[发明专利]一种用于三维加工的激光振镜刻蚀头及其重组系统

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域中多轴数控机床、工业机器人和激光加工领域，特别涉及一种用于五轴机械铣削机床或多轴工业机器人的可重组高速振镜扫描激光三维刻蚀加工的激光振镜刻蚀头装置及其重组系统应用。

背景技术

激光先进制造技术不仅具有高能束、非接触加工的优点，而且可以采用低惯量的高速扫描振镜实现2轴(XY轴)或3轴(XY轴+动态聚焦轴或机械运动轴Z)的激光高速扫描加工。振镜这种光学扫描机构具有高速偏转定位激光的优点，但同时其固有的偏转投射原理也带来扫描精度受投射距离成比例影响的局限，在保证数十微米的高加工精度要求下，通常只能进行数十毫米范围的2D平面加工或者2.5D准三维加工。

传统的机械加工领域已经广泛采用多轴数控机床或旋转关节工业机器人实现数米甚至更大范围的柔性三维机械加工，将激光与多轴机床或工业机器人结合则可以实现大尺度复杂工件表面的三维激光加工。

已有将激光加工头安装到机器人或机床运动轴末端来方便的组成三维激光加工系统，如申请号为200920228700.x的实用新型申请“一种数控激光加工装置”和申请号为201710029392.x的发明专利申请“基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法和装置”，通过将激光加工头安装到多轴机床或工业机器人的末端，激光器与激光加工头通过光纤相连，采用原有NC数控系统即可控制多轴机床或工业机器人的三维运动运载激光头实现对大尺寸工件的三维激光切割、焊接或刻蚀加工。这种将激光切割头、焊接头甚至光纤激光直接组合到机器人或多轴机床的方式，系统结构比较简单，易于实现大幅面三维激光加工，但由于没有采用高速扫描振镜装置，加工速度只是由机床或机器人机械运动速度决定，因此没有发挥出光学加工的可高速偏转扫描的高效率优势。

为充分结合多轴机床三维加工的柔性和小惯量振镜高速光学扫描的优点，研究人员们也提出了将两者结合的设计方案。申请号为200810197661.2的发明专利申请“一种振镜式激光三维扫描系统”，将激光振镜固定在Z轴移动机构上，来调节激光焦点在Z轴方向的位置，通过分层扫描的原理实现准三维加工。对较复杂三维曲面零部件加工而言，申请号为201010115968.0的中国发明专利申请“一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法”公开了三轴数控机床+二轴偏转振镜的三维投影式激光刻蚀系统，在数据处理时将工件曲面投影到水平面，然后进行分层加工，通过三轴数控机床调整激光头的XYZ空间位置以定位到各层，然后振镜扫描激光加工。这些方案由于关节数量和类型的限制，不具有空间姿态调整功能，因此是2.5D的准三维加工。

公开号为CN 102151984A的发明专利申请“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”公开了具有标准数控机床拉刀接口的三坐标激光刻蚀加工头(包括两轴激光振镜和Z轴)，将该激光刻蚀加工头安装至五轴联动数控机床的标准拉刀刀座上，成为五轴机床的一个标准刀具，可以方便的装载到五轴机床上完成对复杂自由曲面的3D激光表面纹理刻蚀加工。但是，其拉刀接口设计在提供方便性的同时，限制了激光刻蚀加工头的重量；同时激光器不在激光刻蚀加工头上，它们之间需要通过光纤或者镜片组等激光传输装置进行连接，影响激光三维加工的柔性。

针对以上多种装置的局限，需要开发一种新型的激光三维加工装置。

发明内容

针对现有技术的以上局限或改进需求，本发明提供了一种用于跨尺度三维加工的激光振镜刻蚀头及其重组系统应用，其目的在于，提供一种模块式激光刻蚀加工头，将激光器和高速扫描振镜及两者之间的光学传输元器件都集成在激光刻蚀加工头，使其结构紧凑、装卸方便、使用灵活、并且能确实实现三维激光刻蚀加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于三维加工的刻蚀头，其将激光器和高速扫描振镜及连接两者的光学传输元器件集成一体，形成激光刻蚀加工头模块，该激光刻蚀加工头模块在使用时，与外界部件只有电气连接而无光学连接，以此方式提高激光刻蚀加工头模块的集成度，进而增强三维加工系统的柔性。

本发明提出的激光振镜刻蚀头模块集成了激光器与2轴(XY振镜)或3轴(XY振镜+Z轴动态聚焦或者Z轴电机)振镜扫描装置，将激光器与振镜集成在一起，减少了激光振镜刻蚀头模块与外部的光学传输连接件，减小了三维激光加工过程中的可能存在的干涉，在充分发挥小惯量振镜高速光学扫描的优点同时，可以最大限度发挥出多轴机床或机器人的三维加工的柔性。