專利名稱：一種三坐標振鏡掃描式激光加工頭的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光加工應用領域，特別涉及一種三坐標振鏡掃描式激光加工頭。
背景技術：
近年來，基于振鏡掃描方式的激光加工技術(以下簡稱振鏡掃描激光加工)由于其高效率、高精度、非接觸、高柔性化程度、強的材料適應性(可加工超硬、超脆、超薄等特殊材質)等特性，使其在精密制造領域得到了廣泛應用。振鏡掃描激光加工設備一般包括激光器、導光光路、振鏡掃描式激光加工頭和機床幾個部分，其系統原理是將從激光器諧振腔中輸出的激光束通過導光光路完成擴束準直后，進入振鏡掃描式激光加工頭，由激光加工頭中的XY兩軸激光振鏡系統實現激光束的聚焦和精確偏轉掃描運動。具體的說，振鏡掃描式激光加工頭主要包括XY兩軸激光振鏡系統和輔助機構，其中XY兩軸激光振鏡系統一般包括兩塊激光平面反射鏡和一個掃描聚焦透鏡，激光束先后經過垂直安裝、由伺服電機驅動的一對激光平面反射鏡(分別稱為χ、γ軸激光平面反射鏡)的反射，進入掃描聚焦透鏡(又稱為F-theta物鏡或遠心透鏡)聚焦后輸出作用于待加工對象上。X、Y軸激光平面反射鏡的轉動使工作平面上的激光聚焦光斑分別在X、Y軸上移動，兩個鏡面協同動作使激光聚焦光斑可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動，光束入射角與像面上的光斑位置滿足線性關系，從而通過控制入射光束的掃描角來控制光斑在像面上的位置。振鏡掃描式激光加工頭一般固定安裝在機床上，通過控制光束的偏轉運動即可實現激光振鏡系統掃描范圍內的X、Y 二維圖形激光加工。因此，將振鏡掃描式激光加工頭安裝在能夠直線運動的X-Y-Z多軸數控機床上，可以實現大幅面工件的激光內雕、激光焊接、激光刻蝕、激光打標等諸多激光加工應用，方法是將需要加工的區域分成若干個子塊 (子塊面積的大小由振鏡掃描式激光加工頭的掃描范圍而定)，利用振鏡掃描式激光加工頭加工速度快、精度高的特點，實現各個子塊圖形加工，而機床主要是帶動振鏡掃描式激光加工頭到下一個子塊加工位置。如專利號為200320116332. 3的中國專利“振鏡頭雕刻切割多用激光雕刻機”，專利申請號為201020026191.6的實用新型專利文獻“一種紫外激光切割機”，以及專利申請號為200910215372. 5的專利文獻“CCD振鏡式激光焊接裝置及方法” 報告了采用XY兩軸激光振鏡系統進行多種材質的平板激光切割、刻蝕和焊接等應用。然而，目前的振鏡掃描激光加工設備中，振鏡掃描式激光加工頭的結構較為簡單， 除了 XY兩軸激光振鏡系統外，只有一些除煙塵、CXD加工監控等輔助機構，都是將XY 二維激光振鏡系統與多軸數控機床進行固定連接設計，由于不具備模塊化和獨立接口特性，使得不易拆卸安裝，并且焦距的調節必須依賴多軸數控機床的Z軸運動機構實現，功能關聯度高，難以實現復雜曲面工件需要實時頻繁調整加工焦距的加工需求。進一步的，現在還尚未有文獻報道自身具備加工焦距測量與調節功能一體化的振鏡掃描式激光加工頭。
