专利名称：多轴联动数控激光加工系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工领域的数控激光加工系统，用于对不同型号的工件进行激
光加工，包括焊接、切割和表面热处理等，特别是能满足大型工件的激光加工。
背景技术：
近年来，高功率激光加工技术因其加工效率高、无机械接触、易于实现自动化 等一系列优点，在工业领域正得到越来越广泛的应用。特别是激光加工系统的"刀具" 为激光，其加工特性与激光束的输出方式、能量大小以及所采用的光学系统、聚焦方式 等密切相关。当我们改变激光的输出功率、输出脉冲频率或占空比等参数时，或者改变 激光加工头的结构(如切割头、焊接头等)，相应的激光加工工艺也会改变，如从激光切 割改变为激光焊接或者激光表面强化处理等，而相应的机械结构、控制系统等几乎无需 改动。这样，我们就可以利用改变激光加工参数(包括工艺参数和加工头)的方法使某台 单功能的激光加工设备变为多功能的激光加工系统，实现智能化、柔性化加工。
目前的机器人激光加工系统常有两种形式 一种是基于常规数控机床的激光加 工设备(以下简称数控激光加工机床)，它的通用性好，不仅能满足光纤传输的固体激光 器激光加工的要求，而且满足依靠光学镜片反射、透射传输的<:02激光器的激光加工要 求；另一种是基于多轴工业机器人的激光加工系统，它的柔性化程度高，与固体激光器 的光纤输出相适应，能够满足各种复杂三维形状的激光加工要求。cod敫光器因无法用 光纤传输激光束，因此很少使用机器人作为加工系统。 数控激光加工机床按照所加工对象的性能要求，可以是二到五个自由度。通常 采用五个自由度的加工机床，称为五轴联动激光加工系统，它包括三个平动轴和二个回 转轴，可以加工大尺寸范围的复杂零件。但是在实际加工中却有其自身的技术难度
l.编程复杂，难度大。因为五轴加工除了三个直线平动外，还有两个旋转运动 轴参与，其合成的运动的空间轨迹相当复杂和抽象。为了加工出所需的空间自由曲面， 往往需要多次坐标变换和复杂的空间集合运算，同时还要考虑各轴运动的协调性，避免 干涉、冲撞，编程难度相当大。 2.对数控和伺服系统要求高。由于五轴加工要协调控制五个轴，数控系统必 须要有五轴联动的控制功能；另外合成运动有回转运动的加入，增加了插补运算的工作 量；回转运动的微小误差有可能放大，为了避免影响加工的精度，要求数控系统要有极 高的运算速度。 激光机器人加工系统一般采用关节式机器人，适合几乎任何角度和轨迹的工 作，可以自由编程，可控制的错误率，较高的生产效率。但是目前多数的机器人在应用 时定点在某个固定位置，由于机器人自身工作空间的限制，在实际加工中其工作范围偏 小，对于大型工件，如汽车的大型覆盖件模具、船舶与机车制造中的大型复杂零件的加 工无能为力。2/5页
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种多轴联动数控激光加工系统，该系统解决了 关节机器人激光加工系统加工范围小的问题，可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控 激光加工要求。
本发明提供的多轴联动数控激光加工系统，其特征在于 工作台上安装有第一直线导轨，第一直线导轨的两端分别安装有工作台尾座和 床头箱，第一、第二开式中心托架活动安装在第一直线导轨上，并位于工作台尾座和床 头箱之间； 导轨台安装在工作台旁，导轨台上设置有与第一直线导轨平行的第二直线导 轨，移动滑台活动安装在第二直线导轨上；机器人为三轴以上的工业机器人，机器人固 定在移动滑台上，激光加工头安装在机器人的最后一个关节末端上； 激光加工头通过光纤与激光器相连；冷却机通过冷却管分别与激光器及激光加 工头相连； 控制器分别通过控制线与机器人及移动滑台连接，控制机器人及控制移动滑台 带动机器人在导轨台上移动。 