CN201002174Y - 一种三维运动光束头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种三维运动光束头，其特征在于它包括导光部分和传动部分；前者包括垂直相贯的导光套筒与反射镜筒和聚焦镜筒与出光筒，反射镜筒与聚焦镜筒平行连通；在反射镜筒和聚焦镜筒内分别装有反射镜和聚焦镜，并由各自的镜锁紧机构锁紧；光路为：激光依次经导光套筒、反射镜筒、反射镜，聚焦镜筒、聚焦镜后由出光筒出光；后者包括；绕竖直轴做旋转的上步进电机及其传动的第一齿轮组，其内的垂直角接触球轴承组安装在导光套筒上；绕水平轴做旋转的下步进电机组及其传动的第二齿轮组，其内的水平角接触球轴承组安装在聚焦镜筒上；第一电机支架支撑上步进电机并固装在导光套筒上，第二电机支架支撑下步进电机并固装在反射镜筒上；所述的轴承组均包括两个向心角接触轴承，且采用面对面方式安装。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光制造技术，具体为一种可实现三维运动，特别适于复杂零部件激光制造或再制造的光束头，国际专利分类号拟为Int.CL B05B7/00(2006.01)。
背景技术
现有普通激光制造或再制造的光束头只能做二维平面加工。为解决普通激光制造或再制造的光束头工作空间限制，以及因为激光束不能垂直加工对象的表面而引起的焦距、光斑等一系列决定性参数不稳定，使得激光加工效果不理想的问题。
国内外研究人员已经相继开发出多种激光加工光束头，如英国的利物浦大学研究人员、美国的一些国家实验室研究人员、德国宇航研究院研究人员、台湾和韩国的一些大学都开展了此项研究。有些还取得了一定的成果，研制出了具有实用价值的二维同轴送粉工作头，并且进行了一些应用试验。如德国宇航研究院利用二维光束头对叶片和蜗杆进行的快速制造取得了良好的效果。
目前国内研制出来的光束头都是只能进行二维平面加工，对于空间三维加工就无能为力。空间某物体的自由运动要用六个坐标来描述。虽然激光具有很强的方向性，但激光束有一定的发散性，如果激光束不能垂直加工表面，将引起焦距，光斑等一系列决定性参数的不稳定，使得加工效果不理想。加工中不能忽略这一因素，而把焦点看成理想的一点。因此在对复杂形面加工时，传统的做法是激光束头不动，将工件做一定的移动或转动，以实现重新聚焦。但是对于大型工件这种做法无疑是不可行的，而且多次装夹，无疑会使加工精度和质量无法保证。考虑上述因素，设计一种三维运动光束头，让光束头在加工过程中具有三维工作能力，实现复杂形面零件的制造及再制造是一个新课题。
实用新型内容
针对上述技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是：提供一种三维运动光束头，它可作空间三维运动，实现复杂零件的激光制造和再制造，并具有结构简单，灵活性强，方便可调，精度高，不污染环境等优点。
本实用新型解决所述的技术问题的技术方案是：设计一种三维运动光束头，其特征在于它包括导光部分和传动部分；所述的导光部分包括垂直相贯的导光套筒与反射镜筒，与反射镜筒平行连通的聚焦镜筒，与聚焦镜筒垂直相贯的出光筒；在所述反射镜筒内的垂直相贯处装有反射镜，在所述聚焦镜筒内的垂直相贯处装有聚焦镜；所述的反射镜和聚焦镜分别由反射镜锁紧机构和聚焦镜锁紧机构锁紧；光路设计为：激光依次经导光套筒、反射镜筒和反射镜反射，进入聚焦镜筒并由聚焦镜聚焦后由出光筒出光；所述的传动部分包括；可使三维运动光束头绕竖直轴做旋转运动的上步进电机及其传动的第一齿轮组，第一齿轮组内的垂直角接触球轴承组安装在导光套筒上；可使三维运动光束头绕水平轴做旋转运动的下步进电机组及其传动的第二齿轮组，第二齿轮组内的水平角接触球轴承组安装在聚焦镜筒上；第一电机支架支撑上步进电机并固装在导光套筒上，第二电机支架支撑下步进电机并固装在反射镜筒上；所述的垂直角接触轴承组和水平角接触轴承组均包括两个向心角接触轴承，且每组的两个轴承采用面对面方式安装。
