元与协调控制单元连接，所述激光器控 制单元与所述激光器连接，所述机器人运动控制单元与所述电机相连接。在上述技术方案中，所述协调控制单元包括收发机器人信号单元、收发 激光器信号单元和信号协调处理单元。在上述技术方案中，所述协调控制单元还包括用于操作者与该加工系统 进行交互的人机交互单元。在上述技术方案中，该系统还包括光导纤维和光学变换器，机器人本体 包括机器人框架，该机器人框架是如此构成的，在纵向横梁上装有滑轨，在 滑轨上设有由电机带动而能前后移动的水平横梁，在水平横梁上设有滑轨， 在水平横梁的滑轨上安装了由电机带动而既能沿水平方向左右移动也能垂直于水平横梁上下运动的垂直机械臂，所述光学变换器、激光加工头和测量 头均通过固定件安装在垂直机械臂的下端上，或者在垂直机械臂的下端联接 不同种类的机械臂，再在该机械臂的下端用固定件安装上光学变换器、激光 加工头和测量头，激光器的输出端与光学变换器之间依靠光导纤维相连，光 学变换器与激光加工头相连。在上述技术方案中，所述固定件是夹具。在上述技术方案中，该系统还包括设置在所述垂直机械臂的侧面的第二 夹具，用以在测量时临时装卡激光加工头。在上述技术方案中，所述控制装置采用单主站的线型网络拓扑结构，控 制装置设为过程现场总线的主站，激光器带有过程现场总线通信协议，所述 激光器设为从站。在上述技术方案中，连接在垂直机械臂下端上的不同种类的机械臂是绕垂直机械臂的中轴线360。旋转的旋转关节或摆动关节，其中由激光器发出的激光通过柔性光导纤维传输到光学变换器，在这里通过付立叶光学变换使 激光改变其空间强度的分布，通过激光加工头聚焦输出，使用两轴到五轴的 运动方式，利用外部数据和使用测量头所测的数据，由控制装置控制激光加 工头对工件进行加工。在上述技术方案中，该加工系统还包括设置在激光加工头上的、通入辅 助气体的结构。在上述技术方案中，在激光加工头上设有助焊剂输送结构。 在上述技术方案中，控制装置包括开放式运动控制器。 与现有技术相比，本发明的有益效果是，本发明的激光柔性加工系统解 决了加工件的装载问题，特别是在生产线上实现加工件的自动装载与卸载，并解决了现有技术的定位圆盘装置用于实现测量头与激光加工头的换位时 易产生与周边环境的碰撞干涉的问题。此外，本发明的控制系统开放性强， 方便控制激光加工完成各种加工需求的灵活操作，特别是激光器与机器人运 动系统的协调控制。


图l:现有技术中激光传输装置示意图。图2:根据本发明的、具有柔性传输和多轴联动的激光加工系统的工作 框图。图3:本发明所提供的、具有柔性传输和五轴联动的激光加工系统的结 构示意图。图4.1:本发明的激光加工头运动姿态示意图。图4. 2:本发明的激光加工头二维旋转运动示意图。图5:本发明的一种智能化测量头示意图。图6:本发明用于表面强化加工时的光束变换示意图。图7:本发明实施例1中的控制装置控制的工作流程图。图8:本发明实施例中的导轨和小车的示意图；图9:本发明实施例中的加工头及夹具示意图，图9中左侧(a)图表 示当进行加工时，激光加工头安装在工作装卡装置上；右侧(b)图表示当 进行测量时，将激光加工头由工作装卡装置取出并装卡于夹具上，而激光加 工头的工作装卡装置则用于装卡测量头，进行测量，测量头与激光加工头属 于同位同轴装卡，测量数据可直接用于加工，起到定位的作用；图10:本发明实施例中的控制装置的结构示意图；图ll:本发明实施例中的协调控制装置的结构示意图。 附图标记说明如下1.1激光冷却装置；1.2激光器；2光导纤维；3光学变换器；5机器 人本体；5.1摆动关节；5.3水平横梁；5.4旋转关节；5.5垂直机械臂； 5.6纵向横梁；6激光加工头；7控制装置；8加工工件；9激光在加工面 上形成的二维光斑分布；10车体；10.1导轨；10.2遥控器；10.3加工件； 11测量头所走过的轨迹；12新安装夹具；J1表示X向水平运动；J2表示 Y向水平运动；J3表示Z向垂直运动；J4表示激光加工头绕加工中轴线的 转动；J5表示激光加工头的摆动。