專利名稱：一種激光加工機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光加工應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種帶有刀柄的激光加工機構(gòu)。
背景技術(shù)：
激光加工是一種被日益廣泛應(yīng)用的非接觸式加工方法，它是利用高功率密度激光束作用于工件，將其加熱、熔化或氣化從而實現(xiàn)切割、焊接、硬化、熔覆、變形或劃線等加工目的。一個完整的激光加工系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，激光器，導(dǎo)光系統(tǒng)，多軸聯(lián)動數(shù)控機床或機器人以及激光加工頭等?，F(xiàn)有的激光加工機床是激光器和多軸聯(lián)動數(shù)控機床或機器人的組合系統(tǒng)，其中激光器一般為CO2激光器、Nd YAG激光器和光纖激光器。此前大部分激光加工機床都是米用CO2激光器，由于其導(dǎo)光系統(tǒng)必須采用光學(xué)鏡片等所謂“硬光路系統(tǒng)”傳輸，故其導(dǎo)光系 統(tǒng)與多軸聯(lián)動數(shù)控機床主軸運動機構(gòu)平行，則激光加工頭一般是通過固定架安裝在主軸運動執(zhí)行機構(gòu)上。加工頭的這種安裝方法，決定了激光加工機床的專門化。專利申請?zhí)枮?00810034265.8的發(fā)明專利“多軸數(shù)控、雙工作臺激光加工系統(tǒng)”報告了這種CO2激光加工專用機床。與CO2激光器不同，Nd=YAG激光器可采用光纖傳輸。但目前行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)Nd:YAG激光加工機床也是作為激光加工專用機床，專利申請?zhí)枮?00510122655. 7的發(fā)明專利“一種新型激光加工機床”和專利申請?zhí)枮?01010240139. 5的發(fā)明專利“一種五軸聯(lián)動激光加工機床”報告了 Nd :YAG激光器利用光纖傳輸方式與多軸聯(lián)動數(shù)控機床組合的激光加工專用機床。光纖激光器由于其光傳輸過程的柔性化特性，使其既可與機器人也可與多軸聯(lián)動數(shù)控機床相結(jié)合，組成專業(yè)的激光加工機床。專利申請?zhí)枮?01010528434. O的發(fā)明專利“一種多軸數(shù)控激光加工裝置”即報告了一種光纖激光器與多軸數(shù)控機床以及多關(guān)節(jié)機器人三者組合的激光加工專用機床。迄今為止，激光加工機床正在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但大部分激光加工機床都是根據(jù)激光加工功能，設(shè)計專用的激光加工機床，形成獨立的特種加工機床體系，不具備的傳統(tǒng)機械加工的切削、銑削加工功能，而且價格昂貴?，F(xiàn)有的激光加工機床還存在以下問題I.零部件加工范圍、加工精度有限大幅面加工主要限于平面激光切割機。三維激光加工機床，特別是高精度三維激光加工機床，尺寸范圍都相對較小，目前在工業(yè)中的應(yīng)用范圍有限。制約其發(fā)展的最主要因素可能是設(shè)備成本過高，一般企業(yè)難以接受；2.激光加工機床和常規(guī)多軸聯(lián)動數(shù)控機床這兩類設(shè)備部分功能相同，部分功能互補。如果能夠?qū)烧呓Y(jié)合起來運用，或者將一臺機床經(jīng)過改造、整合后具備兩臺機床的功能，將會受到企業(yè)的特別歡迎。但是，目前國內(nèi)外卻沒有見到與常規(guī)多軸聯(lián)動數(shù)控機床如龍門銑相結(jié)合的、集成有機械加工/激光加工功能的大型設(shè)備。針對激光加工機床存在的上述問題，本實用新型提出了將激光加工機床與常規(guī)多軸聯(lián)動數(shù)控機床相組合的技術(shù)路線將激光加工機構(gòu)看成一把刀具，在激光加工機構(gòu)上設(shè)有刀柄，取下多軸聯(lián)動數(shù)控機床的主軸加工頭，換成帶有刀柄的激光加工機構(gòu)，再利用光纖激光器的光傳輸特性，將激光束傳輸?shù)皆摷す饧庸C構(gòu)內(nèi)。然后，通過專業(yè)設(shè)計的加工系統(tǒng)和軟件作為控制系統(tǒng)，即可將常規(guī)的多軸聯(lián)動數(shù)控機床快速轉(zhuǎn)換為兼有激光加工功能的多功能機床。