本發(fā)明涉及到一種激光加工設(shè)備，具體是一種多功能激光加工系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光具有可聚焦性、高能量密度、柔性傳導(dǎo)特性以及可實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確加工的特點，因此激光優(yōu)于傳統(tǒng)熱源。激光加工是一門發(fā)展迅速的高新技術(shù)，已成為發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，改造傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。各種激光（熔覆、焊接、淬火、切割、微造型、清洗、復(fù)合焊等）系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)或正在進(jìn)入各工業(yè)領(lǐng)域，諸如醫(yī)療器械、汽車、機(jī)械制造、鋼鐵、冶金、石油等，為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和制造業(yè)的現(xiàn)代化提供了先進(jìn)的技術(shù)裝備。

在工業(yè)制造中一個工件往往需要多種激光加工，例如激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光淬火、激光清洗、激光微造型等，如果這些工序分步加工則需要重新定位裝夾，這樣就會產(chǎn)生定位誤差，如果一次裝夾進(jìn)行多種類型的激光加工則可以提高制造的精度，從而改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量。對于企業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)部門，多功能的激光加工設(shè)備可以縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低投入成本。高?？蒲性核芯慷喾N激光加工的工藝特性，現(xiàn)有的激光加工設(shè)備不能滿足這種需求。當(dāng)前對于集成如此多功能的激光加工設(shè)備的研究較少，現(xiàn)有的發(fā)明專利中最多的只有集成三種激光加工的加工設(shè)備，這些加工設(shè)備不足于解決科研院所和企業(yè)所面臨的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服以上的不足，提供一種高精度柔性激光加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)一次裝夾后進(jìn)行多種激光加工，避免重復(fù)裝夾所帶來的定位誤差提高零部件的加工精度。

本發(fā)明公開了一種高精度柔性激光加工系統(tǒng)，包括激光系統(tǒng)、機(jī)械運動成形系統(tǒng)、激光頭頭庫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)；所述激光系統(tǒng)為激光加工提供光源，所述激光系統(tǒng)由激光器和激光頭組成，激光器產(chǎn)生的激光通過光纖傳導(dǎo)到激光頭中；所述機(jī)械運動成形系統(tǒng)為激光加工提供所需的表面成形運動，所述機(jī)械運動成形系統(tǒng)由機(jī)器人、直線導(dǎo)軌滑臺、工作臺、主軸箱和尾座、數(shù)控分度盤組成，所述機(jī)器人安裝在直線導(dǎo)軌滑臺上，工作臺設(shè)置在直線導(dǎo)軌滑臺旁邊，主軸箱和尾座安裝在工作臺上，激光頭以及相關(guān)的輔助設(shè)備安裝在機(jī)器人手臂末端；激光頭頭庫系統(tǒng)包括換頭機(jī)械手，激光頭類型識別傳感器，激光頭頭庫，激光頭放置傳送鏈；輔助系統(tǒng)包括送粉機(jī)、弧焊電源、送絲機(jī)；控制系統(tǒng)包括主控制器、機(jī)器人控制器、直線導(dǎo)軌滑臺控制器，主控制器連接著機(jī)器人控制器、直線導(dǎo)軌滑臺控制器、送粉機(jī)控制器、弧焊電源控制器、激光器控制器，控制系統(tǒng)存儲有激光加工工藝的數(shù)據(jù)庫；激光頭通過快速換接器安裝在機(jī)械運動成形系統(tǒng)中的機(jī)器人手臂上，快速換接器與激光頭頭庫系統(tǒng)配合應(yīng)用可以實現(xiàn)激光頭的快速換接，從而使該高精度柔性激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)功能的快速切換，快速換接器上有定位裝置和夾緊裝置，定位裝置使用定位擋塊，夾緊裝置使用氣動夾具。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述激光器有連續(xù)激光器和脈沖激光器兩種。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：激光頭有熔覆激光頭、焊接激光頭、淬火激光頭、切割激光頭、微造型激光頭、清洗激光頭、復(fù)合焊激光頭7種激光頭，控制系統(tǒng)存儲有激光熔覆、激光焊接、激光淬火、激光切割、激光微造型、激光清洗、激光復(fù)合焊這7種激光加工工藝的數(shù)據(jù)庫。