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。 根据本发明，为解决加工件的装卸载问题，在加工系统中设置了运载小车。如图8所示，运载小车主要由车体和导轨及遥控器几部分构成。可由遥 控器控制其沿导轨运动。如图3和图8所示，当需要装载加工件时，可使小车沿导轨运动至机器人本体以外，装载加工件后，使小车回到机器人框架范 围内，并选择则合适的位置停放。在加工件加工完成后，小车载着加工件驶 出机器人框架范围并卸载加工件。本发明为了解决现有系统中定位圆盘装置在加工中易产生碰撞干涉的 问题，本发明对加工头装置进行了改进，取消了定位圆盘。如图9所示，在 机器人垂直机械臂下端侧面添加了激光头装卡装置(夹具)。当进行测量时， 将激光头由原装卡部位取出并装卡于上述夹具，而原激光头的装卡装置则用 于装卡测量头进行测量，这样，测量头与激光头属于同位同轴装卡，测量数据可直接用于加工，起到了原定位圆盘的作用，又避免了定位圆盘在加工过 程中易出现碰撞干涉的问题。实施例1如图3所示，提供一台具有柔性传输和双轴联动的激光加工系统，其中机器人本体的框架包括在长4米、宽3米、高2.0米的钢制纵向横梁5.6 上装有滑轨，并在其上安置水平横梁5.3，水平横梁5.3由电机带动在纵向 横梁5.6上可以前后移动，在水平横梁5.3上有滑轨。在上述滑轨上安装有垂直机械臂5. 5，在垂直机械臂的末端上，通过夹 具固定有激光加工头6、测量头4. l和光学变换器3，在此采用功率100瓦 至500瓦的近红外波长激光器，用一根介质实心的光导纤维将激光器和光学 变换器3相连接。如图10所示，控制装置7包括激光器控制单元4. 2和机器人运动控制 单元4. 3，激光器控制单元4. 2和机器人运动控制单元4. 3与协调控制单元 4. 4连接。控制装置7的激光器控制单元4. 2与激光器1. 2连接，所述机器 人运动控制单元4.3与机器人本体的电机相接。如图11所示，协调控制单 元4. 4包括收发机器人信号单元、收发激光器信号单元、信号协调处理单元， 还包括用于操作者与该加工系统进行交互的人机交互单元。机器人运动控制 单元4.3完成机器人的运动控制和状态信息(位置、速度等)反馈，对激光 器实现激光功率波形控制。控制装置7除了单独给电机和激光器发送命令 外，更重要的是使两者相互协调，协调控制单元4.4通过线程实时接收机器 人本体上电机的反馈信息，并对信息做出解释，判断是否需要协调激光器(如 启动、停止、更改功率波形等)并根据判断发出相应的控制命令。机器人运动控制装置4.3包括一个开放式运动控制器4. 5，该运动控制器4. 5通过一 个光电隔离器连接到一个通用I/O (即输入/输出)接口 4.6，运动控制器 4. 5连接到一个伺服放大器，并通过伺服放大器连接到机器人本体的电机即 图中所示的伺服电机。激光器1.2带有过程现场总线通信协议，控制装置7 采用单主站的线型网络拓扑结构，控制装置7设为过程现场总线的主站，激 光器1.2设为从站。控制装置的协调控制单元4.4与运动控制器4.5通过PCI 总线连接，激光器控制单元4.2与激光器1.2通过PFOFIBUS现场总线连接。 本实施例中采用1000W YAG脉冲激光器，功率在IOOO瓦以内可调，并可 在脉冲或连续两种模式下工作。PROFIBUS网络适配卡选用西门子公司的 CP5611通讯卡，开放式运动控制器选用美国GALIL公司的DMC数字运动 控制器。控制装置7的工作流程图如图7所示，加工过程比如是在厚度1.5 毫米的镀锌铝板上进行激光切割，激光器l的参数功率为500瓦，连续模 式。