實用新型內容本實用新型的目的在于提出一種三坐標振鏡掃描式激光加工頭，該激光加工頭具有加工單元模塊化、易拆裝、可與多種商業數控機床組合加工、工藝簡單可靠，對各種平面、 復雜曲面工件加工應用的適用性強的優點。本實用新型提供了一種三坐標振鏡掃描式激光加工頭，包括XY兩軸激光振鏡系統；用于將該激光加工頭安裝至多軸聯動數控機床的裝夾機構；用于調節XY兩軸激光振鏡系統Z軸位置的Z軸移動機構；用于控制Z軸移動機構和XY兩軸激光振鏡系統運動的控制系統；所述Z軸移動機構包括一固定部件和一運動部件，裝夾機構固定安裝在Z軸移動機構的固定部件上，XY兩軸激光振鏡系統固定安裝在Z軸移動機構的運動部件上，XY兩軸激光振鏡系統的光束出射方向與Z軸移動機構運動部件的運動方向平行，Z軸移動機構和XY兩軸激光振鏡系統均與控制系統電連接。進一步，它還包括一用于測量XY兩軸激光振鏡系統與加工工件之間Z向間距，并將該Z向間距輸出至控制系統的激光位移傳感器，該激光位移傳感器固定安裝在Z軸移動機構的運動部件上，與控制系統電連接。進一步，所述Z軸移動機構的固定部件為一導軌，運動部件為一滑塊，滑塊安裝在導軌上，并能夠沿導軌上下移動。進一步，激光位移傳感器的安裝角度使其激光位移測量方向與XY兩軸激光振鏡系統的光束出射方向平行。進一步，所述的多軸聯動數控機床是三軸或五軸聯動數控機床。現有振鏡掃描激光加工設備一般采用的是XY 二維激光振鏡系統與多軸數控機床整體固定的結構，其Z軸激光焦點調節功能必須依賴多軸數控機床的配合，因此加工頭不易拆卸安裝，適用性不高。本實用新型提供的三坐標振鏡掃描式激光加工頭，具備XY兩軸激光振鏡系統、ζ軸移動機構的“2+1軸”結構，通過內部自帶的Z軸移動機構，可以實現激光振鏡系統的加工焦距自調節功能。該加工頭結構獨立、緊湊，裝夾機構按照標準數控機床拉刀接口設計，使其與三軸、五軸等商業化多軸聯動數控機床的組合加工非常簡易，大大提高了工藝柔性，可以方便的將常規的多軸聯動數控機床改變成振鏡掃描式激光加工機床， 而功能兼容，因此具有重要的實用價值。此外，該加工頭還帶有高精度激光位移傳感器，Z軸移動機構、高精度激光位移傳感器和控制系統構成激光加工焦距的閉環反饋控制系統，使得加工頭自身具備加工焦距的動態測量和調節功能。
圖1是本實用新型的三坐標振鏡掃描式激光加工頭結構示意圖；圖中各標號含義1為裝夾機構、用于與工業數控機床配合，2為Z軸移動機構，3 為支架，4為XY兩軸激光振鏡系統，5為激光位移傳感器，6為加工工件，7為激光光束，8為控制系統，201為立式導軌、202為滑塊。
具體實施方式
下面通過附圖和實例對本實用新型的典型實施方式作詳細說明。[0017]本實用新型所述的三坐標振鏡掃描式激光加工頭，其結構如圖1所示，包括裝夾機構l、z軸移動機構2、支架3、XY兩軸激光振鏡系統4、激光位移傳感器5和控制系統8。Z 軸移動機構2、ΧΥ兩軸激光振鏡系統4、激光位移傳感器5都與控制系統8進行電連接。裝夾機構1的底部安裝在支架3上，它用于將該激光加工頭安裝至多軸聯動數控機床上；Z軸移動機構2也安裝在支架3上，用于調節XY兩軸激光振鏡系統的Z軸位置，其可沿Z軸方向上下移動；支架3用于將Z軸移動機構2與裝夾機構1固定連接起來；XY兩軸激光振鏡系統4用于將激光束聚焦后輸出在加工工件6上，并由控制系統8控制聚焦激光束按XY 二維圖形掃描運動；激光位移傳感器5用于測量XY兩軸激光振鏡系統4與加工工件6的Z向間距，并反饋至控制系統8 ；控制系統8控制Z軸移動機構2的運動部件在Z軸方向運動， 以調節激光加工焦距。