一种用于三维加工的激光振镜刻蚀头及其重组系统的制作方法

本发明属于先进制造领域中多轴数控机床、工业机器人和激光加工领域，特别涉及一种用于五轴机械铣削机床或多轴工业机器人的可重组高速振镜扫描激光三维刻蚀加工的激光振镜刻蚀头装置及其重组系统应用。

背景技术：

激光先进制造技术不仅具有高能束、非接触加工的优点，而且可以采用低惯量的高速扫描振镜实现2轴(xy轴)或3轴(xy轴+动态聚焦轴或机械运动轴z)的激光高速扫描加工。振镜这种光学扫描机构具有高速偏转定位激光的优点，但同时其固有的偏转投射原理也带来扫描精度受投射距离成比例影响的局限，在保证数十微米的高加工精度要求下，通常只能进行数十毫米范围的2d平面加工或者2.5d准三维加工。

传统的机械加工领域已经广泛采用多轴数控机床或旋转关节工业机器人实现数米甚至更大范围的柔性三维机械加工，将激光与多轴机床或工业机器人结合则可以实现大尺度复杂工件表面的三维激光加工。

已有将激光加工头安装到机器人或机床运动轴末端来方便的组成三维激光加工系统，如申请号为200920228700.x的实用新型申请“一种数控激光加工装置”和申请号为201710029392.x的发明专利申请“基于多自由度激光机器人的fss雷达罩加工方法和装置”，通过将激光加工头安装到多轴机床或工业机器人的末端，激光器与激光加工头通过光纤相连，采用原有nc数控系统即可控制多轴机床或工业机器人的三维运动运载激光头实现对大尺寸工件的三维激光切割、焊接或刻蚀加工。这种将激光切割头、焊接头甚至光纤激光直接组合到机器人或多轴机床的方式，系统结构比较简单，易于实现大幅面三维激光加工，但由于没有采用高速扫描振镜装置，加工速度只是由机床或机器人机械运动速度决定，因此没有发挥出光学加工的可高速偏转扫描的高效率优势。

为充分结合多轴机床三维加工的柔性和小惯量振镜高速光学扫描的优点，研究人员们也提出了将两者结合的设计方案。申请号为200810197661.2的发明专利申请“一种振镜式激光三维扫描系统”，将激光振镜固定在z轴移动机构上，来调节激光焦点在z轴方向的位置，通过分层扫描的原理实现准三维加工。对较复杂三维曲面零部件加工而言，申请号为201010115968.0的中国发明专利申请“一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法”公开了三轴数控机床+二轴偏转振镜的三维投影式激光刻蚀系统，在数据处理时将工件曲面投影到水平面，然后进行分层加工，通过三轴数控机床调整激光头的xyz空间位置以定位到各层，然后振镜扫描激光加工。这些方案由于关节数量和类型的限制，不具有空间姿态调整功能，因此是2.5d的准三维加工。

公开号为cn102151984a的发明专利申请“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”公开了具有标准数控机床拉刀接口的三坐标激光刻蚀加工头(包括两轴激光振镜和z轴)，将该激光刻蚀加工头安装至五轴联动数控机床的标准拉刀刀座上，成为五轴机床的一个标准刀具，可以方便的装载到五轴机床上完成对复杂自由曲面的3d激光表面纹理刻蚀加工。但是，其拉刀接口设计在提供方便性的同时，限制了激光刻蚀加工头的重量；同时激光器不在激光刻蚀加工头上，它们之间需要通过光纤或者镜片组等激光传输装置进行连接，影响激光三维加工的柔性。

针对以上多种装置的局限，需要开发一种新型的激光三维加工装置。

技术实现要素：

针对现有技术的以上局限或改进需求，本发明提供了一种用于跨尺度三维加工的激光振镜刻蚀头及其重组系统应用，其目的在于，提供一种模块式激光刻蚀加工头，将激光器和高速扫描振镜及两者之间的光学传输元器件都集成在激光刻蚀加工头，使其结构紧凑、装卸方便、使用灵活、并且能确实实现三维激光刻蚀加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于三维加工的刻蚀头，其将激光器和高速扫描振镜及连接两者的光学传输元器件集成一体，形成激光刻蚀加工头模块，该激光刻蚀加工头模块在使用时，与外界部件只有电气连接而无光学连接，以此方式提高激光刻蚀加工头模块的集成度，进而增强三维加工系统的柔性。

本发明提出的激光振镜刻蚀头模块集成了激光器与2轴(xy振镜)或3轴(xy振镜+z轴动态聚焦或者z轴电机)振镜扫描装置，将激光器与振镜集成在一起，减少了激光振镜刻蚀头模块与外部的光学传输连接件，减小了三维激光加工过程中的可能存在的干涉，在充分发挥小惯量振镜高速光学扫描的优点同时，可以最大限度发挥出多轴机床或机器人的三维加工的柔性。