在加工开始前，在控制装置7上采用离线编程方式编写机器人运动控制 程序，机器人速度设置为40毫米/秒。进而设置激光参数并调用上述离线程 序进行加工。机器人从启动到停止必然会出现加速和减速过程，为保证加工 质量的一致性，应尽量保证加工段处于匀速过程，在机器人启动到达匀速阶 段，激光器处于等待状态，当机器人给出速度到达信号后，控制装置发送命 令使激光器启动，当加工完成后，机器人给出到位信号，控制装置7发送命 令使激光器和机器人都停止。实施例2提供一台具有柔性传输和三轴联动的激光加工系统。与实施例1不同的 是采用了可上下移动的垂直机械臂。实施例3提供一台具有柔性传输和四轴联动的激光加工系统。同实施例2相同，它还在垂直机械臂5.5下端用固定件固定一个可带动另一机械臂绕垂直机 械臂5. 5中轴线旋转的转动关节5. 4，并在转动关节5. 4上用固定件固定激 光加工头6、光学变换器3、测量头4。实施例4提供一台具有柔性传输和五轴联动的激光加工系统。同实施例3相同， 它还在转动关节5. 4上安装一个可做摆动运动的机械臂5. 1。系统如图3所 示，钢制机器人本体的框架5是长4. 5米、宽3. 1米且高2. 0米，在纵向横 梁5.6上装有滑轨，水平横梁5.3可以在其上由电机带动前后移动。水平横 梁5. 3上也装有滑轨，可供安装于其上的垂直机械臂5. 5可沿水平方向左右 移动，同时机械臂5.5上的电机又带动它可以上下移动。垂直机械臂5.5 的下端装有可绕垂直机械臂中轴线360。旋转的转动关节5.4，它又连接着 可作摆动的关节5.1，图4.2表示了这种结构的运动方式，图4. l表示始终 保持激光加工头6沿被加工面法线运动时的动作姿态。测量头4. 1与激光加 工头均通过夹具装于这个关节上，激光加工头6和测量头4. 1的固定可使用 夹具，即将激光加工头6和测量头4.1通过夹具直接安装到机械臂5. 5上； 控制装置7连接着激光器1、多轴联动的机械部分5和测量装置4，它负责 控制输出激光的参数、在线处理测量装置所获得的工件外形尺寸数据及控制 多轴联动的机械部分加工动作。激光柔性传输部分2采用低损耗、高功率的 工业光导纤维2，它连接在激光器1.2与光学变换器3之间，在完成激光功率或能量的传输时，不受机械运动的限制.光学变换器可对激光器产生的激 光按加工的要求进行付立叶光学变换处理。通过对入射光束的变换，可在加 工平面上产生满足要求的光强分布。对于不同的工业加工需求，只需换用相 对应的光束变换和聚焦部件，即可得到满足要求的激光束。智能化测量头通 过控制装置控制测量头沿工件表面的运动(它可智能地进行数据采集和运 动)在线地获取工件外形曲面的数据，如图5所示。由于测量部分与加工部 分使用同一套机械运动装置，这样既简化了结构，又便于测量数据与加工数 据的协调。多轴联动机械部分，通过控制装置控制，可产生激光加工所需的 动作。在本实施例中说明了又一种机械联动结构方式和两种固定激光加工 头、测量头的方式，控制装置控制部分同实施例l相同。实施例5提供一台具有柔性传输和五轴联动的激光加工系统，它用于曲(平)面 上的激光打孔、切割。利用实施例4述及的多功能五轴联动激光加工系统上，只是在激光加工头6上配装可在打孔与切割中通入辅助气体的装置，例如激光加工头的侧壁连接一根管子到气瓶上。以防止加工表面的氧化。可对大尺 寸工件的平面或复杂曲面施行高精度的打孔和切割加工。这种借助于辅助吹 气结构和适当的光束变换与聚焦系统而完成的打孔和切割无需后续处理，重复性好，精度高；加工热影响区小，不产生变形；可控性好，加工过程可一 次完成。在进行平面加工时，保持激光加工头姿态的固定，利用机器人本体 带动激光加工头产生平面运动，可完成大面积板材上多点打孔和复杂边界形 状工件切割的要求。