一种复合激光加工的五轴超振声数控机床
阅读：1发布：2020-07-27
专利汇可以提供一种复合激光加工的五轴超振声数控机床专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，该数控机床同时具有 机械加工 和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及 工件 加工部；其中，工件加工部包括沿XYZ轴运动的 电机 、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；机械运动控制系统控制上述电机的运动。本发明通过将机械数控加工方式和激光加工方式这两种加工结合起来，提高加工效率，改善加工成品，扩大加工能 力 。，下面是一种复合激光加工的五轴超振声数控机床专利的具体信息内容。
1.一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，其特征在于，该数控机床同时具有机械加工和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及工件加工部；其中，工件加工部包括沿XYZ轴运动的电机、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；所述超振声的加工是在机械加工的刀具夹头上，对刀具有一个垂直方向的高频振动，通过高频变化的电流来控制刀头振动的频率；
所述沿XYZ轴运动的电机分别带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器沿XYZ轴移动；
所述A轴电机带动加工平台绕Y轴旋转，A轴电机的旋转方向定义为A轴；
所述C轴电机带动加工平台绕Z轴旋转，C轴电机的旋转方向定义为C轴；
所述机械加工的刀具夹头用于夹持刀具；机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器在同一个三维的移动杆上的不同垂直轴上；
加工平台用于放置并固定待加工工件；
激光加工的深度探测器用于检测激光加工的深度；深度探测器选用激光反射式测距接收器，在激光加工过程中，激光反射式测距接收器接受固定角度的激光反射，从而通过激光的反射对激光加工中的加工深度进行测量；
机械运动控制系统控制上述电机的运动；
所述深度探测器位于激光发生器的主轴运动部件上，并相对于激光发生器的激光刀头的位置固定。
2.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，工件平台沿C轴的运动范围为360°，并且允许叠加旋转角度。
3.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，工件平台沿A轴的运动范围为-20°到正向120°。
4.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，所述的加工平台通过力矩电机以及高精度编码器使得加工平台具有绕Z轴旋转和绕Y轴旋转的功能。
5.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，所述刀具所在的杆能够沿X、Y、Z轴三个方向通过力矩电机进行移动，通过直线光栅反馈元件，采用全闭环控制，能够同时对工件进行平面和深度的三维加工。
6.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，待加工工件的材料范围包括但不限于：金属、陶瓷、高分子、玻璃、碳纤维。
7.根据权利要求1所述的数控机床，其特征在于，非加工段机床电机控制的水平运动速度最大为10000mm/min；非加工段电机控制的旋转速度最大为20000°/min；在加工段机床电机控制的水平运动速度最大为2000mm/min；加工段电机控制的旋转速度最大为10000°/min。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的数控机床的工作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
首先，对待加工工件的工件材料基本成分性能进行分析，选择对该种材料的性能合适的切削效果的机械加工刀具并设定加工的刀具参数；同时对该种材料的激光加工参数进行设定；
其次，将待加工工件固定于工作平台上，按照上述设定的参数，通过沿XYZ轴运动的电机的三个平移轴带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器移动，A轴电机和C轴电机的旋转轴带动加工平台进行旋转，从而将待加工工件调整到适合的加工位置；通过机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器对加工平台上的待加工工件进行精确加工。