与现有技术相比，本实用新型设计的一种三维运动光束头，特别适于复杂零部件激光制造或再制造，可以按数控机床数控代码的要求实现光束头的一个直线运动和两个回转运动的三维运动，并具有结构简单，灵活，方便调节，精度高等优点。
附图说明
图1是本实用新型三维运动光束头一种实施例的整体结构示意图(图中未标示文字的箭头指示了光束头的入光、出光位置和方向)；
图2是本实用新型三维运动光束头一种实施例图1的A向视图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详述本实用新型：
本实用新型解决所述的技术问题的技术方案是：设计一种三维运动光束头(以下简称光束头。参见图1、2)，它包括导光和传动两个部分；所述的导光部分包括垂直相贯的导光套筒10与反射镜筒9，与所述反射镜筒9平行连通的聚焦镜筒11，与所述聚焦镜筒11垂直相贯的出光筒16；在所述反射镜筒9内的垂直相贯处装有反射镜12，在所述聚焦镜筒11内的垂直相贯处装有聚焦镜13；所述的反射镜12和聚焦镜13分别由反射镜锁紧机构7和聚焦镜锁紧机构8锁紧；光路设计为：激光依次经导光套筒10、反射镜筒9和反射镜12反射，进入聚焦镜筒11并由聚焦镜13聚焦后由出光筒16出光。
所述的传动部分包括；可使光束头绕竖直轴(z轴)做旋转运动的上步进电机1及其传动的第一齿轮组3，第一齿轮组3内的垂直角接触球轴承组14安装在导光套筒10上；可使光束头绕水平轴(X轴)做旋转运动的下步进电机2及其传动的第二齿轮组4，第二齿轮组4内的水平角接触球轴承组15安装在所述聚焦镜筒11上；第一电机支架5支撑上步进电机1并固装在所述导光套筒10上，第二电机支架6支撑下步进电机2并固装在所述反射镜筒9上；所述的垂直角接触轴承组14和水平角接触轴承组15均包括两个向心角接触轴承，且每组的两个轴承采用面对面方式安装。
所述分别安装在导光镜筒10和反射镜筒9上，用以固定上步进电机1的第一电机支架5及固定下步进电机组2’第二电机支架6，都能实现其位置调整，以满足设计和安装的精度需要。所述的反射镜锁紧机构7和聚焦镜锁紧机构8均可以对其锁紧对象反射镜12和聚焦镜13进行微量调节，以提高光束头的工作精度要求。所述的安装位置调整和镜头的微量调节都是现有技术。
本实用新型所述下步进电机2可以是一个步进电机，也可以采用两个并联的步进电机，构成下步进电机组2’(参见图2)。实施例优选了步进电机组2’。设计步进电机组2’的目的是形成对称力偶，以进一步提高光束头的工作稳定性和系统的工作精度。由上步进电机1带动第一齿轮组3(驱动变速装置)，可实现反射镜筒9及聚焦镜筒11和出光筒16绕竖直轴(即Z轴或导光套筒10)做旋转运动；由下步进电机组2’(或下步进电机2，下同)及其带动的第二齿轮组4(驱动变速装置)，可实现聚焦镜筒11绕水平轴(即X轴或反射镜筒9)做旋转运动。所述的上步进电机1和下步进电机组2’实施例均选用参数是四相八拍，扭矩1.4N·m，额定工作电压6.8V，额定工作电流1.5A的步进电机。但并非唯一选择，完全可以根据需要做另外的选择。考虑到光束头加工时激光束的高能量，以及需要固定的三维运动光束头等部件的结构和重量，所述的导光套筒10、反射镜筒9和聚焦镜筒11及出光筒16，实施例均采用了45#钢制造。为了防止其制造和使用过程中的氧化生锈，影响安装、调试和拆卸，所述导光套筒10、反射镜筒9和聚焦镜筒11内外表面均进行了黑化处理。黑化处理技术为现有技术。
所述的导光套筒10、反射镜筒9和聚焦镜筒11及出光筒16的筒径一致，并均具有很重要的作用。除了结构设计外，其加工组配精度和质量至关重要。若加工精度和质量不高，激光光束在从光束头聚焦出来时很可能偏离理想位置，引起光束头的损坏。为了避免烧伤送粉头零部件等事故的发生，本实用新型光束头在实施例设计时采用了更加严格的公差要求，管件焊接也要求严格，以减小变形和材料的内应力以及零部件加工后的误差。所述的反射镜12和聚焦镜13的作用分别是对光束进行反射和聚焦。因为透镜组本身具有独立的水冷通道，所以本实用新型光束头也具有水冷系统。转动机构上还设计有保护气通道，以便使用反射聚焦时保护镜面。所述的镜组位置可调，以方便调节光路。这些都是现有技术。