激光熔覆是通過在基體材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。激光熔覆根據(jù)工件的工況要求，熔覆各種設(shè)計成分的金屬或者非金屬，制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面涂層。本發(fā)明高精度柔性激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)3D激光熔覆的方法是，機(jī)器人手臂末端換裝激光熔覆頭連并接好輔助設(shè)備后，高達(dá)9個自由度的機(jī)械運動成形系統(tǒng)可以進(jìn)行三維的表面成形運動使得激光熔覆頭精確的跟隨著工件的表面，激光熔覆頭上可以進(jìn)行連續(xù)的同軸送粉使得合金粉末噴涂并熔覆在工件表面。激光熔覆加工選用的激光器是連續(xù)激光器。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接屬于熱傳導(dǎo)焊接，無論是鋼還是鋁合金的熱傳導(dǎo)焊接過程都比較平靜、穩(wěn)定，其焊接質(zhì)量也較好，一般不會產(chǎn)生焊接缺陷。本發(fā)明高精度柔性激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)3D激光焊接的方法是，機(jī)器人手臂末快速換接器的換裝激光焊接頭連接好輔助設(shè)備后，高達(dá)9個自由度的機(jī)械運動成形系統(tǒng)可以進(jìn)行三維的表面成形運動使得激光焊接頭精確的跟隨著工件的表面，激光焊接頭上可以同軸輸送保護(hù)氣體可以防止焊縫氧化。激光焊接加工選用的激光器是連續(xù)激光器。

激光淬火可以在鋼和鑄鐵零部件表面形成較硬的耐磨層，這種技術(shù)特別適合幾何形狀復(fù)雜或尺寸較小的零部件表面。本發(fā)明高精度柔性激光加工系統(tǒng)的機(jī)械運動成形系統(tǒng)具有高達(dá)9個自由度，高精度機(jī)器人手臂末端換接淬火激光頭后可以在幾何形狀復(fù)雜的零部件表面進(jìn)行進(jìn)行3D激光淬火。激光淬火選用的激光器是連續(xù)激光器，激光頭選用的是淬火激光頭。

激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對材料的切割。本發(fā)明可以在復(fù)雜的零件表面實現(xiàn)3D激光切割，進(jìn)行激光切割時高精度工業(yè)機(jī)器人手臂末端要換接切割激光頭，激光頭需要通過光纖連接激光器。激光切割選用的激光器為連續(xù)激光器。

激光復(fù)合焊是除激光作為熱源外，具有第二種熱源與激光同時作用于同一焊接熔池。第二種熱源為焊接熔池提供額外的熱量，與此同時，也提供填充材料。本發(fā)明高精度激光柔性加工系統(tǒng)換接復(fù)合焊激光連接相關(guān)復(fù)合焊設(shè)備即可實現(xiàn)該功能。復(fù)合焊激光頭旁邊安裝有MIG焊槍，焊槍與弧焊電源連接，并通過送絲機(jī)送絲。

激光微造型是在摩擦副表面加工出具有減小磨損提高硬度的微觀形貌，該微觀形貌具有存儲潤滑油，和捕捉磨粒的作用。本發(fā)明高精度柔性加工系統(tǒng)只需要換接微造型激光頭和連接脈沖激光器就可以切換到激光加工微造型功能。

激光清洗是采用脈沖或者連續(xù)激光輻照表面層的情況下，發(fā)生在激光與材料之間的區(qū)域的、無接觸的相互作用，該作用使材料的表層發(fā)生蒸發(fā)而去除。本發(fā)明高精度柔性激光加工系統(tǒng)通過換接機(jī)器人手臂末端的激光頭就可以實現(xiàn)對復(fù)雜表面的激光清洗。換接的清洗激光頭需要通過光纖連接脈沖激光器。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：機(jī)械運動成形系統(tǒng)具有三種組合形式，分別為臥式形式、立式形式和數(shù)控分度盤形式，臥式形式為主軸箱和尾座對應(yīng)安裝在工作臺上，工件裝夾在主軸箱和尾座的中間，這種安裝形式主要用于大型長回轉(zhuǎn)體工件的加工如軋輥；立式形式主要用于直徑較大而短的回轉(zhuǎn)體零件的加工；數(shù)控分度盤形式主要用于球形工件的加工。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：激光頭頭庫系統(tǒng)具有自動選擇激光頭和換接激光頭的功能，激光頭庫中的激光頭放在傳送鏈上，傳送鏈上有放置激光頭的對應(yīng)位置，且位置上安裝有識別定位標(biāo)簽，每個激光頭也都有一個識別定位標(biāo)簽，該標(biāo)簽與傳送鏈上激光頭放置位置上的標(biāo)簽相關(guān)連，激光頭庫上安裝有專用換激光頭的機(jī)械手。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：換激光頭的步驟為：加工過程中需要換激光頭時，工業(yè)機(jī)器人將手臂末端通過快速換接器夾持的激光頭移動到激光頭庫特定的換頭位置， 專用換頭機(jī)械手夾持住激光頭，快速換接器松開夾持的激光頭，專用換頭機(jī)械手中安裝有傳感器，該傳感器可以識別激光頭上的標(biāo)簽，這時激光頭頭庫將放置激光頭的傳送鏈移動到特定位置，然后專用換頭機(jī)械手將激光頭放置定位在該位置上，接著，激光頭頭庫轉(zhuǎn)動傳動鏈?zhǔn)挂獡Q的激光頭移動到特定位置，換頭機(jī)械手夾持激光頭并將激光頭安裝在工業(yè)機(jī)器人的快速換接器上，到此完成整個換激光頭過程。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：本發(fā)明中激光頭通過快速換接器安裝在機(jī)械運動成形系統(tǒng)中的機(jī)器人手臂上，快速換接器可以與激光頭頭庫配合使用實現(xiàn)激光頭的快速自動換接，從而使該高精度柔性激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)功能的快速切換。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明中機(jī)械運動成形系統(tǒng)臥式形式的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明中機(jī)械運動成形系統(tǒng)立式形式的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明中機(jī)械運動成形系統(tǒng)數(shù)控分度盤形式的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是換激光頭的流程圖；