具體的講，Z軸移動機構2包括一固定部件和一運動部件，即立式導軌201和滑塊 202，立式導軌201固定連接在支架3上，滑塊202通過升降齒輪安裝在立式導軌201上，控制系統8通過控制伺服電機驅動滑塊202沿立式導軌201上下移動。XY兩軸激光振鏡系統 4固定安裝在Z軸移動機構2的運動部件即滑塊202上，XY兩軸激光振鏡系統4安裝方位使得光束出射方向與滑塊202的上下運動方向(即Z軸方向)平行，因此，XY兩軸激光振鏡系統4的兩軸振鏡XY 二維圖形掃描運動能力與滑塊202的Z軸直線運動能力組合成完整的XYZ直角坐標系運動功能，實現自身三坐標振鏡掃描式激光加工運動。Z軸移動機構2 的固定部件通過支架3與裝夾機構1固定連接，裝夾機構1的功能是將該激光加工頭安裝至多軸聯動數控機床的標準拉刀刀座上，多軸聯動數控機床可以是三軸聯動數控機床，也可以是五軸聯動數控機床等。激光位移傳感器5固定安裝在Z軸移動機構2的滑塊202上，緊挨XY兩軸激光振鏡系統4固定安裝，并且安裝角度使其激光位移測量方向與XY兩軸激光振鏡系統4的光束出射方向(即Z軸方向)平行。激光位移傳感器5、Ζ軸移動機構2及控制系統8組成閉環反饋控制系統，并根據XY兩軸激光振鏡系統4與激光位移傳感器5固定的安裝位置換算關系，可以實現加工過程中對激光光束7的加工焦距動態測量和調整功能。裝夾機構1的結構按照國際標準拉刀頭設計，可以是圓拉刀、鍵槽拉刀、矩形或六方孔型拉刀等，由將要安裝的多軸聯動數控機床配置的拉刀刀座確定具體型號。Z軸移動機構2可以是伺服電機或步進電機驅動型絲杠導軌加滑塊的結構，還可以是直線電機驅動型直線導軌加滑塊結構，要求能夠實現Z軸滑塊運動重復定位精度高于 0. 05mmoXY兩軸激光振鏡系統4可以是工業領域廣泛使用的任何XY兩軸激光振鏡系統， X、Y激光平面反射鏡尺寸、掃描聚焦透鏡的通光口徑和焦距確定后，振鏡掃描范圍、加工焦距以及輸出光束特性等參數也相應地確定。激光位移傳感器5可以是任何能夠實現精確距離測量的激光位移測量裝置，測量精度要求高于0. 05mm,目前工業領域廣泛使用的高精度激光位移傳感器都能滿足該要求。將本實用新型所述的三坐標振鏡掃描式激光加工頭通過裝夾機構1安裝至商用三軸或五軸聯動數控機床，即可構成所謂“3+3”軸或“5+3”軸激光加工機床，由三軸或五軸聯動數控機床帶動激光加工頭定位至大幅面工件表面需要加工的位置，然后利用激光加工頭完成振鏡掃描激光加工運動，可以實現平面工件或曲面工件的激光加工。具體的講，即激光器所發射出的激光束經導光系統后，激光光束7進入該激光加工頭中XY兩軸激光振鏡系統4，經過兩個X、Y軸激光平面反射鏡的反射，進入掃描聚焦透鏡并聚焦在加工工件6上。 在對平面工件的加工過程中，當滑塊202帶動XY兩軸激光振鏡系統4和激光位移傳感器5 沿Z軸方向上下移動時，激光位移傳感器5可實時測量傳感器與加工工件6表面的Z向間距，并反饋至控制系統，由于激光位移傳感器5和XY兩軸激光振鏡系統4的相對方位是固定不變的，因此可通過控制系統8控制Z軸移動機構2實時調節滑塊202的Z軸位置，從而使XY兩軸激光振鏡系統4與加工工件6表面的Z向間距始終保持預設加工焦距。在對曲面工件的加工過程中，首先根據激光位移傳感器5和XY兩軸激光振鏡系統4的相對方位換算關系，利用多軸聯動數控機床帶動激光加工頭運動，使激光位移傳感器5的測量光束移動至XY兩軸激光振鏡系統4的待掃描加工區域內，測量傳感器與加工工件6表面的Z向間距、反饋至控制系統8、并由控制系統8控制調節滑塊202的Z軸位置使XY兩軸激光振鏡系統4與加工工件6表面的Z向間距為預設加工焦距；然后，利用三軸或五軸聯動數控機床帶動激光加工頭運動，使XY兩軸激光振鏡系統4移動至待掃描加工區域，由激光加工頭完成振鏡掃描激光加工運動。 本實用新型的實施方式不局限于上述具體實施方式
