CN100409992C - 一种激光加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明是一种激光加工机床。本机床采用的是一种三平移自由度并联运动机构，在动平台上安装激光光束聚焦器，辅之以光纤的柔性传输，可实现激光切割和焊接。本发明的设计思想体现在充分结合并联运动机构的优点和光纤传输的特性，使新型激光加工机床适合进行激光切割与焊接，且加工精度、加工效率和加工柔性都得到大幅度提高。

Description

一种激光加工机床

技术领域

本发明涉及激光切割与焊接领域，特指一种激光加工机床，能实现板类零件的高精度、高效率加工。

背景技术

目前传统的激光加工机床主要包括激光加工主机、激光器、导光聚焦系统、数控系统及自动编程软件，其中激光加工主机采用的是传统的串联运动机构，例如中国专利ZL94190003.7和ZL02802098.7，该机构一般均是由床身、机床立柱、主轴箱和工作台等部件串联而成的非对称“C”型布局，这种机构由于存在着悬臂部件，而悬臂部件需承受很大的弯矩和扭矩，所以难以获得高的结构刚度，另外机构本身还存在着运动质量大、误差线性累加等固有缺陷，所以很难获得很高的加工效率和加工精度。传统激光加工机床的导光聚焦系统一般采用折-反射光路，例如公开号为CN1693027A的中国专利，要求有光束质量监控设备、光闸系统、扩束望远镜系统、可见光同轴瞄准系统、光传输转向系统和聚焦系统，设备繁多，光路复杂，光路的调节繁琐，影响加工效率，而且在激光的加工过程中，光路的长度的变化会导致光束直径的变化，从而影响加工质量。随着激光加工机器人的出现，光纤的使用提高了激光加工的柔性，但其操作机多采用的是多关节机器人的手腕机构，例如公开号为CN1178495A和专利号为02144076.x的中国专利，该机构具有固定的X、Y、Z、A、B和C坐标轴，仍属于传统的串联机构。

发明内容

本发明提供了一种  适合激光切割与焊接特点的激光加工机床，充分结合了并联运动机构优点和光纤传输的特性，实现了激光加工的柔性化，以克服目前传统激光加工机床、激光加工机器人所带来的缺陷。该激光加工机床的机械部分是一种新型三平移自由度(具有沿X、Y、Z轴平移的三自由度)并联运动机构。

本发明激光加工机床由并联机床、激光系统和控制系统三部分构成。并联机床由床身、三平移自由度并联运动机构、机床立柱、工作台和并联机床控制柜构成，三平移自由度并联运动机构的直线导轨固定在机床立柱上，工作台位于三平移自由度并联运动机构的动平台下方，三平移自由度并联运动机构，包括三个驱动滑块及对应的三组支撑杆、直线导轨、动平台和虎克铰，三个驱动滑块通过直线电机的拖动，在直线导轨上做水平运动，经虎克铰传递到支撑杆上，由五根支撑杆的运动合成为动平台空间三自由度平动，其中左右驱动滑块各连接两根支撑杆，上杆为辅助支撑杆，下杆为约束支撑杆，在驱动滑块端，与左右约束支撑杆连接的虎克铰处于同一水平高度，与中间支撑杆连接的虎克铰高于前述虎克铰，在动平台端，三杆所对应的虎克铰位置相近；激光系统由光束聚焦器、YAG激光器、冷却系统和电源与控制器构成，激光系统的电源与控制器通过通信线分别与冷却系统和YAG激光器相连，YAG激光器产生的激光，进入光纤传输到光束聚焦器，光束聚焦器固定安装在并联机床的动平台上；控制系统为一台控制用计算机；控制用计算机通过通信线分别与并联机床控制柜和激光系统的电源与控制器相连，并控制并联机床和激光系统。

本发明的数控系统可以是基于PC的开放式数控系统，也可以是专用的数控系统。本发明的控制软件则满足工件的几何建模、轨迹规划、误差补偿、代码生成、插补计算、轴伺服控制等的数控编程软件。

本发明的效果是：本发明的三平移自由度并联运动机构具有结构简单、力/重量比大、没有误差积累、无运动耦合、控制容易、工作空间大等优点，使激光加工机床的运动易以实现高精度、高效率；本发明的光纤传输，具有设备简单、传输灵活、安装方便等优点，使激光加工易以实现高柔性化；本发明的激光光束经光纤传输具有光斑直径稳定的优点，使得加工零件的质量稳定性得以提高。

附图说明

下面结合附图对本发明的内容作详细描述：

图1为本发明激光加工机床结构示意图

图2为本发明的并联机床的结构示意图

图3为本发明的并联运动机构的工作原理示意图

图4为本发明的并联运动机构动平台YOZ平面的工作空间图

图5为本发明的激光系统示意图

图中：1并联机床，2激光系统，3控制用计算机，4直线导轨，5驱动滑块，6虎克铰，7支撑杆，8机床立柱，9并联机床控制柜，10动平台，11工作台，12床身，13光纤，14YAG激光器，15冷却系统，16电源与控制器，17光束聚焦器，18局部发射镜，19激励灯(2个)，20YAG芯棒，21激光束，22高效反射镜，23耦合器，24边镜。