這種帶有刀柄的激光加工機構(gòu)可以根據(jù)實際的工藝需要，將激光加工機構(gòu)內(nèi)的激光加工頭設(shè)計為激光焊接加工頭、激光切割加工頭、激光熔覆加工頭和激光熱處理加工頭等，從而實現(xiàn)激光焊接、切 割和表面處理等特種加工功能。將該激光加工機構(gòu)與常規(guī)的多軸聯(lián)動數(shù)控機床相結(jié)合，即可成為集冷加工、熱加工為一體的高性能機床。該激光加工機構(gòu)主要具有以下優(yōu)點I.可以將常規(guī)的多軸聯(lián)動數(shù)控機床快速轉(zhuǎn)換為兼有激光加工功能的多功能機械加工/激光加工機床，不但大幅度擴展與增強了原有多軸聯(lián)動數(shù)控機床的功能，而且可以有效提聞設(shè)備的使用效率；2.在完成特定零部件的機械加工工藝后，可以在不拆卸工件的前提下，通過快速更換該激光加工機構(gòu)內(nèi)的激光加工頭，根據(jù)零部件的加工特點與要求，直接實現(xiàn)激光切割、焊接、熔覆、淬火等加工過程，有效節(jié)省加工工序，包括零部件的拆卸、清洗、對中等步驟，大幅度提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；3.該激光加工機構(gòu)投入費用的增加有限，可以大幅度降低設(shè)備的購置成本，從而更好地利用當前資源，取得顯著的經(jīng)濟效益好社會效益。4.開啟了一條高效利用現(xiàn)有高端數(shù)控加工機床等資源的新途徑，使激光加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與常規(guī)多軸數(shù)控機床的成功嫁接，以有限的費用增加滿足企業(yè)的重大、關(guān)鍵需求。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提出一種激光加工機構(gòu)，該激光加工機構(gòu)易拆裝、可與多種常規(guī)多軸聯(lián)動數(shù)控機床連接，快速將其轉(zhuǎn)換為兼有激光加工功能的多功能機械加工/激光加工機床，工藝簡單可靠，可對各種二維平面和復(fù)雜三維空間的工件進行激光加工。本實用新型提供的一種激光加工機構(gòu)，其特征在于，該機構(gòu)包括刀柄、導(dǎo)光系統(tǒng)、光纖連接座、激光加工頭和框架；刀柄安裝在框架上部，用于將多軸聯(lián)動數(shù)控機床主軸與激光加工機構(gòu)連接，光纖連接座固定安裝在框架的一側(cè)，用于安裝傳輸光纖接頭，將激光器發(fā)射出的激光束通過光纖傳輸導(dǎo)入到該激光加工機構(gòu)內(nèi)；激光加工頭安裝在框架的下部，其內(nèi)部安裝有導(dǎo)光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)用于將激光束擴束、導(dǎo)出激光加工頭至待加工工件上。作為上述技術(shù)方案的改進，本實用新型可以增設(shè)回轉(zhuǎn)機構(gòu)或/擺動機構(gòu)；回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在框架內(nèi)部，它用于控制框架以及與框架固定安裝的機構(gòu)內(nèi)部件以Z軸為中心作回轉(zhuǎn)運動。擺動機構(gòu)安裝在框架內(nèi)部，激光加工頭與擺動機構(gòu)固定連接，擺動機構(gòu)控制激光加工頭作擺動運動。兩者與機床直線運動的三個軸χ、γ、ζ軸一起，構(gòu)成五軸聯(lián)動系統(tǒng)，能夠根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，完成三維金屬零部件的各種加工。本實用新型提供的激光加工機構(gòu)帶有標準結(jié)構(gòu)的刀柄，使其與常規(guī)多軸聯(lián)動數(shù)控機床的組合非常簡易，大大提高了工藝柔性，可以方便地將常規(guī)的多軸聯(lián)動數(shù)控機床快速轉(zhuǎn)換為兼有激光加工功能的多功能機床。而將該激光加工機構(gòu)取下，換上常規(guī)的銑削加工頭，就又恢復(fù)為常規(guī)的多軸聯(lián)動數(shù)控機床。因此，這種多功能的加工設(shè)備具有重要的實用價值。
