一种基于五轴数控铣床的三维激光加工系统实现方法

摘要

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。

说明书

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；

(2)在所述五轴机床CNC数控系统通用的G、M代码之外，扩展激光加工指令，用于控制激光加工头上各功能部件的动作执行；

(3)在五轴机床CNC数控系统中设置激光加工和机械铣削加工两种工作模式，并设置在两种工作模式间切换的M指令，用于切换机床加工模式；当切换到激光加工模式，CNC控制系统使能激光加工指令，关闭铣削指令；当切换到机械铣削加工模式时，CNC控制系统关闭激光加工指令，使能铣削加工指令。

(4)在三维激光加工CAM系统中对待加工工件三维CAD模型进行数据分析，生成三维激光加工路径，转换为CNC控制指令，保存为加工程序文件发送给五轴机床CNC数控系统执行，或者直接发送指令控制CNC执行加工指令。

优选地，在步骤(4)之后，还包括如下步骤：激光加工完毕后，卸下激光加工头，在数控系统中通过M指令将机床工作模式设置到机械铣削加工模式，则整个系统恢复成为一台五轴机械铣床。

优选地，所述激光加工头包括激光切割头、焊接头、光纤聚焦刻蚀头、熔覆头、送粉或送丝增材制造头。

优选地，所述激光加工头通过固定板安装到五轴机床的最后一关节臂的末端。

优选地，还可以从多轴机床末关节臂的侧面位置增加辅助固定装置固定激光加工头，以提高机床运载激光加工头的稳定性。

优选地，所述激光加工头上电源和控制信号线以及辅助气路、冷却水路等通过机床空心关节内部走线，实现更高的集成度，减少相互干涉；所述三维激光加工CAM系统与CNC数控系统之间通过数据通讯线路连接。

优选地，在同一台五轴铣床安装实现不同工艺的激光加工头，在五轴数控铣削加工CNC系统通用的G、M代码之外，针对不同激光加工头功能部件控制需要，增设相应的激光加工CNC控制指令代码。

优选地，在为五轴机床扩展包括激光切割、焊接、熔覆和送风增材多种激光加工功能时，在CNC数控系统中设置多种加工模式，通过M指令在不同的工作模式之间切换，以使能相应的激光加工指令或者机械铣削指令。

优选地，所述三维激光加工CAM系统用于完成三维模型的数据处理和三维激光加工程序G代码的生成；其中，三维激光加工程序中包括传统五轴数控机床运动控制指令，以及激光加工头上激光的开关、激光功率调节、辅助气体开关、送粉送丝控制及其他激光加工工艺控制指令。

优选地，本发明中三维激光加工CAM系统具有两种工作方式：

模式一：将G代码三维激光加工程序文件发送给CNC数控系统，由CNC数控系统独立控制五轴机床和激光加工头协同工作完成三维激光加工；

模式二：直接发送指令给CNC系统，控制五轴数控机床完成三维空间运动和激光头上各功能部件的开关控制，并实时获得CNC系统中机床运动状态，以实现三维激光加工过程的闭环监控。

本发明中的三维激光加工包括激光切割、焊接、刻蚀、熔覆以及送粉式或送丝增材制造等激光加工工艺；激光加工头是指激光加工领域常见的激光切割头、焊接头、光纤聚焦激光头、熔覆头、送粉或送丝增材制造头；五轴数控机床指传统机械加工中常见的包括XYZAC五轴的数控铣床或类似的五轴数控机床，三维加工尺寸精度通常达到20um。

本发明提出的技术方案可以简要阐述如下：

将激光加工头通过机械连接板固定到多轴机床末端，使得激光加工头成为机床的一类特殊刀具，设置其尺寸参数，即可让机床运载激光头及激光加工点沿着预定三维空间轨迹运动。为提高激光刻蚀加工头的稳定性，还可以从多轴机床末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置。

激光加工头上各部件受机床CNC数控系统的统一控制，激光加工头上各功能部件控制接口与CNC数控系统进行通讯连接，以实现CNC对激光头上功能部件控制。激光加工头上电源和控制信号线以及辅助气路、冷却水路等通过机床空心关节内部走线，也可以在关节外部走线，内部走线集成度更高更美观。

在五轴数控铣削加工CNC系统通用的G、M代码之外，针对激光加工工艺和激光加工头上功能部件控制的需要，增设三维激光加工CNC控制指令代码；同时在CNC数控系统中为五轴机床设置激光加工和机械铣削加工两种工作模式，并设置在两种模式间切换的M指令。在激光加工模式下，激活激光加工指令，关闭铣削指令；在机械铣削加工模式下，关闭激光加工指令，激活铣削加工指令。

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，三维激光加工CAM系统完成三维模型的数据处理和三维激光加工程序G代码的生成，三维激光加工程序中既包括传统五轴数控机床运动控制指令，还包括激光加工头上激光的开关、激光功率调节、辅助气体开关、送粉送丝控制及其他激光加工工艺控制指令。

三维激光加工CAM系统与CNC数控系统之间通过数据通讯线路连接，可以是网线或者其他通讯协议连接。三维激光加工CAM系统可以将G代码三维激光加工程序文件发送给CNC数控系统，由CNC数控系统独立控制五轴机床和激光加工头协同工作完成三维激光加工。三维激光加工CAM系统也可以直接发送指令给CNC系统控制五轴数控机床完成三维空间运动和激光头上各功能部件的开关控制，并能实时获得CNC系统中机床运动状态，以实现三维激光加工过程的闭环监控。

本发明具有以下有益效果：

1.提供了一种经济便利的实现三维激光加工系统的方案，即通过在传统五轴机械加工机床A轴末端安装激光加工头，来重组实现三维激光加工系统。为提高激光加工头的稳定性，还可以从多轴机床末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置与激光加工头连接。这种连接方式可以承受较大重量，因此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。