一种复合激光加工的五轴超振声数控机床
技术领域
[0001] 本发明属于精密器件加工领域，具体涉及一种复合激光加工的五轴超振声数控机床。
背景技术
[0002] 传统机械数控加工已经是一项比较成熟的工艺，由控制系统发出指令使刀具作符合要求的切割运动，以数值和字母形式表示工件的尺寸和形状等技术要求，以及加工工艺要求从而进行加工。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。数控机床的加工精度一般可达0.05—0.1mm，在更精密的加工技术中数控金切机床的加工精度可以达到更小的等级，已从原来的丝级(0.01mm)提升到微米级(0.001mm)，有些品种已达到0.05μm左右。
[0003] 激光技术是上世纪60年代人类继原子能和计算机之后又一伟大发明，特别是超快脉冲激光如纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光的出现，推动激光微加工技术迅速发展，使得可设计高精度和真三维的微纳器件的制备成为可能。现有的技术中，激光加工一般是单一地使用激光束对工件的表面进行切割、焊接等加工，而较少对孔进行加工。
[0004] 随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求，提高电路板小型化水平的关键就是越来越窄的线宽和不同层面线路之间越来越小的微型过孔和盲孔。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm，这显然已不能满足要求，取而代之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm左右的小孔。在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点，利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为突出，具有极大的商业价值。
[0006] 1.机械数控加工对大尺度的切削加工比较快速，但由于机械加工的局限性，过长的刀头所能承受的力矩是有限的，过小的刀头的制造成本太高和加工磨损严重，导致在一些小孔和深孔加工依然是力不从心。而激光加工对小尺度的切割加工比较快和精确，但是对大尺度的切割加工效率就比较低。在传统工艺中，这两种加工工艺是分别完成的。若将机械加工完的工件再进行激光加工，一是需要从一个加工平台上移动到另一个加工平台上，产生了一定的时间消耗；二是在不同加工平台上加工，定位中心位置的移动和偏差是不可避免的，产生了误差累计，对工件加工的精度产生了影响。
[0007] 2.由于激光加工中激光功率越高，聚焦的激光半径越小，能量密度越密集，加工效率也越高，因此对于不同材料，同样的加工功率下加工的深度是不一样的，所以对于通孔用激光的加工比较简单。但是激光对于加工盲孔和外形的尺寸以及形貌的精确控制就困难了许多，特别是高温下材料的软化以及性能的改变。
[0008] 3.激光加工的激光半径对加工工件的成品质量有很大影响，激光半径越大，能量密度的分布就越难集中，就会造成在加工中，中心部位能量集中部分能够将加工部位快速加热甚至气化，而能量较低的外圈的大部分地方只能液化工件，甚至只能对工件表面进行一定程度的加热。
[0009] 4.在机械加工完的工件表面很可能会有残余应力的存在。
发明内容
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明提出了一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，通过将机械数控加工方式和激光加工方式这两种加工结合起来，提高加工效率，改善加工成品，扩大加工能力。
[0011] 本发明提出的技术方案如下：
[0012] 一种复合激光加工的五轴超振声数控机床，其特征在于，该数控机床同时具有机械加工和激光加工的功能，该数控机床包括：机械运动控制系统以及工件加工部；其中，[0013] 工件加工部包括沿XYZ轴运动的电机、A轴电机、C轴电机、机械加工的刀具夹头、激光加工的激光发生器、加工平台以及激光加工的深度探测器；
[0014] 所述沿XYZ轴运动的电机分别带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器沿XYZ轴移动；