圖中標(biāo)號：1-主軸箱、2-工作臺、3-尾座、4-熔覆激光頭、5-快速換接器、6-高精度機(jī)器人、7-直線導(dǎo)軌滑臺、8-激光頭庫、9-淬火激光頭、10-焊接激光頭、11-切割激光頭、12-復(fù)合焊激光頭、13-微造型激光頭、14-清洗激光頭、15-送粉器、16-總控制柜、17-連續(xù)激光器、18-機(jī)器人控制柜、19-脈沖激光器、20-弧焊電源、21-送絲機(jī)、22-數(shù)控分度盤。

具體實施方式：

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發(fā)明的一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它實施方式中示出的元素和特征相結(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種高精度柔性激光加工系統(tǒng)，包括激光系統(tǒng)、機(jī)械運動成形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)；所述激光系統(tǒng)為激光加工提供光源，所述激光系統(tǒng)由激光器和激光頭組成，激光器產(chǎn)生的激光通過光纖傳導(dǎo)到激光頭中；所述機(jī)械運動成形系統(tǒng)為激光加工提供所需的表面成形運動，所述機(jī)械運動成形系統(tǒng)由機(jī)器人、直線導(dǎo)軌滑臺、工作臺、主軸箱和尾座、數(shù)控分度盤組成，所述機(jī)器人安裝在直線導(dǎo)軌滑臺上，工作臺設(shè)置在直線導(dǎo)軌滑臺旁邊，主軸箱和尾座安裝在工作臺上，激光頭以及相關(guān)的輔助設(shè)備安裝在機(jī)器人手臂末端；輔助系統(tǒng)包括送粉機(jī)、弧焊電源、送絲機(jī)；控制系統(tǒng)包括主控制器、機(jī)器人控制器、直線導(dǎo)軌滑臺控制器，主控制器連接著機(jī)器人控制器、直線導(dǎo)軌滑臺控制器、送粉機(jī)控制器、弧焊電源控制器、激光器控制器，控制系統(tǒng)存儲有激光加工工藝的數(shù)據(jù)庫；激光頭通過快速換接器安裝在機(jī)械運動成形系統(tǒng)中的機(jī)器人手臂上，快速換接器可以實現(xiàn)激光頭的快速換接，從而使該高精度柔性激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)功能的快速切換，快速換接器上有氣動夾具。激光器有連續(xù)激光器和脈沖激光器兩種，激光器中配套設(shè)有水冷系統(tǒng)。激光頭有熔覆激光頭、焊接激光頭、淬火激光頭、切割激光頭、微造型激光頭、清洗激光頭、復(fù)合焊激光頭7種激光頭，控制系統(tǒng)存儲有激光熔覆、激光焊接、激光淬火、激光切割、激光微造型、激光清洗、激光復(fù)合焊這7種激光加工工藝的數(shù)據(jù)庫。

激光頭放置的激光頭庫中，具有自動選擇激光頭和換接激光頭的功能，激光頭庫中的激光頭放在傳送鏈上，傳送鏈上有放置激光頭的對應(yīng)位置，且位置上安裝有識別定位標(biāo)簽，每個激光頭也都有一個識別定位標(biāo)簽，該標(biāo)簽與傳送鏈上激光頭放置位置上的標(biāo)簽相關(guān)連，激光頭庫上安裝有專用換激光頭的機(jī)械手。如圖4所示，換激光頭的步驟為：加工過程中需要換激光頭時，工業(yè)機(jī)器人將手臂末端通過快速換接器夾持的激光頭移動到激光頭庫特定的換頭位置， 專用換頭機(jī)械手夾持住激光頭，快速換接器松開夾持的激光頭，專用換頭機(jī)械手中安裝有傳感器，該傳感器可以識別激光頭上的標(biāo)簽，這時激光頭頭庫將放置激光頭的傳送鏈移動到特定位置，然后專用換頭機(jī)械手將激光頭放置定位在該位置上，接著，激光頭頭庫轉(zhuǎn)動傳動鏈?zhǔn)挂獡Q的激光頭移動到特定位置，換頭機(jī)械手夾持激光頭并將激光頭安裝在工業(yè)機(jī)器人的快速換接器上，到此完成整個換激光頭過程。