上述技术方案可以采用一种或多种方式进行改进(一)在导轨台的外侧安装有 拖链，光纤和冷却管安装在拖链内；(二)第一、第二开式中心托架结构相同，它们均包 括托架基座和安装在托架基座上的一对支撑架，托架基座安装在工作台的第一直线导轨 上， 一对支撑架对称安装在托架基座顶部的V型槽里，每个支撑架顶端均安装有滚轮； (三)导轨台包括轨座和安装在轨座上的第二直线导轨和齿条型直线导轨；移动滑台包括 进给滑座、伺服电机、限位开关和进给齿轮，进给滑座的底部设有与第二直线导轨配合 的滑槽，进给齿轮与齿条型直线导轨上的齿条配合，进给齿轮安装在进给滑座的底部， 伺服电机与进给齿轮连接，控制进给齿轮带动进给滑座沿第二直线导轨运动；(四)导轨 台包括轨座和安装在轨座上的丝杠螺杆和第二直线导轨；移动滑台包括进给滑座、伺服 电机、限位开关和丝杠滚珠螺母，进给滑座的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽，丝 杠滚珠螺母与轨座上的丝杠螺杆配合，丝杠滚珠螺母安装在进给滑座的底部，伺服电机 与丝杠螺杆连接，控制丝杠螺杆带动进给滑座沿第二直线导轨运动。 本发明系统将激光加工数控机床和关节机器人集合起来，不仅克服了现有激光 加工数控机床加工系统编程复杂、控制较难和费用高的缺陷，降低了数控编程的难度， 提高了激光加工系统的柔性化和自动化控制能力，而且大幅提高了激光加工效率和加工 零件尺寸范围，解决了关节机器人激光加工系统加工范围小的问题，可以满足大尺寸和 超大尺寸零部件的数控激光加工要求。具体而言，本发明具有以下技术效果
1、采用移动式结构，机器人不再固定在一个位置，它可以沿着直线导轨运动， 大大延伸了机器人的工作空间，从而能够加工大型工件和超大型工件，大幅度提高了加 工零件尺寸范围。 2、采用先进的多轴关节机器人，提高了系统的柔性和自动化控制能力。 一般而 言，现代的商业机器人本身已经开发了强大的软件控制系统，可以进行示教或者离线编 程，大大降低了复杂曲面加工的编程难度，提高了生产效率；此外，机器人本身一般带 有自身开发的控制系统，使整个加工设备的控制系统设计得到简化；而且随着工业机器人在工业、物流等领域的逐渐普及，价格越来越低，成套设备的制造成本也将降低。
3、该加工系统的"刀具"为激光，激光器可以采用业已成熟的固体激光器(包 括灯泵浦激光器、二极管泵浦全固态激光器、二极管激光器或者是光纤激光器)，其共同 特点是激光束可以通过光纤传输，因此可以和机器人的柔性化运动过程相结合，提高激 光加工的精度和效率。 4、工作台可以采用通用机床实现，工件的装夹和加工都非常方便，因此该加工 系统具有很大通用性，可以满足各种不同形状、尺寸的大型零部件的激光加工要求。
5、激光加工头可以根据加工需要进行更换，如分别采用激光焊接加工头，激光 切割加工头，激光熔覆加工头等，大大提高了激光加工设备的通用性和实用性。
6、将机器人各轴运动、工作台主轴的运动、移动滑台的运动都集成到机器人控 制器集中控制，最多可以实现系统的八轴联动控制。
图1为本发明系统的立体图；图2为本发明系统的主视图；图3为本发明系统的俯视图；图4为本发明系统的左视图；图5为移动滑台的主视图；图6为移动滑台的俯视图；图7为床头箱结构示意图；图8为开式中心托架的结构示意图。图9为轨道导轨台的左视图。
具体实施例方式
下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发 明的保护范围并不受这些实施例的限制。 如图1至图4所示，本发明系统包括机器人l，激光加工头2，工作台尾座3，第 一、第二开式中心托架4、 4'，工作台5，床头箱6，导轨台7，激光器8，冷却机9，控 制器IO，拖链ll，移动滑台12，光纤20。 移动滑台12包括进给滑座21、伺服电机22、限位开关23和进给部件。进给滑 座21的底部设有与第一直线导轨28和28'配合的滑槽25，可沿导轨台7进行移动。进 给部件安装在进给滑座21的底部上，可以根据不同的情况选择，如果导轨台7较短，就 可以使用滚珠丝杠装置，如果导轨台7较长，就可以选用齿轮齿条装置。图5-6为导轨 台7较长时滑座的结构，进给齿轮24与伺服电机22相连，并与齿条型直线导轨27上的 齿条啮合。当伺服电机22转动时，通过进给齿轮24可以拖动进给滑座21沿导轨台7上 运动。限位开关23装在进给滑座21两侧，当滑座移动到导轨台7的两个末端时，限位 开关23将会报警并会使伺服电机22紧急停止。 床头箱6可以采用现有的结构，但并不局限于此。如图7所示，床头箱6的通 常结构包括卡盘16、主轴17、变速箱18和驱动电机19。卡盘16用来夹持工件，对工件起到固定和定心作用。主轴17—端与卡盘16相连， 一端跟变速箱18相连，主要用来 传递动力，使卡盘16可以进行回转运动。变速箱18通过换挡起到调节卡盘16转速的功 能。驱动电机19与变速箱18相连，用来提供卡盘16转动的动力。 尾座3也可以采用通用的结构，它包括尾座基座和顶尖，顶尖用来对工件进行 对中和夹紧工件，基座可以在工作台的直线导轨上进行移动，达到调整顶尖与床头箱6 的卡盘16之间的距离，从而使加工系统能加工不同尺寸范围的工件。
