一种多轴数控激光加工设备及其加工方法与流程

本发明涉及高精密雕刻加工领域，尤其涉及一种多轴数控激光加工设备及其加工方法。

背景技术：

在汽车工业和航空航天工业中，高精密雕刻加工占据着非常重要的位置，目前在工业应用上主要采用传统的机械雕刻加工，但是，传统的机械雕刻加工存在加工精度不高、效率低等问题，随着技术的快速发展，传统的机械雕刻加工已不能满足于新的工艺研发和生产。目前，出现了激光雕刻技术，其中，激光雕刻是通过激光所产生的巨大能量直接将材料熔化或者气化,通过与数控系统的配合从而达到我们零件想要的雕刻加工目的，但是，已有的激光器加工设备，大多存在雕刻加工的加工精度不高，效率不高等问题。

因此，如何解决复杂曲面的雕刻加工，提高工业中的雕刻加工的加工精度和效率是一个急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种多轴数控激光加工设备及其加工方法，以实现针对复杂曲面的高精度和高效率的加工，降低加工件的报废率，并提高激光加工的自动化程度。

为实现上述目的，本发明提供了一种多轴数控激光加工设备，包括机床主体，还包括：

激光器模块，用于产生激光束；

控制组件，用于控制所述激光器模块在垂直方向上移动；

工件装夹支座，用于装夹待加工的加工件，还用于控制加工件旋转和在水平方向上的移动；

数控机床模块，用于划分轴向，将所述激光器模块的垂直移动方向划分为z轴，将所述工件装夹支座所在的水平方向划分为x轴，平面内垂直于所述x轴的方向为y轴，将加工件旋转的方向划分为c轴；所述数控机床模块还用于控制所述激光器模块和所述工件装夹支座在相应的轴向上运动；

所述工件装夹支座安装在所述机床主体上，所述激光器模块安装在所述工件装夹支座的上方，所述控制组件与所述激光器模块相连，所述数控机床模块分别与所述激光器模块、所述控制组件、以及所述工件装夹支座连接。

优选地，所述激光器模块包括激光器、安装在所述激光器出射位置用于聚焦激光束的聚焦器件、以及用于控制所述激光器开启或关闭的开关，所述数控机床与所述开关相连，并通过所述开关控制所述激光器的开启或关闭。

优选地，所述激光器为单模固体皮秒激光器，所述单模固体皮秒激光器的脉冲波长为1064nm、532nm或355nm，平均功率的范围为10w至100w。

优选地，所述激光器为单模光纤激光器，所述单模光纤激光器的波长为1064nm或1080nm，平均功率为10w至3000w。

优选地，所述控制组件包括用于控制所述激光器模块在垂直方向上移动的升降机构，所述升降机构与所述激光器模块连接。

优选地，所述升降机构为导轨滑台。

优选地，所述工件装夹支座包括旋转轴，所述旋转轴用于连接待加工工件，并带动所述待加工工件旋转。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种应用于上述多轴数控激光加工设备的加工方法，包括以下步骤：

s1：在数控机床模块中设定包含加工点位的待加工信息；

s2：数控机床模块控制工件装夹支座在c轴上按设定速度进行匀速旋转，根据所述待加工信息控制工件装夹支座在x轴和y轴上移动到需加工的位置；

s3：数控机床模块实时检测工件装夹支座旋转的角度信息，当工件装夹支座的角度信息符合待加工信息中的加工点位时，数控机床模块控制激光器模块开启工作，产生激光束对待加工件进行雕刻，以实现对加工件的某一圈加工；

s4：数控机床模块调整工件装夹支座在x轴和y轴上的位置，控制组件调整激光器模块在z轴上的位置，返回s3继续加工，直至加工完整个待加工件。

优选地，所述s2中，所述数控机床模块控制工件装夹支座在c轴上按设定速度进行匀速旋转之前还包括步骤：

数控机床模块控制工件装夹支座以一定加速度加速至所述设定速度。

优选地，所述多轴数控激光加工设备还包括用于实时检测工件装夹支座旋转的角度信息的编码盘，所述数控机床模块通过所述码盘获取所述工件装夹支座旋转的角度信息。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种多轴数控激光加工设备及其加工方法，包括用于产生激光束的激光器模块，用于控制激光器模块在垂直方向上移动的控制组件，用于装夹待加工的加工件，还用于控制加工件旋转和在水平方向上的移动的工件装夹支座，用于划分轴向，并控制激光器模块和工件装夹支座在相应的轴向上运动的数控机床模块；工件装夹支座安装在机床主体上，激光器模块安装在工件装夹支座的上方，控制组件与激光器模块相连，数控机床模块分别与激光器模块、控制组件、以及工件装夹支座连接；能实现针对复杂曲面的高精度和高效率的加工，降低加工件的报废率，并提高激光加工的自动化程度。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的多轴数控激光加工设备结构示意图；

图2是本发明优选实施例的轴向划分情况示意图。

附图标记：

1、激光器模块；2、控制组件；3、工件装夹支座；4、数控机床模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种多轴数控激光加工设备，包括机床主体，还包括：

激光器模块1，用于产生激光束；

控制组件2，用于控制激光器模块1在垂直方向上移动；

工件装夹支座3，用于装夹待加工的加工件，还用于控制加工件旋转和在水平方向上的移动；

数控机床模块4，用于划分轴向，如图2所示，将激光器模块1的垂直移动方向划分为z轴，将工件装夹支座3所在的水平方向划分为x轴，平面内垂直于x轴的方向为y轴，将加工件旋转的方向划分为c轴；数控机床模块4还用于控制激光器模块1和工件装夹支座3在相应的轴向上运动；