如圖1所示，工作臺2上安裝有主軸箱1和尾座3，主軸箱1和尾座之3間裝夾需要加工的工件。在工作臺2的旁邊安裝有直線導(dǎo)軌滑臺7，直線導(dǎo)軌滑臺7上安裝有6軸的高精度工業(yè)機(jī)器人6，高精度工業(yè)機(jī)器人6的手臂末端安裝有快速換接器5，快速換接器5連接著激光器4和機(jī)器人手臂末端。直線導(dǎo)軌的旁邊安裝有專門放置激光頭的激光頭庫，該激光頭庫中有激光頭換接臂，和激光頭傳送鏈裝置，該裝置可以實現(xiàn)自動選擇和換接激光頭。在機(jī)械運動成形系統(tǒng)的旁邊安裝有送粉器15，送粉器是在激光熔覆加工中為熔覆激光頭提供粉末。送粉器旁邊有氣源，送粉器中的粉末以保護(hù)氣為載體通過皮管送到熔覆激光頭中。送粉器15的旁邊放置有主控制柜16和高精度機(jī)器人控制柜18，在在控制柜和送粉機(jī)的后面放置有連續(xù)激光器17、脈沖激光器19、弧焊電源20和送絲機(jī)21。

如圖2所示為本發(fā)明高精度柔性激光加工系統(tǒng)中機(jī)械運動成型系統(tǒng)的立式形式，其結(jié)構(gòu)除了工作臺上安裝的設(shè)備與臥式形式不同其余都相同。其不同之處在于工作臺上只安裝主軸箱，且主軸箱垂直放置。該形式主要用于直徑較大軸向長度較短的材料。

如圖3所示為本發(fā)明高精度柔性激光加工系統(tǒng)中機(jī)械運動成型系統(tǒng)的數(shù)控分度盤形式，其結(jié)構(gòu)除了工作臺上安裝的設(shè)備與臥式形式不同其余都相同。其不同之處在于工作臺上面只安裝數(shù)控分度盤裝置22，該數(shù)控分度盤可以實現(xiàn)兩軸的高精度轉(zhuǎn)動，該種形式主要用于加工球形材料和復(fù)雜的曲面。

激光熔覆加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接熔覆激光頭4，熔覆激光頭4需要通過光纖連接連續(xù)激光器17，同時主控制器開啟送粉機(jī)15，并根據(jù)主控器中存儲的激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆加工。

激光焊接加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接焊接激光頭10，焊接激光頭10需要通過光纖連接連續(xù)激光器17，同時主控器根據(jù)其存儲的激光焊接工藝參數(shù)進(jìn)行激光焊接加工。

激光淬火加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接淬火激光頭9，淬火激光頭9需要通過光纖連接連續(xù)激光器17，同時主控器根據(jù)其存儲的激光淬火工藝參數(shù)進(jìn)行激光淬火加工。

激光切割加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接切割激光頭11，切割激光頭11需要通過光纖連接連續(xù)激光器17同時主控器根據(jù)其存儲的激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行激光切割加工。

激光復(fù)合焊加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接復(fù)合焊激光頭12，復(fù)合焊激光頭12需要通過光纖連接連續(xù)激光器17，同時主控制器開啟弧焊電源20和送絲機(jī)21，并根據(jù)主控器中存儲的激光復(fù)合焊工藝參數(shù)進(jìn)行激光復(fù)合焊加工。

激光微造型加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接微造型激光頭13，微造型激光頭13需要通過光纖連接脈沖激光器19同時主控器根據(jù)其存儲的激光微造型工藝參數(shù)進(jìn)行激光微造型加工。

激光清洗加工時高精度工業(yè)機(jī)器人6需要通過換接器5換接清洗激光頭14，清洗激光頭14需要通過光纖連接脈沖激光器17同時主控器根據(jù)其存儲的激光清洗工藝參數(shù)進(jìn)行激光清洗加工。

最后應(yīng)說明的是：雖然以上已經(jīng)詳細(xì)說明了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是應(yīng)當(dāng)理解在不超出由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變、替代和變換。而且，本發(fā)明的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設(shè)備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以使用執(zhí)行與在此所述的相應(yīng)實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來要被開發(fā)的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在在它們的范圍內(nèi)包括這樣的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。