具体实施方法

本发明的激光加工机床如图1所示，主要由并联机床1，激光系统2，控制系统构成。控制系统为一台控制用计算机3，通过通信线一端连接并联机床控制柜9，另一端连接激光系统电源与控制器16。

其工作原理是控制用计算机3发出控制指令，一端发送给并联机床控制柜9，一端发送给激光系统的电源与控制器16。并联机床控制柜7通过控制用计算机3传来的控制指令进行分析处理，经轮廓造型→G代码生成→G代码格式变换→插补→坐标变换→运动学变换→伺服控制，产生数控指令控制并联机床1的驱动滑块5在直线导轨4上作直线运动，经5根支撑杆7运动合成为动平台10的运动。激光系统的电源与控制器16对信号进行处理后，控制YAG激光器14产生激光，通过光纤13传输到光束聚焦器17上，光束聚焦器17对激光光束进行聚焦后，形成适合切割的一定光斑直径的激光束。

本发明并联机床的结构如图2所示：由直线导轨4，驱动滑块5，虎克铰6，支撑杆7，机床立柱8，并联机床控制柜9，动平台10，工作台11和床身12构成。直线导轨4，机床立柱8，工作台11和床身12构成了并联机床的固定支架，驱动滑块5、虎克铰6，支撑杆7和动平台10构成了并联机床的运动部分。3个驱动滑块5通过直线电机连接在直线导轨4上，5根支撑杆7通过虎克铰6连接驱动滑块5，支撑杆7另一端通过虎克铰6连接在动平台10上。

本发明并联运动机构的工作原理如图3所示。其工作原理是3个驱动滑块5通过直线电机驱动在机床直线导轨4上的水平位置的变化，通过虎克铰6传递到5根固定杆长的支撑杆7上，由支撑杆7的运动通过虎克铰6驱动动平台10实现空间三自由度的平动。其中，左边和右边驱动滑块上连接的各两根支撑杆，上杆为辅助支撑杆，下杆为约束动平台自由度支撑杆(如图3所示)，杆S₁、S₃为约束支撑杆，在驱动滑块端，连接杆S₁、S₃的虎克铰处于同一水平高度，连接杆S₂的虎克铰高于前述虎克铰，在动平台端，连接杆S₁、S₃和S₂的虎克铰位置相近。机构工作时，改变X_m1、X_m3的值，通过杆S₁、S₃控制动平台在XOY平面内实现平动，此时X_m2值不变，杆S₂和中间驱动滑块随动；改变X_m2的值，通过杆S₂控制动平台沿Z移动，此时，X_m3值随X_m2值的变化而变化，左右驱动滑块随动；同时改变X_m1、X_m2和X_m3，可实现动平台的空间三轴联动。

本发明并联运动机构动平台YOZ平面的工作空间如图4所示，具有工作空间大的特点。

本发明激光系统如图5所示：由YAG激光器14，冷却系统15，电源与控制器16和光束聚焦器17构成。

其工作原理是电源与控制器16接收来自控制用计算机3的控制信号，进行处理后，发出指令控制YAG激光器14和冷却系统15工作，YAG激光器14产生的激光光束，进入光纤13传输，在光束聚焦器17处，聚焦为满足加工要求的具有一定光斑直径的激光束。

本发明是一种新型激光加工机床，可进行三坐标联动程序控制，主要用于激光切割与焊接。本发明采用了一种具有三平移自由度的并联运动机构，具有结构简单，工作空间大，运动灵活，无运动耦合，控制容易等优点，结合光纤传输的灵活与柔性，使整个系统的加工速度，加工效率，加工质量和加工柔性都得到了显著提高。

Claims (1)

1. 一种激光加工机床由并联机床(1)、激光系统(2)和控制系统三部分构成，其特征在于：并联机床(1)由床身(12)、三平移自由度并联运动机构、机床立柱(8)、工作台(11)和并联机床控制柜(9)构成，三平移自由度并联运动机构的直线导轨(4)固定在机床立柱(8)上，工作台(11)位于三平移自由度并联运动机构的动平台(10)下方，三平移自由度并联运动机构，包括三个驱动滑块(5)及对应的三组支撑杆(7)、直线导轨(4)、动平台(10)和虎克铰(6)，三个驱动滑块(5)通过直线电机的拖动，在直线导轨(4)上做水平运动，经虎克铰(6)传递到支撑杆(7)上，由五根支撑杆(7)的运动合成为动平台(10)空间三自由度平动，其中左右驱动滑块(5)各连接两根支撑杆(7)，上杆为辅助支撑杆，下杆为约束支撑杆，在驱动滑块端，与左右约束支撑杆(7)连接的虎克铰(6)处于同一水平高度，与中间支撑杆(7)连接的虎克铰(6)高于前述虎克铰，在动平台端，三杆所对应的虎克铰(6)位置相近；激光系统(2)由光束聚焦器(17)、YAG激光器(14)、冷却系统(15)和电源与控制器(16)构成，激光系统的电源与控制器(16)通过通信线分别与冷却系统(15)和YAG激光器(14)相连，YAG激光器(14)产生的激光，进入光纤(13)传输到光束聚焦器(17)，光束聚焦器(17)固定安装在并联机床的动平台(10)上；控制系统为一台控制用计算机(3)，控制用计算机(3)通过通信线分别与并联机床控制柜(9)和激光系统的电源与控制器(16)相连并控制并联机床和激光系统。

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