在进行曲面加工时，利用二维旋转机构可实现激光加工 头在空间任意点的法线姿态，满足打孔与焊接需要加工激光垂直于加工面的要求，如图4. 1和图4. 2所示。可满足航空发动机叶片打孔以及汽车车身先 进制造技术中的板壳切割与裁剪这类有复杂曲面形状零件的加工要求，并具 有较高的精度。实施例6提供一台具有柔性传输和五轴联动的激光加工系统，它用于曲(平)面 上的激光焊接。使用实施例4所述的多功能五轴联动激光加工系统，只是在 激光加工头6上配装助焊剂输送结构，即可完成大面积的平面或复杂表面形 状的曲面工件的焊接加工。根据焊缝的形状、材料以及工艺要求，对光束进 行变换，并通过编程送入激光加工系统一次完成加工，可控性好，焊缝质量 比较有保证。在焊接过程中，由于被焊接的材料不同，所要求的聚焦后光斑 形状也不同，使用的助焊剂也不同，加上有些焊接轨迹是空间曲线，因此需 要一个五维动作数控系统。实施例7提供一台具有柔性传输和五轴联动的激光加工系统，它用于工件表面处 理，包括相变强化、熔凝、涂敷、合金化等，特别是模具的表面处理。利用 实施例4的系统，可对某些覆盖件模具和塑料模具进行表面处理。通过付立 叶光学变换技术产生的特定的光强分布，可对激光进行空间强度变换，在一 次单脉冲焦平面上产生二维的光斑列阵，极大地提高了处理速度(达2 3 个数量级)，如图6所示。利用多轴联动激光加工系统，可完成对具有复杂 曲面外形的模具表面的强化处理，以提高模具的质量和使用寿命。由于需要 表面强化的模具，生产单位并不一定将产品设计数据提供给使用者，或是设计数据与激光加工所需数据格式不同且难以转换，或是在生产中出现磨损而 需再次强化的模具，因此在加工时必须结合测量部分，以获取所加工模具的 精确三维尺寸。通过使用智能测量头，采用如图5所示的方式对模具表面进 行扫描，可以在线地还原模具的外形。由于测量头与加工部分使用同一套运 动机构， 一方面降低了成本，另一方面也可以保证测量头与激光加工头位置 的吻合，使测量数据可以立即形成加工数据完成加工，大大縮短了生产周期。实施例8提供一台具有柔性传输和五轴联动的激光加工系统，用于曲(平)面的激光切割、焊接。利用实施例4所述的多功能五轴联动激光加工系统及实施 例5中的辅助气体输送装置，添加小车系统(车体IO,导轨IO.I，遥控器 10. 2)，并在垂直机械臂下端侧面添加新的安装夹具12。如图3及图8所示， 加工时，小车由遥控器遥控驶出机器人框架范围，装载加工件10.3后再驶 入机器人框架范围并停在合适位置。此时车体起到工作台的作用。如图9 所示，将激光加工头6由原装卡位置取出，并将其装卡于新的安装夹具12 中。将测量头4. 1装卡于原激光加工头装卡位置上，从而保证测量头与激光 加工头位置的吻合，使测量数据可以立即形成加工数据完成加工。测量完成 后，将测量头4. l取出，将激光加工头6由新安装夹具中取出，重新装卡于 原位置。进而利用测量数据生成加工数据进行加工。加工完毕后，小车载着 加工件10. 3驶出机器人框架范围并进行卸载，从而完成一次加工。在本发明中，由于加工激光是通过光导纤维柔性传输的，不受机械运动 的影响，具体的机械装置既可如上所述采用三轴运动方式，也可根据需要采用两轴到五轴的运动方式，既可专门研制，也可利用现有设备改造而成。通 过控制装置的控制，始终保持激光加工头沿被加工面法线运动时的动作姿 态，进行差补，以实现多轴联动，即可在三维空间内进行大范围、高精度和 灵活快速的激光加工，包括在曲面上打孔、切割和焊接，表面强化处理以及 快速原形和模具的制造等。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而不是 要限制本发明。