所述的垂直角接触轴承14和水平角接触轴承15均为两个轴承构成的轴承组，且均选用向心角接触轴承，以适应设备旋转精度与转速较高的要求。这种设计可以提高工作时总体机构的精度，即送粉头转动时不出现晃动。由于两轴承之间距离的大小直接影响整体的结构尺寸，进而影响导光套筒10与反射镜筒9和反射镜筒9与聚焦镜筒11的连接精度，所以每组的两个轴承采用面对面方式安装，以保证其连接精度和结构尺寸的要求。
所述的第一齿轮组3和第二齿轮组4、第一电机支架5和第二电机支架6、反射镜锁紧机构7和聚焦镜锁紧机构8以及垂直角接触轴承14和水平角接触轴承15的形状结构可以相同，也可以不同，可根据实际需要设计或变化。实施例采用了相同结构，以简便设计。
本实用新型的光束头的运动机理是：由上步进电机1带动第一动齿轮组3转动，实现三维运动光束头绕竖直轴(即z轴)的旋转运动；由下步进电机组2’带动第二齿轮组4转动，实现三维光束头绕水平轴(即x轴)的旋三维光束头可以做一个直线运动和两个回转运动，从而实现了其三维运动的功能。
换言之，所述的上步进电机1及其传动的第一齿轮组3和下步进电机组2’及其传动的第二齿轮组4，在数控系统指令下，可以分别实现光束绕导光套筒10和绕聚焦镜筒11任一角度的，或者同时绕各自的回转轴转动任一角度。所述第一齿轮组3及第二齿轮组4可以分别或同时实现其各自的转动变速功能，在加上在数控系统控制下的光束头整体在Z轴方向的上下直线运动，本实用新型光束头可以实现绕竖直轴的直线和旋转运动以及绕水平轴的旋转运动，顺利地完成三维中任一维的等速或变速运动。
本实用新型未述及的适用于现有技术。
本实用新型的三维运动光束头是激光制造、再制造或快速制造激光器的关键部件。其主要用于激光制造和再制造领域，可以完成形状较复杂零件的表面修复，轴瓦类、螺杆类、电力行业所需发动机叶片等零件的制造及再制造，冶金行业的冷、热轧滚，导轨、导板的表面熔敷，汽车行业的凸轮轴、气门、摇臂，油封等零件表面熔敷，模具激光表面再制造等，具有良好的适用性和工业实用性。
Claims (4)
1.一种三维运动光束头，其特征在于它包括导光部分和传动部分；所述的导光部分包括垂直相贯的导光套筒与反射镜筒，与反射镜筒平行连通的聚焦镜筒，与聚焦镜筒垂直相贯的出光筒；在所述反射镜筒内的垂直相贯处装有反射镜，在所述聚焦镜筒内的垂直相贯处装有聚焦镜；所述的反射镜和聚焦镜分别由反射镜锁紧机构和聚焦镜锁紧机构锁紧；光路设计为：激光依次经导光套筒、反射镜筒和反射镜反射，进入聚焦镜筒并由聚焦镜聚焦后由出光筒出光；所述的传动部分包括；可使三维运动光束头绕竖直轴做旋转运动的上步进电机及其传动的第一齿轮组，第一齿轮组内的垂直角接触球轴承组安装在导光套筒上；可使三维运动光束头绕水平轴做旋转运动的下步进电机组及其传动的第二齿轮组，第二齿轮组内的水平角接触球轴承组安装在聚焦镜筒上；第一电机支架支撑上步进电机并固装在导光套筒上，第二电机支架支撑下步进电机组并固装在反射镜筒上；所述的垂直角接触轴承组和水平角接触轴承组均包括两个向心角接触轴承，且每组的两个轴承采用面对面方式安装。
2.根据权利要求1所述的三维运动光束头，其特征在于所述的下步进电机组是由两个并联的步进电机构成。
3.根据权利要求2所述的三维运动光束头，其特征在于所述的上步进电机和下步进电机组均是四相八拍，扭矩1.4N·m，额定工作电压6.8V，额定工作电流1.5A的步进电机。
4.根据权利要求1、2或3所述的三维运动光束头，其特征在于所述的导光套筒、反射镜筒、聚焦镜筒和出光筒均采用4 5#钢制造，并且对其内外表面均进行黑化处理。
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