圖I是本實用新型帶有刀柄的激光加工機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型帶有刀柄的兩坐標激光加工機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是回轉(zhuǎn)機構(gòu)的一種實例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是擺動機構(gòu)的一種實例的機構(gòu)示意圖。圖I和圖2中，I為刀柄,2為回轉(zhuǎn)機構(gòu),3為擺動機構(gòu),4為導(dǎo)光系統(tǒng),5為光纖連接座，6為激光加工頭，7為框架。圖3中，21為第一電機，22為小齒輪，23為大齒輪，24為主 軸。圖4中，31為第二電機，32為蝸桿，33為蝸輪，34為空心軸。
具體實施方式
下面通過借助實施例更加詳細地說明本實用新型，但以下實施例僅是說明性的，本實用新型的保護范圍并不受這些實施例的限制。如圖I所示，本實用新型所述的帶有刀柄的激光加工機構(gòu)包括刀柄I、導(dǎo)光系統(tǒng)4、光纖連接座5、激光加工頭6和框架7。刀柄I固定安裝在框架7上部，用于將多軸聯(lián)動數(shù)控機床主軸與激光加工機構(gòu)連接，實現(xiàn)多軸聯(lián)動數(shù)控機床與激光加工機構(gòu)的組合。光纖連接座5固定安裝在框架7的一側(cè)，用于安裝傳輸光纖接頭，將激光器發(fā)射出的激光束通過光纖傳輸導(dǎo)入到該激光加工機構(gòu)內(nèi)；激光加工頭6安裝在框架7的下部，其內(nèi)部安裝有導(dǎo)光系統(tǒng)4，導(dǎo)光系統(tǒng)4用于將激光束導(dǎo)出激光加工頭6至待加工工件上。根據(jù)零件的復(fù)雜程度，可以在上述機構(gòu)中增加回轉(zhuǎn)機構(gòu)2或擺動機構(gòu)3，或者同時增加回轉(zhuǎn)機構(gòu)2和擺動機構(gòu)3。圖2所示的是一種同時增加回轉(zhuǎn)機構(gòu)2和擺動機構(gòu)3的該激光加工機構(gòu)。回轉(zhuǎn)機構(gòu)2安裝在框架7內(nèi)部，它用于控制框架7以及與框架7固定安裝的機構(gòu)內(nèi)部件以Z軸為中心作回轉(zhuǎn)運動。擺動機構(gòu)3也安裝在框架7內(nèi)部，激光加工頭6與擺動機構(gòu)3固定連接，擺動機構(gòu)3控制激光加工頭6以第二電機31的軸心為中心作擺動運動。下面再舉例說明回轉(zhuǎn)機構(gòu)2和擺動機構(gòu)3的具體結(jié)構(gòu)，但二者的結(jié)構(gòu)并不局限于此。如圖3所不，回轉(zhuǎn)機構(gòu)2包括第一電機21、小齒輪22、大齒輪23和主軸24。第一電機21的機身與框架7固定連接，第一電機21的輸出軸上固定安裝有小齒輪22，與小齒輪22嚙合的為大齒輪23，大齒輪23固定安裝在主軸24上，主軸24的上端與刀柄I的底部固定連為一體，其上、下端與框架7之間均采用軸承連接。其中第一電機21的輸出軸末端與框架7之間也采用軸承連接。如圖4所示，擺動機構(gòu)3包括第二電機31、蝸桿32、蝸輪33和空心軸34。第二電機31的機身與框架7固定連接，其輸出軸上安裝有蝸桿32，與蝸桿32嚙合的為蝸輪33，其中蝸輪33固定安裝在空心軸34上，空心軸34的一端與激光加工頭6固定連接，其兩端與框架7之間均采用軸承連接。[0035]導(dǎo)光系統(tǒng)4如果采用圖I所示的結(jié)構(gòu)，則導(dǎo)光系統(tǒng)4為一片光學(xué)鏡片41，其固定安裝在激光加工頭6內(nèi)，既可是反射鏡也可是反射聚焦鏡，需要根據(jù)具體的激光加工頭6來確定；導(dǎo)光系統(tǒng)4如采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，則導(dǎo)光系統(tǒng)內(nèi)增加一片反射鏡42，其固定安裝在框架7內(nèi)。將本實用新型所述的圖2所示的帶有刀柄的兩坐標激光加工機構(gòu)通過刀柄I安裝至常規(guī)的三軸聯(lián)動數(shù)控機床上，即可構(gòu)成五軸聯(lián)動激光加工機床；若安裝至常規(guī)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床，即可構(gòu)成五軸聯(lián)動且?guī)в袃勺鴺诉\動機構(gòu)附件的激光加工機床，從而可以實現(xiàn)二維平面工件或三維空間工件的激光加工。具體的講，傳輸光纖接頭安裝在光纖連接座5后，激光器所發(fā)射出的激光束則通過光纖傳輸導(dǎo)入到激光加工機構(gòu)內(nèi)，導(dǎo)光系統(tǒng)4再將激光束從激光加工頭6內(nèi)導(dǎo)出至待加工工件上。