CN1275732C - 一种激光加工技术中的串联机构 - Google Patents

Abstract

一种激光加工技术中的串联机构，可以方便实现激光光头与工件的最终相对姿态和位置的调节功能，其优点在于：可以实现等光程加工，激光光束被反射次数较少，能量损失较小，控制便利。该串联机构由多个导光臂经转动关节串联连接，最后一个导光臂和激光光头连接，每两个导光臂间由一个转动关节连接，一个转动关节中只有一个反射镜，控制系统控制转动关节自行转动，使其连接的两个导光臂发生相对转动，从而调节各个导光臂的空间位置，最终实现激光光头相对工件的最终位姿的调节，采用机器人手臂控制系统作为控制整个三维串联机构空间运动的控制系统即可；该串联机构的每一个转动关节内安装有一个反射装置，反射装置的镜面调节机构和转动关节的函数转动机构耦合在一起，随同转动关节一起按照一定的函数关系转动，从而自动调节反射镜镜面的空间位置，保证激光束经过反射镜反射后是绝对沿导光臂轴线方向前进的。

Description

一种激光加工技术中的串联机构

所属技术领域

本发明涉及一种激光加工技术中的三维串联机构，该串联机构可以方便的实现激光加工过程中对激光光头与工件的最终相对姿态和位置的调节，并且可以保证是高精度、等光程加工。

背景技术

目前，在固体激光医疗应用领域，一般采用多导光臂串联技术，每相邻两导光臂成直角关系不变，采用回转关节将二者相连，导光臂可以绕自己的轴线转动，通过一个或多个这种回转关节的运动，从而实现激光光头与工件最终相对位姿的调节，记该机构为机构一；在大功率激光加工(尤其是CO2等气体激光加工)工业应用领域，目前还没有采用导光臂串联技术，而是采用沿空间导轨平行滑行技术来实现空间位置的调节，空间导轨分别平行于空间坐标系X、Y、Z轴，该技术中激光光头沿各个导轨平行方向滑动，导光臂的长度是变化的，记该机构为机构二。目前常用的这两种机构采用的技术存在着如下的问题：1、机构一采用了多导光臂串联技术，每相邻两导光臂成直角关系不变，导光臂仅可绕自己的轴线转动，这就决定了任何相邻的两导光臂之间夹角不会有变化，只有两非相邻导光臂之间夹角才会发生变化，因而要实现空间位姿的灵活变化，势必导致回转关节个数增多和安装在回转关节处用于反射的镜片个数增多，激光能量损耗较多；2、机构二采用激光光头沿空间导轨方向平行滑行技术来实现空间位置的调节，由于X、Y和Z轴三方向的导光臂长度随着激光光头沿X、Y和Z轴三方向导轨平行滑动而变化，所以每个方向上导光臂臂长的变化量积累在一起就会成为一个较大的变化量，使得激光束在导光臂中的实际行程有一个较大的变化量，在激光加工中，就不能保证整个加工过程是等光程加工，经过最短光程后出来的激光光斑直径和经过最长光程后出来的激光光斑直径二者间就会存在较大误差，很难保证符合精确加工的要求；3、采用机构二进行加工，只能够对激光光头的空间位置进行调节，不能够调节激光光头的空间姿态，而且要使得激光光头有一个较大的空间位置调节范围，必然要求做出相应大尺寸的导轨，占用空间大且浪费材料。

发明内容

为了克服现有激光加工技术中调节机构存在的以上不足，本发明提供一种三维串联调节机构，该机构不仅可以大幅度调节激光光头与工件的最终相对位置和姿态，同时可以保证等光程加工，机构简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：1、机构设计。激光发生器出来的激光经过固定工作平台的导光装置后直接进入导光臂，导光臂的一端和固定工作平台固定连接，另一端通过转动关节和下一个导光臂连接，由转动关节内的函数转动机构来实现两导光臂的相对转动，如此串联下去，直到最后一个导光臂连接激光光头，最终串联起来的机构形式为：固定工作平台-＞导光臂-＞转动关节-＞导光臂-＞转动关节...导光臂-＞激光光头，根据实际加工和控制的需要确定串联的级数以及串联的顺序，整个串联机构的空间控制原理和机器人手臂控制原理是一样的，所需要用到的控制系统已是很成熟，将机器人手臂的控制系统应用于该串联机构，即可实现激光光头对工件最终相对位置和姿态的调节和控制，也即空间位姿控制。2、反射装置设计。在任一个转动关节内均装有一个反射装置，该反射装置由一面镀金属膜反射镜、镜面调节机构组成，镀金属膜反射镜贴焊在调节机构的平面上，安装机构时保证镜面中心正好是两导光臂轴线的交点，通过齿轮机构或其他变速装置将调节机构和转动关节的函数转动机构耦合起来，使调节机构绕镜面中心的转动速度等于转动关节绕镜面中心转动速度的一半，反射装置将来自前一个导光臂的激光光束反射后，使光束进入下一个导光臂，并沿导光臂的轴线前进。在整个设计中，无论最终激光光头的位置和姿态如何，无论转动关节如何转动，各个导光臂的长度没有发生变化，所以，激光光束所行进的光程是不变的，保证了加工全过程为等光程加工，提高了加工精度，另一方面，转动关节内反射装置的反射镜采用镀金属膜反射镜，入射角没有定死，反射光路遵守反射定理，用于反射激光光束的反射镜镜面空间位置是自动调节的，结构和操作均简单，在同样的空间位置变化范围内，可以精简转动关节数目和反射镜个数，减少了激光能量。