2.激光加工头上各功能部件与五轴机床一起受CNC数控系统统一控制，在CNC数控系统五轴机械加工通用G、M控制指令之外，增设三维激光加工CNC控制指令代码；同时在CNC数控系统中为五轴机床设置激光加工和机械铣削加工两种工作模式，在两种模式间可通过M指令灵活切换。装上激光加工头，通过M指令将机床工作模式设置到三维激光加工模式，则整个系统成为一台三维激光加工系统；卸下激光加工头，过M指令将机床工作模式设置到机械铣削加工模式，则整个系统恢复成为一台五轴机械铣床。整个系统在传统机械加工功能之上可以扩展丰富的三维激光加工功能，而且CNC控制方便灵活，系统集成度高。

3.针对扩展的三维激光加工功能，设计了专用的三维激光加工CAM软件，能导入和显示待加工三维工件CAD模型，针对具体的激光加工头类型(切割、焊接、刻蚀、熔覆、增材等)，进行数据分析并生成相应的三维激光加工控制G代码文件，随后三维激光加工CAM系统发送加工程序文件或者逐条指令给机床CNC系统，控制五轴数控机床关节联动完成三维空间运动和激光加工工艺指令的实时控制，协同完成三维激光加工。这种上位机三维激光加工CAM系统既可以实现模型的显示又可以完成五轴机床激光加工控制，具有更完善系统功能和更友好的软件操作界面。

附图说明

图1激光加工头及连接装置；

图2重组五轴数控铣床为三维激光加工系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种重组五轴数控铣床为三维激光加工机床的方法。用来重组机床的激光加工头及其连接装置示例如图1所示，包括激光加工头1、连接杆2、安装板3、固定板5、激光头控制及辅助连接线6、激光传输光纤7。这里的激光加工头是指激光加工领域通用的激光切割头、焊接头、刻蚀用聚焦激光头或熔覆头等，通过固定板5与连接杆2相连。安装板3上有安装孔4，通过安装孔4固定到机床A轴末端。激光头控制及辅助连接线6包括电气、通讯控制及冷却气体、液体等激光加工头需要的连接线。激光传输光纤7用来将激光传输到激光头，对于小功率激光器，也可以直接集成到激光加工头上。

图2为用激光加工头重组五轴数控机床示意图，图中包括五轴机床8、机床上激光头连接线路接口9、激光器10、CNC控制系统11、三维激光加工CAM系统12、激光头上功能部件的控制系统13。

五轴数控机床8包括XYZAC轴，激光加工头通过安装板3固定到机床A轴末端，装配的方向和角度可以根据加工的需要绕Z轴旋转。还可以从数控机床末关节臂的侧面等位置增加辅助固定装置与激光加工头连接，提高激光加工头的稳定性。五轴机床关节内部有机床和激光加工头的电气通讯线缆和气路冷却水路等辅助管路，五轴机床A轴关节臂上提供与激光加工头线缆6的连接接口9。激光器10输出激光通过传输光纤7导入到激光加工头，对于小功率激光器，也可以激光器直接集成到激光加工头上，而无需长光纤传导。

五轴数控机床8自带CNC控制系统11，CNC数控系统11与激光器10和激光头上功能部件的控制系统13有控制线路连接，CNC数控系统11不但控制五轴机床运动，而且扩展了激光加工指令代码，可以方便控制激光加工头上各部件的工作。

三维激光加工CAM系统12主要功能包括分析处理加工工件三维CAD模型、生成三维激光加工路径、转换为CNC控制指令、保存为加工程序文件以及发送指令控制CNC执行加工程序等。三维激光加工CAM系统12与CNC数控系统11之间有通讯线缆连接，可以作为上位机通讯控制CNC系统和激光加工头协同动作，完成对大型零件三维激光加工。三维激光加工CAM系统12也可以生成G代码加工程序文件，发送给CNC数控系统11，由数控系统11控制机床和激光加工头协同动作完成三维激光加工。

本发明提供的一种重组五轴数控机床为三维激光加工机床的方法，其中心思想将激光加工头通过固定板安装到五轴机床的最后一关节臂的末端，激光加工头上各部件与五轴机床一起受机床CNC数控系统的统一控制，成为一台三维激光加工系统。

进行三维激光加工时，将激光加工头(包括三维激光切割、焊接、刻蚀、熔覆、增材等)按照本发明提供的安装方法安装到五轴数控铣床末端，此时激光加工头成为机床的一类特殊刀具，在CNC数控系统中设置其对应的刀具尺寸参数，然后通过M指令将五轴数控铣床CNC系统切换到三维激光加工模式。三维激光加工CAM软件导入和显示待加工工件的三维CAD模型文件，并根据加工工艺要求进行数据分析，生成三维激光加工路径，进而生成三维激光加工控制指令。三维激光加工CAM系统可以直接发送指令给CNC数控系统，控制五轴机床按照加工路径作三维空间运动，同时控制激光加工头上激光、水、电、气等功能部件的开关，实现三维激光加工工艺控制。三维激光加工CAM系统也可以将三维激光加工路径保存为G代码加工程序文件，将其发送给CNC数控系统让其独立执行三维激光加工程序。激光加工完成后，关闭CAM系统，取下激光加工头，再通过M指令将数控机床切换到五轴铣床模式，则恢复为原来五轴机械铣床状态。

本发明不仅仅局限于上述具体实施方式，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，例如激光加工头上的水、电、气路也可以不通过关节内部传输，也可以走外部线路来实现同样功能；激光头控制系统的位置可以固定在地上或者安装在机床上。因此，凡是采用本发明的技术方案、思路和装置，做一些简单的变化、组合或更改，都落入本发明保护的范围。