在對工件的加工過程中，回轉(zhuǎn)機構(gòu)2中的第一電機21帶動小齒輪22作旋轉(zhuǎn)運動， 由于刀柄I安裝在多軸聯(lián)動數(shù)控機床主軸的刀座是固定不動的，故安裝在與刀柄I固定連為一體的主軸24上的大齒輪23也是固定不動的，所以小齒輪23在自轉(zhuǎn)運動的同時也繞大齒輪24的輪齒周向以Z軸為中心作公轉(zhuǎn)運動,從而帶動第一電機21、與第一電機21固定連接的框架7以及與框架7固定安裝的機構(gòu)內(nèi)部件以Z軸為中心作旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)激光加工機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)功能。在對工件的加工過程中，擺動機構(gòu)3中的第二電機31通過蝸桿32和蝸輪33的傳動，帶動與蝸輪33固定連接的空心軸34以及固定安裝在空心軸34 —端的激光加工頭6 —起以第二電機31的軸心為中心作擺動運動，從而實現(xiàn)激光加工機構(gòu)的擺動功能。該激光加工機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動和擺動運動不啟動時，激光加工機床則可以完成二維平面工件的激光加工。該激光加工機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動和擺動運動啟動并疊加時，激光加工機床則可以完成復(fù)雜的三維空間工件的激光加工。本實用新型所述的帶刀柄的激光加工機構(gòu)可以是如圖I所示的不帶回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和擺動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，也可以是如圖2所示的帶有回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)和擺動運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，或者是只帶有擺動或回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。刀柄I按照標準刀柄結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以是圓刀柄、鍵槽刀柄、矩形或六方孔型等各種形狀的刀柄，由將要安裝的多軸聯(lián)動數(shù)控機床配置的刀柄確定具體型號。激光加工頭6可以是激光切割頭、激光焊接頭或激光熔覆頭等各種用途的加工頭。激光加工頭6的中心線可以與Z軸重合，也可以與Z軸平行。多軸聯(lián)動數(shù)控機床可以是三軸或五軸聯(lián)動數(shù)控機床。本實用新型所述激光加工機構(gòu)對應(yīng)的激光傳輸方式為光纖傳輸，但不一定非要是光纖激光器。以光纖方式輸出的盤片狀固體激光器或者端泵、側(cè)泵輸出甚至燈泵浦輸出的固體激光器，都適合本實用新型。本實用新型所述激光加工機構(gòu)對應(yīng)的激光器是連續(xù)激光器或脈沖激光器。本實用新型的實施方式不局限于上述具體實施方式
的內(nèi)容，可以與該帶刀柄的激光加工機構(gòu)進行組合加工的設(shè)備并不局限于常規(guī)的三軸或五軸聯(lián)動數(shù)控機床，也可以是自行設(shè)計的任何工件變位機。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本實用新型公開的內(nèi)容，可以采用其 他多種具體實施方式
實施本實用新型。因此，凡是采用本實用新型的技術(shù)方案和思路，僅做一些本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的替換和修改，均在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種激光加工機構(gòu),其特征在于,該機構(gòu)包括刀柄(I)、導(dǎo)光系統(tǒng)(4)、光纖連接座(5)、激光加工頭(6)和框架(7)； 刀柄(I)安裝在框架(7)上部，用于將多軸聯(lián)動數(shù)控機床主軸與激光加工機構(gòu)連接，光纖連接座(5)固定安裝在框架(7)的一側(cè)，用于安裝傳輸光纖接頭，將激光器發(fā)射出的激光束通過光纖傳輸導(dǎo)入到該激光加工機構(gòu)內(nèi)； 