的內容，可以與該三坐標振鏡掃描式激光加工頭進行組合加工的設備并不局限于工業三軸或五軸聯動數控機床，也可以是自行設計的任何工件變位機。本領域一般技術人員根據本實用新型公開的內容，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方案和思路， 僅做一些本領域技術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。
權利要求1.一種三坐標振鏡掃描式激光加工頭，包括XY兩軸激光振鏡系統，其特征在于，它還包括用于將該激光加工頭安裝至多軸聯動數控機床的裝夾機構； 用于調節XY兩軸激光振鏡系統Z軸位置的Z軸移動機構； 用于控制Z軸移動機構和XY兩軸激光振鏡系統運動的控制系統； 所述Z軸移動機構包括一固定部件和一運動部件，裝夾機構固定安裝在Z軸移動機構的固定部件上，XY兩軸激光振鏡系統固定安裝在Z軸移動機構的運動部件上，XY兩軸激光振鏡系統的光束出射方向與Z軸移動機構運動部件的運動方向平行，Z軸移動機構和XY兩軸激光振鏡系統均與控制系統電連接。
2.根據權利要求1所述的三坐標振鏡掃描式激光加工頭，其特征在于，它還包括一用于測量XY兩軸激光振鏡系統與加工工件之間Z向間距，并將該Z向間距輸出至控制系統的激光位移傳感器，該激光位移傳感器固定安裝在Z軸移動機構的運動部件上，與控制系統電連接。
3.根據權利要求1或2所述的三坐標振鏡掃描式激光加工頭，其特征在于，所述Z軸移動機構的固定部件為一導軌，運動部件為一滑塊，滑塊安裝在導軌上，并能夠沿導軌上下移動。
4.根據權利要求2所述的三坐標振鏡掃描式激光加工頭，其特征在于，激光位移傳感器的安裝角度使其激光位移測量方向與XY兩軸激光振鏡系統的光束出射方向平行。
5.根據權利要求1或2所述的三坐標振鏡掃描式激光加工頭，其特征在于，所述的多軸聯動數控機床是三軸或五軸聯動數控機床。
專利摘要本實用新型提供了一種三坐標振鏡掃描式激光加工頭，其包括XY兩軸激光振鏡系統、裝夾機構、Z軸移動機構、激光位移傳感器和控制系統，Z軸移動機構包括一固定部件和一運動部件，裝夾機構固定安裝在Z軸移動機構的固定部件上，XY兩軸激光振鏡系統和激光位移傳感器均固定安裝在Z軸移動機構的運動部件上，激光位移傳感器、Z軸移動機構和XY兩軸激光振鏡系統均與控制系統電連接。該激光加工頭具備動態焦距調節功能且結構獨立、緊湊，其標準數控機床拉刀接口設計使其與三軸、五軸等商業化多軸聯動數控機床的組合加工非常簡易，大大提高了工藝柔性，可以方便的將常規的多軸聯動數控機床改變成振鏡掃描式激光加工機床，而功能兼容，因此具有重要的實用價值。
文檔編號B23K26/04GK202114396SQ201120128340
公開日2012年1月18日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者劉建國, 曹宇, 曾曉雁, 李祥友, 段軍, 王澤敏, 胡乾午, 高明 申請人:華中科技大學