由于将激光器集成在激光振镜刻蚀头内，增加了激光振镜刻蚀头的重量，因此本发明提出将激光振镜刻蚀头通过机械连接板固定到多轴机床或机器人的末端，金属机械连接板固定方式比采用拉刀接口方式可以承受更大的重量。根据需要还可以从多轴机床或机器人末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置以与激光刻蚀加工头连接，提高激光刻蚀加工头的稳定性。激光振镜刻蚀头固定到关节臂末端的方位可以绕z轴调整，刻蚀头内部振镜安装的位置以及振镜与激光器的相对位置根据需要设计。

进一步的，激光器选自光纤激光器、固体激光器或者二氧化碳激光器，光学传输元器件选自光纤和光学反射镜片组，高速扫描振镜选自二轴xy振镜、动态聚焦轴式的三轴扫描振镜和机械移动轴式的三轴扫描振镜。

进一步的，其还包括连接杆和安装板，连接杆与激光刻蚀加工头模块固定，安装板与连接杆固定，安装板上还设置有安装孔，以方便与外界使用刻蚀头的设备安装连接，此外，其还包括通讯线缆，该通讯线缆用于与外界使用刻蚀头的设备相通讯连接。

按照本发明的第二个方面，还提供如上所述刻蚀头的应用，激光刻蚀加工头模块通过固定板安装到五轴机床上或安装在工业机器人的最后一节关节臂的末端。

进一步的，激光刻蚀加工头模块固定到工业机器人的最后一节关节臂末端时，该激光刻蚀加工头模块能绕z轴调整方位。

按照本发明的第三个方面，还提供一种用于三维加工的激光振镜刻蚀头的重组系统，其包括五轴机床、如上所述的刻蚀头以及激光刻蚀cam系统，刻蚀头通过安装板设置在五轴机床a轴的末端且能绕z轴旋转90度的倍数，五轴机床上设置有与刻蚀头的通讯线缆连接插口相连接的通讯线缆，在五轴机床中设置有cnc控制系统，激光刻蚀cam系统与cnc控制系统以通讯线缆连接，以用于发送五轴机床的控制指令和接收五轴机床的状态参数，激光刻蚀cam系统通过控制信号线缆连通刻蚀头的通讯线缆连接插口，总体系统用作上位机控制cnc系统和刻蚀头协同动作，以完成对大型零件表面的三维激光刻蚀加工。

按照本发明的第四个方面，其包括工业机器人、如上所述的刻蚀头以及激光刻蚀cam系统，刻蚀头通过安装板设置在工业机器人最后一节关节臂末端法兰盘上且能绕工业机器人的j5轴旋转90度的倍数，工业机器人关节内设置有与刻蚀头的通讯线缆连接插口相连接的通讯线缆，刻蚀头的通讯和电气连接线缆也设置在工业机器人的关节内，在工业机器人内设置有cnc控制系统，激光刻蚀cam系统与cnc控制系统以通讯线缆连接，以用于发送工业机器人的控制指令和接收工业机器人的状态参数，激光刻蚀cam系统通过控制信号线缆连通刻蚀头的通讯线缆连接插口，总体系统用作上位机控制cnc系统和刻蚀头协同动作，以完成对大型零件表面的三维激光刻蚀加工。

通过激光刻蚀cam系统(又可称为cam控制系统)发送指令给cnc系统控制五轴数控机床或工业机器人关节联动完成三维空间运动，同时对刻蚀头发送指令实时控制其运功，协同完成扫描刻蚀加工。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明提供了一种将现有机械加工多轴数控机床和工业机器人重组为三维精密激光刻蚀系统的激光振镜刻蚀头装置和重组系统，激光振镜刻蚀头是一种集成式的模块化装置，装卸方便，使用灵活，能以较低成本实现三维激光加工功能，是对现有机械加工装备的一种突破性功能扩展。

2.激光振镜刻蚀头集成了激光器与振镜扫描装置，减少了激光振镜刻蚀头与机床(或机器人)不同运动关节之间的光学连接，可以更灵活的控制激光振镜刻蚀头位置和姿态，能实现更具有柔性的三维激光加工功能。

3.采用机械连接板将激光振镜刻蚀头固定到多轴机床或机器人的末端，可以承受更大重量的激光刻蚀加工头，根据需要还可以从多轴机床或机器人末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置与激光刻蚀加工头连接，提高了激光刻蚀加工头的稳定性。

4、通过激光刻蚀cam系统发送指令给cnc系统控制五轴数控机床或工业机器人关节联动完成三维空间运动，同时激光刻蚀cam系统对激光振镜刻蚀头激光器和振镜扫描装置发送指令实时控制，协同高速完成复杂功能的三维激光振镜扫描刻蚀加工。激光刻蚀cam系统功能包括分析处理待加工曲面三维数据模型，生成机床运动路径和振镜扫描刻蚀加工路径并转换成相应控制指令，以及五轴数控机床(或工业机器人)和激光刻蚀头的协同加工控制功能。

附图说明

图1是本发明实施例中激光振镜刻蚀头的结构示意图。

图2是本发明实施例中激光振镜刻蚀头重组至五轴机床后的加工系统结构示意图；

图3是本发明实施例中激光振镜刻蚀头重组到工业机器人后的加工系统结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-箱体2-连接杆3-安装板