第一、第二开式中心托架4、 4'结构相同，如图8所示，它们均包括托架基座 13和安装在托架基座上的一对支撑架14。托架基座13安装在工作台5的直线导轨上，可 以带动整个托架沿工作台横向移动。 一对支撑架对称安装在托架基座顶部的V型槽里。 每个支撑架顶端均安装有滚轮15，在托架托起工件加工时，滚轮可随工件一起转动，可 减少工件与托架之间的摩擦。 当工件很长时，由于自重或者加工过程中产生的热应力会使工件中部产生下垂 变形，托架可以从两侧对称的托起工件，避免上述现象发生，从而保证工件加工精度。
工作台5主要用来支撑工件，主要由工作台台面和第二直线导轨构成。
导轨台7位于工作台5的一侧，并与工作台5平行，移动滑台12安装在导轨台7 上。图9是导轨台7较短时结构，它由第一直线导轨28和28'、齿条型直线导轨27和 轨座26组成。如果导轨台较短，可采用滚珠丝杠结构，只需将移动滑台的进给部件12 由进给齿轮改为滚珠丝杠螺母，导轨台7的齿轮齿条改成滚珠丝杠，移动滑台12通过滚 珠丝杠副的驱动在导轨台7上运动。 机器人l是加工系统的运动中枢，本发明采用三至六轴的多轴工业机器人，它 可以采用现有的市售产品但并不局限于此。机器人l固定安装在移动滑台12上。控制 器10包括二部分， 一部分为对机器人1主体的控制部分，通过与机器人1上的各个电机 连接实现对机器人动作的控制，另一部分为移动滑台12和主轴17的控制部分。控制器 IO是机器人的大脑，也是整个加工系统的核心部分。它不但可以通过离线或者示教编程 控制机器人l的内部轴按照预定的程序进行运动，而且还具有扩展功能。通过离线或者 示教编程后，生成机器人可识别的运动代码，使机器人带动激光加工头2按照程序设定 的路径进行运动。 机器人1在控制器10的控制下，可以随着移动滑台12在导轨台7上移动。
控制器10可以通过控制伺服电动机22的转速和转动圈数来控制机器人在导轨台 7上的移动速度和移动距离。 床头箱6安装在工作台5的直线导轨上，尾座3安装在工作台5的直线导轨上， 开式中心托架4、 4'安装在工作台5的直线导轨上，并位于床头箱6和尾座3之间。
激光加工头2通过法兰盘固结在机器人1的最后一个关节末端，它是加工系统的 执行装置，相当于机械加工中的刀具。激光加工头2可根据不同的加工需要进行更换， 比如激光焊接时使用的焊接加工头，激光切割时使用切割加工头。 激光器8主要用来提供加工使用的光源，它通过光纤20与激光加工头2相连。 激光器8可以是灯泵浦激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器或者其它能够方 便通过光纤传输的激光器，它主要是用来产生加工中心的"刀具"——激光，并对激光 的参数进行控制和优化。
冷却机9通过冷却管分别与激光器8及激光加工头2相连，用于对激光器8、光 纤20及激光加工头2中的镜片进行冷却。 拖链11位于导轨台7的外侧，光纤和冷却管安装在拖链11内，可以使其在机器 人往复运动中不受损坏，而且能使加工系统整体上更加美观。
本发明的多轴激光加工设备的工作流程 (l)测试加工系统的各部分是否运行正常，包括机器人l、激光器8、冷却机9、 激光加工头2、工作台等。 (2)调整卡盘16、尾座3和中心托架4的位置，将待加工零件装夹在工作台上。 (3)在多轴工业1机器人调整到加工的初始位置，并建立基坐标系。 (4)根据待加工工件的三维几何尺寸和其坐标系，运用机器人语言进行离线编程。 (5)将编程程序输入控制器10，并示教测试。 (6)测试结果无误后，进行正式加工。 (7)加工完毕，根据需要，确定是否加工另一个零部件； (8)关闭加工系统各部件。 控制器10通过控制机器人1的三到六个轴、移动滑台12的进给轴和床头箱6的 主轴，能实现系统五到八轴的联动，组成多轴联动系统。 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图 所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发 明保护的范围。