本发明的有益效果是，在保证加工过程为等光程加工和方便实现加工过程中位姿控制的同时，其空间结构简单，占用空间位置小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的原理示意图。

图2是图1中任一转动关节的纵剖面构造图。

图3是图2中转动关节内光路反射原理示意图。

图中1.固定平台架，2.导光臂一，3.转动关节一，4.导光臂二，5.转动关节二，6.导光臂三，7.转动关节三，8.导光臂四，9.激光光头，10.工件，11.导光臂，12.转动关节，13.镜面调节机构，14.镀金属镆反射镜。

具体实施方式

在图1中，为了明确实施例各个结构构件间的相对关系，建立4个相互平行的空间坐标系统，分别如图OXYZ，O₁X₁Y₁Z₁，O₂X₂Y₂Z₂，O₃X₃Y₃Z₃；固定平台架1和导光臂一2固定连接，激光发生器出来的激光束经过固定平台架1的导光装置直接进入第一个导光臂——导光臂一2；导光臂一2经过转动关节一3和导光臂二4连接，转动关节一3转动带动导光臂二4在O₁X₁Y₁平面内绕Z₁轴发生转动；导光臂二4经过转动关节二5和导光臂三6连接，转动关节二5转动带动导光臂三6在O₂X₂Y₂平面内绕Z₂轴发生转动；导光臂三6经过转动关节三7和导光臂四8连接，转动关节三7转动带动导光臂四8在O₃X₃Z₃平面内绕Y₃轴发生转动；导光臂四8直接和激光光头9连接。激光束在整个串联机构中的行进路线为：导光臂一2→转动关节一3→导光臂二4→转动关节二5→导光臂三6→转动关节三7→导光臂四8→激光光头9。

在图2中，两导光臂通过转动关节相连接，用于激光束反射的反射装置安装在转动关节之内，反射装置由一面镀金属膜反射镜、带一平面的调节机构组成，镀金属膜反射镜贴焊在调节机构的平面上，安装机构时保证镜面中心正好是两导光臂轴线的交点，通过齿轮机构或其他变速装置将调节机构和转动关节的函数转动机构耦合起来，使调节机构绕镜面中心随转动关节一起转动，且速度等于转动关节转动速度的一半，激光束经过该反射镜反射后会直接进入下一导光臂且沿轴线方向前进。

图3中，结合图2对转动关节内反射装置的光路反射原理进行说明，设定在初始时刻t₀，激光束沿光臂轴线AO前进到达O点，经过镀金属膜反射镜反射后，沿下一导光臂轴线OE进入导光臂；在时刻t₁，控制系统旋转转动关节，使导光臂发生相对转动，其轴线转动在OE’位置，转动角度为∠EOE′，由于反射装置的半球形调节机构和转动关节的函数转动机构是耦合在一起的，且满足绕镜面中心O点的转动速度等于转动关节转动速度的一半，所以，镜面会从原位置BD转到B’D’，镀金属膜反射镜在镜面中心O点处的法线OF转动到OF’位置，并满足关系： $\∠\mathrm{FO}{F}^{\′}=\frac{1}{2}\∠\mathrm{EO}{E}^{\′},$ 根据反射定理可以知道，沿AO方向来的激光束经过该反射后一定会沿OF’前进。

本发明的具体实施例可以根据具体控制空间范围的需要，确定具体尺寸比例、串联的顺序以及转动关节的数目。

Claims (1)

1、一种激光加工技术中的串联机构，由多个导光臂经过转动关节串联连接，最后一个导光臂末端和激光光头连接，其特征是：每两个导光臂间由一个转动关节连接，控制系统控制转动关节转动，两个相邻导光臂在两导光臂构成的平面内发生相对转动，两导光臂构成的夹角在0-180度之间变化；采用机器人手臂控制系统作为控制整个串联机构空间运动的控制系统；该串联机构的每一个转动关节内安装有一个反射装置，反射装置由一面镀金属镆反射镜、镜面调节机构组成，反射装置的镜面调节机构随同转动关节一起转动，从而自动调节反射镜镜面的空间位置，保证激光束被反射镜反射后绝对沿导光臂轴线方向前进。

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