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技 术人员应当理解，对本发明的技术方案迸行修改或者等同替换，都不脱离本 发明技术方案的精神和范围，其均应被涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1. 一种激光柔性加工系统，包括激光器；与所述激光器形成光路连接的激光加工头；用于承载所述激光加工头的带有电机的机器人本体；测量头；用于控制所述激光器和所述机器人本体的控制装置；其特征是，所述激光柔性加工系统还包括设置在所述机器人本体下方的、用于工件的导轨及运载小车，并且所述控制装置包括激光器控制单元和机器人运动控制单元，所述激光器控制单元和所述机器人运动控制单元与协调控制单元连接，所述激光器控制单元与所述激光器连接，所述机器人运动控制单元与所述电机相接。
2、 根据权利要求1所述激光柔性加工系统，其特征是，所述机器人本 体有由所述电机带动而既能沿水平方向左右移动也能上下运动的垂直机械 臂；在所述垂直机械臂的下端有用于择一地固定所述测量头和所述激光加工 头的固定件。
3、 根据权利要求2所述激光柔性加工系统，其特征是，所述固定件是 夹具。
4、 根据权利要求3所述激光柔性加工系统，其特征是，还包括设置在 所述垂直机械臂的侧面的第二夹具。
5、 一种激光柔性加工系统，包括激光器；与所述激光器形成光路连接的激光加工头；用于承载所述激光加工头的带有电机的机器人本体；测量头；用于控制所述激光器和所述机器人本体的控制装置；其特征是，所述机 器人本体上安装有由电机带动而既能沿水平方向左右移动也能上下运动的垂直机械臂；在所述垂直机械臂的下端有用于择一地固定所述测量头或所述 激光加工头的夹具，并且所述控制装置包括激光器控制单元和机器人运动控制单元，所述激光器控制单元和所述机器人运动控制单元与协调控制单元连 接，所述激光器控制单元与所述激光器连接，所述机器人运动控制单元与所 述电机相连接。
6、 根据权利要求1或5所述激光柔性加工系统，其特征是，所述协调 控制单元包括收发机器人信号单元、收发激光器信号单元和信号协调处理单 元。
7、 根据权利要求1或5所述激光柔性加工系统，其特征是，所述协调 控制单元还包括用于操作者与所述激光柔性加工系统进行交互的人机交互 单元。
8、 根据权利要求1或5所述激光柔性加工系统，其特征是，所述控制 装置采用单主站的线型网络拓扑结构，所述控制装置设为过程现场总线的主 站，所述激光器带有过程现场总线通信协议，所述激光器被设为从站。
9、 根据权利要求1或5所述激光柔性加工系统，其特征是，所述激光 柔性加工系统还包括在所述激光加工头上设置通入辅助气体的结构和/或在 所述激光加工头上设置助焊剂输送结构。
10、 根据权利要求1或5所述激光柔性加工系统，其特征是，所述机器 人运动控制单元包括开放式运动控制器。
全文摘要
本发明公开了一种激光柔性加工系统，包括激光器；与激光器形成光路连接的激光加工头；用于承载激光加工头的带有电机的机器人本体；测量头；用于控制激光器和机器人本体的控制装置；导轨及运载小车，其设置在所述的机器人本体的下方，其中所述控制装置包括激光器控制单元和机器人运动控制单元，激光器控制单元和机器人运动控制单元与协调控制单元连接，激光器控制单元与激光器连接，机器人运动控制单元与电机相连。本发明解决了加工件的装载问题，解决了在现有技术的测量头与激光加工头的换位时易产生的与周边环境的碰撞干涉的问题，且控制系统开放性强。
文档编号B23K26/08GK101269441SQ200710064749
公开日2008年9月24日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者宁伟健, 宋宏伟, 王建伦, 王立新, 钢 虞, 郑彩云, 颜永振 申请人:中国科学院力学研究所