权利要求
一种多轴联动数控激光加工系统，其特征在于工作台(5)上安装有第一直线导轨，第一直线导轨的两端分别安装有工作台尾座(3)和床头箱(6)，第一、第二开式中心托架(4、4’)活动安装在第一直线导轨上，并位于工作台尾座(3)和床头箱(6)之间；导轨台(7)安装在工作台(5)旁，导轨台(7)上设置有与第一直线导轨平行的第二直线导轨，移动滑台(12)活动安装在第二直线导轨上；机器人(1)为三轴以上的工业机器人，机器人(1)固定在移动滑台(12)上，激光加工头(2)安装在机器人(1)的最后一个关节末端上；激光加工头(2)通过光纤与激光器(8)相连；冷却机(9)通过冷却管分别与激光器(8)及激光加工头(2)相连；控制器(10)分别通过控制线与机器人(1)及移动滑台(12)连接，控制机器人(1)及控制移动滑台(12)带动机器人(1)在导轨台(7)上移动。
2. 根据权利要求1所述的多轴联动数控激光加工系统，其特征在于导轨台(7)的外 侧安装有拖链(ll)，光纤和冷却管安装在拖链(ll)内。
3. 根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工系统，其特征在于第一、第二开式中心托架(4、 4')结构相同，它们均包括托架基座(13)和安装在托 架基座上的一对支撑架(14)，托架基座(13)安装在工作台(5)的第一直线导轨上， 一对支 撑架(14)对称安装在托架基座顶部的V型槽里，每个支撑架顶端均安装有滚轮(15)。
4. 根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工系统，其特征在于导轨台(7) 包括轨座(26)和安装在轨座(26)上的第二直线导轨和齿条型直线导轨(27);移动滑台(12)包括进给滑座(21)、伺服电机(22)、限位开关(23)和进给齿轮(24)，进 给滑座(21)的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽(25)，进给齿轮(24)与齿条型直线导 轨(27)上的齿条配合，进给齿轮(24)安装在进给滑座(21)的底部，伺服电机(22)与进给 齿轮(24)连接，控制进给齿轮(24)带动进给滑座(21)沿第二直线导轨运动。
5. 根据权利要求1或2所述的多轴联动数控激光加工系统，其特征在于 导轨台(7)包括轨座(26)和安装在轨座(26)上的丝杠螺杆和第二直线导轨； 移动滑台(12)包括进给滑座(21)、伺服电机(22)、限位开关(23)和丝杠滚珠螺母，进给滑座(21)的底部设有与第二直线导轨配合的滑槽(25)，丝杠滚珠螺母与轨座(26)上的 丝杠螺杆配合，丝杠滚珠螺母安装在进给滑座(21)的底部，伺服电机(22)与丝杠螺杆连 接，控制丝杠螺杆带动进给滑座(21)沿第二直线导轨运动。
全文摘要
本发明提供的多轴联动数控激光加工系统，其结构为工作台上安装有直线导轨，导轨的两端分别安装有工作台尾座和床头箱，二个开式中心托架活动安装在导轨上，并位于工作台尾座和床头箱之间；导轨台安装在工作台旁，导轨台上设置有与另一平行的导轨，移动滑台活动安装在该导轨上；机器人固定在移动滑台上，激光加工头安装在机器人的最后一个关节末端上；激光加工头通过光纤与激光器相连；冷却机通过冷却管分别与激光器及激光加工头相连；控制器分别通过控制线与机器人及移动滑台连接，控制机器人及控制移动滑台带动机器人在导轨台上移动。该系统解决了关节机器人激光加工系统加工范围小的问题，可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的数控激光加工要求。
文档编号B23K26/08GK101690993SQ20091027236
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者吴哪吒, 曾晓雁, 李祥友, 杜敏, 段军, 胡乾午, 高明 申请人:华中科技大学