工件装夹支座3安装在机床主体上，激光器模块1安装在工件装夹支座3的上方，控制组件2与激光器模块1相连，数控机床模块4分别与激光器模块1、控制组件2、以及工件装夹支座3连接。

上述的多轴数控激光加工设备，能实现复杂曲面表面的高精度和高效率雕刻加工，降低加工件的报废率，并提高激光加工的自动化程度。

作为本实施例优选的实施方式，激光器模块1包括激光器、安装在激光器出射位置用于聚焦激光束的聚焦器件、以及用于控制激光器开启或关闭的开关，数控机床与开关相连，并通过开关控制激光器的开启或关闭。本实施例中，采用聚焦镜作为聚焦器件，通过聚焦镜将激光器产生的激光束进行聚焦后作用于待加工件，可以更好地达到雕刻的效果。

作为本实施例优选的实施方式，激光器为单模固体皮秒激光器，单模固体皮秒激光器的脉冲波长可以为1064nm、532nm或355nm，平均功率的范围为10w至100w。单模固体皮秒激光加工称为光学冷加工，其热影响区小，对材料附加破坏极少。且在皮秒激光器的作用下，切口光滑平整，图案孔边距最小可达0.15mm，加工深度为0.5mm。作为可变换的实施方式，激光器还可以为光纤激光器，可选地，单模光纤激光器的波长可以为1064nm或1080nm，平均功率为10w至3000w。光纤激光器的输出端口可以任意弯曲，灵活度高，可以实现对加工表面更灵活的雕刻。但本发明并不对激光器的类型做限定，可变换地，激光器还可以为同样能达到发射激光的目的的其他类型的激光器。

作为本实施例优选的实施方式，控制组件2包括用于控制激光器模块1在垂直空间上移动的升降机构，升降机构与激光器模块1连接。优选地，升降机构可以为导轨滑台。通过导轨滑台控制激光器模块1进行位置调整，该调整的距离根据待加工件的曲面高度改变，需要说明的是，当待加工件是一个复杂曲面的时候，其表面高度不一，在加工过程中，需要保证聚焦镜距离曲面切线高度是一个固定值，该固定值为聚焦镜焦距。以使得每一圈加工时的聚焦镜焦距一致，从而保证在加工过程中加工每一圈时的精度一致，可以更好地达到雕刻加工的效果。

作为可变换的实施方式，升降机构还可以为配备数显光栅尺的直线电机，控制激光器模块1在垂直空间上移动；此外，升降机构还可以为由伺服电机和螺杆组合成的位移台。需要说明的是，本实施例中，采用编码盘实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息，具体地，编码盘可安装在伺服电机上，随着电机转动，编码盘内部两个光栅圈互相转动，获取工件装夹支座3旋转的角度信息，并输出包括该角度信息的电子脉冲信息给数控机床模块4。

作为本实施例优选的实施方式，工件装夹支座3包括旋转轴，旋转轴用于连接待加工工件，并带动待加工工件旋转。在实际操作中，将待加工工件通过旋转轴安装在工件装夹支座3上，并在旋转轴的作用下进行旋转，并通过旋转以圈为单位实现不同部位的雕刻加工，避免被加工件需要重复拆卸来完成整个雕刻加工，使加工过程更为方便避免了重复拆卸带来的误差，提高了激光加工设备的自动化。

实施例2

与上述实施例相对应地，本实施例提供一种多轴数控激光加工设备的加工方法，包括以下步骤：

s1：在数控机床模块4中设定包含加工点位的待加工信息；

s2：数控机床模块4控制工件装夹支座3在c轴上按设定速度进行匀速旋转，根据待加工信息控制工件装夹支座3在x轴和y轴上移动到需加工的位置；

s3：数控机床模块4实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息，当工件装夹支座3的角度信息符合待加工信息中的加工点位时，数控机床模块4控制激光器模块1开启工作，产生激光束对待加工件进行雕刻，以实现对加工件的某一圈加工；

s4：数控机床模块4调整工件装夹支座3在x轴和y轴上的位置，控制组件2调整激光器模块1在z轴上的位置，返回s3继续加工，直至加工完整个待加工件。

需要说明的是，需要进行预处理步骤为：根据加工图纸得到包含加工点位的待加工信息(即，将加工图纸分解成点阵信息作为待加工信息)，将该待加工信息输入数控机床模块4中。

作为本实施例优选的实施方式，s2中控制工件装夹支座3按设定速度进行匀速旋转之前还包括步骤：

数控机床模块4控制工件装夹支座3以一定加速度加速至设定速度，本实施例中，数控机床模块4控制工件装夹支座3加速至设定速度可以避免工件装夹支座3瞬间快速转动而带来损坏器件等麻烦，可以延长器件的使用寿命。

作为本实施例优选的实施方式，该多轴数控激光加工设备还包括用于实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息的编码盘，数控机床模块4通过编码盘实时检测工件装夹支座3旋转的角度信息，本实施例中，采用20位编码器，将一个圆周(360°)分成2的20次方份，精确度高。此外，值得说明的是，由于工件一直匀速旋转，每加工完一圈之后，数控机床模块4调整工件装夹支座3在x轴和y轴上的位置，以进行下一圈加工，为了保证在每一圈加工的精度一致，且明确每一圈中的起始加工点，通过编码盘定义一个零点角度，将零点角度上的加工点作为每一圈的起始加工点，在每一圈的雕刻加工过程中，都从起始加工点开始。

上述的加工方法，自动化程度高，能节约大量劳动成本，且雕刻精度高，加工精度为0.002mm，使产品的废品率下降至少90％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。