激光加工頭(6)安裝在框架(7)的下部，其內(nèi)部安裝有導(dǎo)光系統(tǒng)(4)，導(dǎo)光系統(tǒng)(4)用于將激光束導(dǎo)出激光加工頭(6)至待加工工件上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，該機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)機構(gòu)(2); 回轉(zhuǎn)機構(gòu)(2)安裝在框架(7)內(nèi)部，它用于控制框架(7)以及與框架(7)固定安裝的機構(gòu)內(nèi)部件以Z軸為中心作回轉(zhuǎn)運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，該機構(gòu)包括擺動機構(gòu)(3)； 擺動機構(gòu)(3)安裝在框架(7)內(nèi)部，激光加工頭(6)與擺動機構(gòu)(3)固定連接，擺動機構(gòu)(3)控制激光加工頭(6)作擺動運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，回轉(zhuǎn)機構(gòu)(2)包括第一電機(21)、小齒輪(22)、大齒輪(23)和主軸(24);第一電機(21)的機身與框架(7)固定連接，第一電機(21)的輸出軸上固定安裝有小齒輪(22)，與小齒輪(22)嚙合的為大齒輪(23)，大齒輪(23)固定安裝在主軸(24)上，主軸(24)的上端與刀柄(I)的底部固定連為一體，其上、下端與框架(7)之間均采用軸承連接；其中第一電機(21)的輸出軸末端與框架(7)之間也采用軸承連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，擺動機構(gòu)(3)包括第二電機(31)、蝸桿(32)、蝸輪(33)和空心軸(34);第二電機(31)的機身與框架(7)固定連接，其輸出軸上安裝有蝸桿(32)，與蝸桿(32)嚙合的為蝸輪(33)，其中蝸輪(33)固定安裝在空心軸(34)上，空心軸(34)的一端與激光加工頭￠)固定連接，其兩端與框架(7)之間均采用軸承連接；激光加工頭￠)以第二電機(31)的軸心為中心作擺動運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的激光加工機構(gòu),其特征在于,導(dǎo)光系統(tǒng)(4)包括光學(xué)鏡片(41)和反射鏡(42)，光學(xué)鏡片(41)安裝在激光加工頭(6)內(nèi)，反射鏡(42)安裝在框架(7)內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，刀柄(I)為圓刀柄、鍵槽刀柄、矩形或六方孔型刀柄。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，激光加工頭(6)是激光切割頭、激光焊接頭或激光熔覆頭。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的激光加工機構(gòu)，其特征在于，激光加工頭(6)的中心線與Z軸重合或者與Z軸平行。
專利摘要本實用新型公開了一種帶有刀柄的激光加工機構(gòu)，結(jié)構(gòu)為刀柄安裝在框架上部，用于將多軸聯(lián)動數(shù)控機床主軸與激光加工機構(gòu)連接，光纖連接座固定安裝在框架的一側(cè)，用于安裝傳輸光纖接頭，將激光器發(fā)射出的激光束通過光纖傳輸導(dǎo)入到該激光加工機構(gòu)內(nèi)；激光加工頭安裝在框架的下部，其內(nèi)部安裝有導(dǎo)光系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)用于將激光束導(dǎo)出激光加工頭至待加工工件上。該機構(gòu)可以增設(shè)回轉(zhuǎn)機構(gòu)或/和擺動機構(gòu)。激光加工機構(gòu)帶有標準結(jié)構(gòu)的刀柄，使其與常規(guī)多軸聯(lián)動數(shù)控機床的組合非常簡易，大大提高了工藝柔性，可以方便地將常規(guī)的多軸聯(lián)動數(shù)控機床快速轉(zhuǎn)換為兼有激光加工功能的多功能機床。
文檔編號B23K26/08GK202377679SQ20112049070
公開日2012年8月15日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者曾曉雁, 李祥友, 李重洋, 杜敏, 段軍, 胡乾午, 蔣明, 高明 申請人:華中科技大學(xué)