[发明专利]一种基于五轴数控铣床的三维激光加工系统实现方法

说明书

本发明提出一种基于五轴数控铣床的三维激光加工系统实现方法。本发明将激光加工头通过机械连接板固定到多轴机床末端，使得该激光加工头成为机床的一类特殊刀具；激光加工头上各部件(包括气路、激光、送粉机构等)通过控制接口与CNC数控系统进行通讯连接，受机床CNC数控系统的统一控制；在五轴数控机床的CNC数控系统之外，配备三维激光加工CAM系统。本发明将传统的五轴数控机械加工机床重组为大尺度三维激光加工系统，所用激光加工头可以是通用的激光切割头、焊接头、光纤刻蚀头、激光送粉熔覆头、送丝增材制造头等加工头，能解决现有技术存在需要重新建立专门五轴机床结构、工业机器人加工范围有限等技术问题。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域中三维激光加工技术(包括三维激光切割、焊接、刻蚀、熔覆、增材等)，特别涉及一种基于现有的五轴联动数控机械铣床扩展重组实现为三维激光加工系统的方法。

背景技术

激光加工具有高能束、高精度、高效率、非接触加工、材料适应性广、工艺多样的优点，已经广泛地应用于现代工业制造，但专用的三维激光加工系统需要架构复杂的五轴联动数控机床，定位精度要求高，调校复杂而且造价昂贵。传统的机械加工领域已经广泛采用五轴数控铣床或工业机器人进行大型零件三维机械加工，将激光与五轴机床或工业机器人结合则可以更经济便利的实现三维激光加工系统。

研究人员已有将激光加工头安装到工业机器人末端来组成三维激光加工系统，如申请号为200920228700的实用新型专利“一种数控激光加工装置”和申请号为CN201710029392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工业机器人的末端，固定在机器人旁边的激光器与激光加工头通过光纤相连，采用工业机器人自带的NC数控系统控制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。这种将激光切割头或焊接头甚至光纤激光直接组合到机器人的技术方案，充分利用了工业机器人柔性高、系统集成简便的优点，但工业机器人采用旋转关节，因此其可达空间范围有限，因此三维激光加工范围有限。

研究人员也有设计将激光加工头安装到五轴联动数控机床上组合成针对复杂自由曲面的三维激光加工系统。专利申请号为201010115968.0的中国发明专利“一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法”，设计了三轴数控机床+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空间位置定位到各层，然后振镜扫描激光加工。专利申请号为CN 102151984 A的发明专利“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”，设计了具有标准数控机床拉刀接口的三坐标激光刻蚀加工头，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，通过对复杂曲面划分成多个子曲面片，五轴机床依次定位激光头到各子曲面片上方，来完成投影式三维激光刻蚀加工。这类三维加工系统重组方案采用了振镜扫描加工头，增加了传统的NC数控系统无法控制的光学振镜扫描机构，需要额外增加振镜控制卡，控制结构和CAM软件处理都变得复杂。另一方面机械结构上采用拉刀接口进行连接，虽然便于安装和拆卸，但限制了激光刻蚀加工头的重量，影响三维激光加工功能的扩展。

发明内容

本发明提供了一种将传统的五轴数控机械加工机床便利地重组为大尺度三维激光加工系统的方法，以解决现有技术存在需要重新建立专门五轴机械结构、振镜加五轴机床控制复杂、工业机器人加工范围有限等技术问题。

本发明提出的一种基于五轴数控铣床的三维激光加工系统实现方法，包括如下步骤：

(1)将激光加工头通过机械连接板固定到五轴数控铣削机床末端，使之作为机床的一类刀具；在五轴机床CNC数控系统中设置激光加工头尺寸参数，则数控系统能控制机床运载激光加工头及其激光加工点沿着加工程序预定的三维空间轨迹运动；

所述激光加工头上各部件，包括气路、激光和送粉机构等，通过控制接口与CNC数控系统进行通讯连接，受机床CNC数控系统的统一控制；