[0015] 所述A轴电机带动加工平台绕Y轴旋转，A轴电机的旋转方向定义为A轴；
[0016] 所述C轴电机带动加工平台绕Z轴旋转，C轴电机的旋转方向定义为C轴；
[0017] 所述机械加工的刀具夹头用于夹持刀具；机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器在同一个三维的移动杆上的不同垂直轴上；
[0018] 加工平台用于放置并固定待加工工作；
[0019] 激光加工的深度探测器用于检测激光加工的深度；
[0020] 机械运动控制系统控制上述电机的运动。
[0021] 进一步地，所述深度探测器位于激光发生器的主轴运动部件上，并相对于激光发生器的激光刀头的位置固定。
[0022] 进一步地，深度探测器选用激光反射式测距接收器，在激光加工过程中，激光反射式测距接收器接受固定角度的激光反射，从而通过激光的反射对激光加工中的加工深度进行测量。
[0023] 进一步地，工件平台沿C轴的运动范围为360°，并且允许叠加旋转角度。
[0024] 进一步地，工件平台沿A轴的运动范围为-20°到正向120°。
[0025] 进一步地，所述的加工平台通过力矩电机以及高精度编码器使得加工平台具有绕Z轴旋转和绕Y轴旋转的功能。
[0026] 进一步地，所述刀具所在的杆能够沿X、Y、Z轴三个方向通过力矩电机进行移动，通过直线光栅反馈元件，采用全闭环控制，能够同时对工件进行平面和深度的三维加工。
[0028] 进一步地，非加工段机床电机控制的水平运动速度最大为10000㎜/min；非加工段电机控制的旋转速度最大为20000°/min；在加工段机床电机控制的水平运动速度最大为2000㎜/min；加工段电机控制的旋转速度最大为10000°/min。
[0029] 一种如前任一项所述的数控机床的工作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0030] 首先，对待加工工件的工件材料基本成分性能进行分析，选择对该种材料的性能合适的切削效果的机械加工刀具并设定加工的刀具参数；同时对该种材料的激光加工参数进行设定；
[0031] 其次，将待加工工件固定于工作平台上，按照上述设定的参数，通过沿XYZ轴运动的电机的三个平移轴带动机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器移动，A轴电机和C轴电机的旋转轴带动加工平台进行旋转，从而将待加工工件调整到适合的加工位置；通过机械加工的刀具夹头和激光加工的激光发生器对加工平台上的待加工工件进行精确加工。
[0032] 本发明的有益效果：
[0033] 1.本发明将机械数控加工和激光加工这两种加工方式结合起来，提高加工效率，改善加工成品，扩大加工能力，对于越来越精准的工件加工是一种保障。
[0034] 2.本发明提出的数控机床对于工件的加工，是在一个工作平台上，通过机械加工配合激光加工得到最终加工成品。这样工件只在一个平台上加工，工件的定位中心位置的定位也仅进行一次，可以减小重复定位产生的误差累计，对于高精密的工件加工的零部件尺寸、形貌精度有极大的提升，解决了现有技术中的重复定位精度问题。
[0035] 3.本发明通过机械和激光复合加工，可以对工件的外形形貌进行精确的机械加工，并且机械加工工件形貌的速率较快，这样既高效又精准且能很好的保证加工质量。其次对于机械加工无法触及的加工部位或加工深度，可以通过激光加工来对局部和细节进行精细的处理。对于不同材料激光工作的效率不同，这个通过激光反射接收器反馈的信息来设置参数用以控制激光加工的时间，或者调节激光输出功率，从而提高整体加工效率以及成品形貌精确控制。
[0036] 4.本发明采用缩小激光半径和提高功率来解决激光加工的激光半径对加工工件的成品质量的影响。在该机床中，大的孔和槽等都由机械加工部分完成，对于机械难以加工的部位和小孔等通过激光加工，这样对激光的半径和功率要求并不高，在保证机床的加工性能的情况下，又可以保证机床的体积，节约空间。
[0038] 图1是本发明的机床整体外形线框图。
[0039] 图2是本发明的机床整体外形透视图。
[0040] 图3是本发明的机床整体外形俯视图。
[0041] 图4是本发明的机床整体外形俯视透视图。
[0042] 图5是本发明的机床整体主视图。
[0043] 图6是本发明的机床整体右视图。
[0044] 图7是本发明的机床加工工作部件图。
[0045] 图8是本发明的机床的加工运动图。
[0046] 图中各附图标记的含义：
[0047] 101为冷却系统；102为电箱和电源；103为存储刀具的刀库；104为机械运动控制系统；105为加工区域；