4-安装孔5-振镜6-激光器

7-光学传输单元8-电气控制连接线9-激光振镜扫描区域

10-五轴数控机床11-连接插口12-cnc控制系统

13-cam系统

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例中激光振镜刻蚀头的结构示意图，如图1所示，包括箱体1、连接杆2、安装板3以及电气控制连接线8。箱体1中包括振镜5、激光器6、光学传输元器件7，安装板3上有安装孔4。振镜5可以是二轴xy振镜，也可以选择增加了动态聚焦轴或者机械移动轴的三轴振镜扫描机构。图1中的9为激光振镜扫描区域，两轴振镜扫描区域为平面，三轴振镜扫描区域为三维空间。激光器6可以是小型的光纤激光器、固体激光器或者二氧化碳激光器等。光学传输装置7通常选择光纤，也可以选择光学反射镜片组。

图2是本发明实施例中激光振镜刻蚀头重组至五轴机床后的加工系统结构示意图，如图2所示，其包括五轴机床10、cnc控制系统12和cam系统13。五轴数控机床10包括xyzac轴。激光振镜刻蚀头通过安装板3固定到机床a轴末端，装配的方向可以根据加工的需要绕z轴旋转90度的倍数。根据需要还可以从多轴机床末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置与激光刻蚀加工头连接，提高激光刻蚀加工头的稳定性。五轴机床关节内部有机床和激光振镜刻蚀头的通讯和电气线缆，该通讯和电气线缆与激光振镜刻蚀头通讯线缆8的连接插口11连通。cam系统13与cnc控制系统12之间有通讯线缆连接，以发送五轴机床的控制指令和接收机床状态。cam系统13与激光振镜刻蚀头之间有控制信号线缆通过接口11连接。cam系统作为上位机控制cnc系统和激光振镜刻蚀头协同动作，完成对大型零件表面的三维激光刻蚀加工。

图3为用激光振镜刻蚀头重组工业机器人示意图，图中包括工业机器人10、cnc控制系统12和cam系统13。工业机器人10包括第一、第二、第三、第四以及第五轴j1、j2、j3、j4、j5。激光振镜刻蚀头通过安装板3固定到机器人j5轴末端法兰盘上，装配的方向可以根据加工的需要绕j5轴中心线旋转90度的倍数。根据需要还可以从机器人末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置与激光刻蚀加工头连接，提高激光刻蚀加工头的稳定性。激光振镜刻蚀头的通讯和电气线缆通过机器人关节内部安装，工业机器人的通讯线缆与激光振镜刻蚀头通讯线缆8的连接插口11连通。cam系统13与cnc控制系统12之间有通讯线缆连接，以发送机器人的控制指令和接收其状态。cam系统13与激光振镜刻蚀头之间有控制信号线缆通过接口11连接。cam系统作为上位机控制cnc系统和激光振镜刻蚀头协同动作，完成对大型零件表面的三维激光刻蚀加工。

本发明装置在应用于重组传统的机械加工五轴数控机床(或工业机器人)时，配备激光三维刻蚀加工cam系统，cam系统完成待加工曲面三维数据模型的分析处理，生成机床运动路径和振镜扫描刻蚀加工路径并转换为相应控制指令，实现五轴数控机床(或工业机器人)和激光刻蚀头的协同加工控制功能。

cam系统与数控机床(或工业机器人)自带的cnc数控系统之间通过数据通讯线路(网线或者其他通讯协议连接线)连接。激光振镜刻蚀头上包括激光器、xy振镜、z轴动态聚焦或者z轴电机等部件与cam系统和cnc系统具有电气和控制通讯线缆连接。激光振镜刻蚀头上电源和控制信号线通过机床或工业机器人空心关节内部走线，也可以在关节外部走线，内部走线集成度更高更美观。

进行激光三维刻蚀加工时，将本发明装置激光振镜刻蚀头安装到五轴数控机床或机器人上，通过cam系统发送指令给cnc系统控制五轴数控机床(或工业机器人)关节联动完成三维空间运动，并可实时获得cnc系统的状态。同时cam系统还具有对激光振镜刻蚀头(包括激光器、xy振镜、z轴动态聚焦或者z轴电机等部件)的实时控制功能，以让激光振镜刻蚀头与五轴数控机床(或工业机器人)协同动作完成三维激光振镜扫描刻蚀加工功能。激光加工完成后，关闭cam系统，取下激光振镜刻蚀头，数控机床(或工业机器人)用其自带的cnc数控系统控制，即可恢复原有机械加工能力。

本发明提供的一种用于跨尺度三维加工的激光振镜刻蚀头及重组方法，其核心是将激光器和高速扫描振镜及两者之间的光学传输装置都集成在激光刻蚀加工头，然后通过固定板安装到五轴机床或工业机器人的最后一关节的末端，激光振镜刻蚀头与其他关节部件只有电气连接而无光学连接，提高了激光振镜刻蚀头的集成度，增强了三维加工系统的柔性。

本发明中提到的五轴数控机床指传统机械加工中的五轴数控铣床或类似的五轴数控机床，工业机器人指商用的旋转多关节工业机器人，空间定位精度通常为20um级。

本发明中cam系统也即激光刻蚀cam系统。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。