[0048] 201为加工舱；202为控制操作机床运动加工的电脑；203数据输入/输出系统；204为冷却系统的显示面板；
[0049] 301为沿XYZ轴运动的电机；302为绕Y轴旋转的A轴电机，A轴电机的旋转方向定义为A轴；303为绕Z轴旋转的C轴电机，C轴电机的旋转方向定义为C轴；304为机械加工的刀具夹头；305为激光加工的激光发生器；306为加工平台；307为激光深度探测器；其他部件为固定装置。
具体实施方式
[0050] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
[0051] 本发明提出的复合激光加工的五轴超振声数控机床，同时具有机械加工和激光加工的功能，如图1至6所示。所述的超振声加工是在机械加工刀具的夹具上，对刀具有一个垂直方向的高频振动，通过高频变化的电流来控制刀头振动的频率以此来达到对非金属材料加工的性能参数，因此本发明的数控机床不仅可以对金属材料进行加工，也可以对非金属材料进行加工，待加工工件的材料范围包括但不限于：金属、陶瓷、高分子、玻璃、碳纤维。数控机械加工头具有超声振动功能，是其能进行非金属合金切割的保证；激光加工头具有旋切加工和冲击加工的方式，满足不同尺度的高精度加工。本发明的数控机床可以用于加工小尺寸工件的设备中，例如工件尺寸不超过500㎜，也可以用于大型加工设备中。
[0052] 该数控机床包括控制区域和操作区域。其中，如图3所示，该控制区域包括冷却系统101、电箱和电源102、存储刀具的刀库103、机械运动控制系统104、加工区域105。
[0053] 冷却系统101对加工过程中的电箱区域进行冷却以及对加工机械运动系统进行冷却；电箱和电源102是控制机床运行和了解机床当前的运行状态以及针对电路故障的观测维修区域；存储刀具的刀库103实现机床加工中刀具的快速更换，避免人为换刀带来的安全隐患，同时也节约了加工时间；机械运动控制系统104是机床电机运动的工作区域；加工区域105，用于将待加工工件放入加工平台306的夹具上，通过编辑加工参数和刀路来将待加工工件加工成成品。
[0054] 如图4所示，所述操作区域包括加工舱201、控制电脑202、数据输入/输出控制203和冷却系统显示面板204。
[0055] 加工舱201主要用于加工件的操作、维护、清洁等；控制电脑202直接操作机床的加工；数据输入/输出控制203通过外部的代码编译来解决控制电脑202无法完成的工作事项；冷却系统显示面板204用于观察机械运动的温度情况，并调节冷却系统参数来适应当前加工情况。
[0056] 加工舱201的结构如图5所示，所述的加工舱在工作时是封闭的加工舱，其内的空气环境应为干燥环境，加工工件的过程没有液态的冷却循环系统。
[0057] 加工舱201包括沿XYZ轴运动的电机301、A轴电机302、C轴电机303、机械加工的刀具夹头304、激光加工的激光发生器305、加工平台306和激光加工的深度探测器307。
[0058] 其中，沿XYZ轴运动的电机301可分别带动机械加工的刀具夹头304和激光加工的激光发生器305沿XYZ轴移动。
[0059] A轴电机302带动加工平台306绕Y轴旋转，A轴电机302的旋转方向定义为A轴。
[0060] C轴电机303带动加工平台306绕Z轴旋转，C轴电机的旋转方向定义为C轴。
[0061] 所述的机床电机运动速度可以具有以下定义：非加工段机床电机控制的水平运动速度最大为10000㎜/min；非加工段电机控制的旋转速度最大为20000°/min；在加工段机床电机控制的水平运动速度最大为2000㎜/min；加工段电机控制的旋转速度最大为10000°/min。
[0062] 机械加工的刀具夹头304用于夹持刀具；机械加工的刀具夹头304和激光加工的激光发生器305在同一个三维的移动杆上的不同垂直轴上。五轴数控刀具可以完成外表面和大孔的加工，五轴的激光头对数控机床无法加工的小孔和深孔进行加工，并且还可以对工件表面进行一定程度的表面热处理以及焊接处理等。所述刀具所在的杆可以沿X、Y、Z轴三个方向通过力矩电机进行移动，通过直线光栅反馈元件，采用全闭环控制，可以同时对工件进行平面和深度的三维加工。
[0063] 加工平台306用于放置并固定待加工工作，激光加工的深度探测器307用于检测激光加工的深度(距离)。所述的加工平台306通过力矩电机以及高精度编码器使得加工平台具有绕Z轴旋转和绕Y轴旋转的功能，结合机械加工的刀具夹头304和激光加工的激光发生器305的三维移动，所述数控机床形成了五轴的空间运动加工平台，从而可以对工件进行复杂曲面加工。
[0064] 所述加工平台306的加工空间可以具有以下定义，加工的运动杆运动范围仅在X、Y、Z三轴上，运动行程一般不超过500㎜；加工的工件平台的C轴的运动范围可以旋转360°并且允许叠加旋转角度。A轴的运动范围为-20°到正向120°范围内，运动行程的大小是考虑到节约功耗以及机床的大小，对于行程超过500㎜的机床，相应的机床大小也会变化。
[0065] 深度探测器307位于激光发生器305的主轴运动部件上，并相对于激光发生器305的激光刀头的位置固定。深度探测器307可以选用激光反射式测距接收器，在激光加工过程中，激光反射式测距接收器接受固定角度的激光反射，从而通过激光的反射可以对激光加工中的加工深度进行测量。
[0066] 加工时，待加工工件放置并固定于加工平台306上。通过沿XYZ轴运动的电机301的三个平移轴带动机械加工的刀具夹头304和激光加工的激光发生器305移动，A轴电机302和C轴电机303的旋转轴带动加工平台306进行旋转，从而将待加工工件调整到适合的加工位置；通过机械加工的刀具夹头304和激光加工的激光发生器305对加工平台306上的待加工工件进行精确加工。
[0067] 本发明提出的机械加工和激光加工复合的五轴超振声数控机床的工作方法如下：首先对待加工工件的工件材料基本成分性能进行分析，选择对该种材料的性能合适的切削效果的机械加工刀具并设定加工的刀具参数，如刀具的旋转速度、刀具的进给速度；同时对该种材料的激光加工参数进行设定，如激光波长和光路半径，最后通过以上参数编辑加工该工件的机械刀路程序和激光刀路程序。
[0068] 加工开始时先将工件毛坯通过夹具固定于工作平台306上，对于初始的外形大尺寸的加工，可以用机械加工先期进行表面和形貌加工，通过机械加工的刀具夹头304使用大尺寸刀具进行快速的工件切削，将工件的基本形貌切削处理。但是因为大刀具的尺寸误差和刀头的小R角的影响，导致加工后的工件尺寸的精度有一定的误差，一般情况下会使工件尺寸偏大一定程度，但若直接用小尺寸刀具进行初期的表面形貌加工，小刀具因为半径尺寸比较小，高速旋转的动平衡问题，以及抗扭程度比较低，此时用小尺寸刀具加工就需要刀具的运动是在较低移动速率的切割才能保护刀具不会崩断，但是这样对刀具的磨损量会比较大，而且加工时间效率大大降低。因此通过先行使用大尺寸的刀具快速的对工件毛坯表面进行留有余量的粗加工切割；然后用比较细的刀具对工件毛坯的表面进行比较均匀速率的精加工，这样小尺寸刀具遇到的切割量比较小，速率也就可以比较大，既然保证了加工的精度和速率，同时也避免了加工中使用的刀具的损耗。
[0069] 对于机械加工完的部分，但往往对于有深槽和小孔的工件，机械加工的刀具是无法到达或者无法深入加工。此时通过激光加工的激光发生器305的可控的激光切割和加工就可以对机械加工中无法加工到的地方进行加工，特别对于深孔，细槽等机械加工的刀头无法进入的部分，激光加工的优势就更加明显，激光加工的激光发生器在短距离内是非常细的射线，这就大大减少了刀具碰撞工件的几率。通过控制激光发生器的功率、直径、波长或频率，来达到对不同性能材料的加工条件，科学且系统的进行工件的加工。激光加工还具有的优势是，通过控制激光的功率，激光刀头不仅仅是切削作用，而且可以用来表面热处理。在机械加工后，表面可能会因为机械刀具的切割产生加工硬化，通过控制激光的能量，使激光束在工件表面产生一定的能量，以此来达到对工件表面进行一定程度的热处理。
[0070] 通过这样处理后的工件，包含了外形加工和一定程度的表面热处理，把多种工艺集合起来，这样多种传统不同的加工平台集合在了一起，避免了多个平台间互相移动带来的位置、中心点等误差累积，这样不仅可以达到更精确的加工尺寸，而且大大节约了加工时间，也提高了工件的尺寸精度。
[0071] 本发明提出的复合激光加工的五轴超振声数控机床，除了能进行常规的机械加工之外，能够通过激光进行切削、钻孔以及表面处理等数种加工能力。通过将这两种加工工艺复合在一台机床上，能够大大提高加工效率，并且产品的精度也有很大程度的提高，节约社会资源的同时提高社会生产力。这些复合多种加工是未来加工的趋势，通过有限少的坐标定位，在一个加工平台上将工件的数种加工集合完成，降低重复定位的误差，也能更好的对产品质量进行控制。
[0072] 本发明的实施方式不局限于上述具体实施方式的内容，可以通过将传统机械加工和激光加工平台结合起来，并不局限于通过三轴或五轴联动的数控机床以及大小，也可以是自行设计的任何工件变位机。本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明。因此，凡采用本发明的技术方案和思路，仅做一些本领域技术人员所公知的替换和修改，均在本发明的保护范围之内。
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