專利名稱：一種雙工位薄壁管材的激光微加工設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于薄壁管材激光微加工領域，涉及一種激光加工設備，特別涉及一種雙工位薄壁管材的激光微加工設備。
背景技術：
激光微加工是利用光的能量經過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，靠光熱效應來加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形小，可加工各種材料。用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。某些具有亞穩態能級的物質，在外來光子的激發下會吸收光能，使處于高能級原子的數目大于低能級原子的數目一粒子數反轉，若有一束光照射，光子的能量等于這兩個能相對應的差，這時就會產生受激輻射，輸出大量的光能。激光微加工由于加工效率高、切割殘渣少、非接觸加工、易實現加工過程的自動化等特點，因而成為薄壁管材加工的主要方法。現有的薄壁管材激光微加工設備通常為單工位，單個操作工操作的形式，設備占地面積大，生產效率低，不利于生產成本的控制。有鑒于此，如今迫切需要一種生產效率高、產品成本低的薄壁管材的激光微加工設備。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決現有單工位薄壁管材激光微加工設備占地面積大,生產效率低,產品成本高的問題。為達到上述目的，本發明提出了一種雙工位薄壁管材的激光微加工設備，包括兩個加工工位，每個加工工位獨立加工不同的工件；每個加工工位設有旋轉軸、直線軸、激光切割頭、輔助高壓氣體供氣單元、Z軸模塊、激光發生器、準直擴束鏡、照明光源、45°反射鏡、CCD ;所述激光切割頭包括激光噴嘴、保護鏡、聚焦鏡；
所述旋轉軸包括電機、聯軸器、蝸桿、蝸輪、拉桿模塊、外殼、端蓋、夾頭；所述拉桿模塊包括拉桿蓋、活塞、拉桿座、滾動軸承、軸套、拉桿，拉桿為中空結構；所述外殼的一端設置拉桿蓋、拉桿座，另一端設置端蓋；所述拉桿蓋、拉桿座之間設有活塞、軸套、滾動軸承；活塞的兩側分別設有第一氣腔、第二氣腔，第一氣腔、第二氣腔分別設有出入口，通過出入口充放氣，所述出入口連接輔助高壓氣體供氣單元；所述夾頭設置于拉桿的一端，穿過端蓋露出一部分；夾頭通過從旋轉軸靠近拉桿蓋的一端擰入拉桿模塊的另一端螺紋孔中；所述聯軸器將電機的輸出軸和蝸桿軸連接，蝸桿與蝸輪配合，所述蝸輪與拉桿共軸，蝸輪軸即為拉桿軸；電機的轉動最終帶動拉桿軸旋轉運動；
所述旋轉軸用于夾持薄壁管材，并帶動薄壁管材高精度旋轉，旋轉軸的底座安裝在直線軸的動板上，可沿直線軸進給；直線軸和旋轉軸組成了激光加工設備的精密二維運動平臺；
兩個激光切割頭安裝在各自的Z軸模塊上，兩個Z軸模塊分別安裝在基準上，可手動或者自動實現在Z軸模塊的上下直線運動，從而能夠根據不同管徑調整激光噴嘴下沿距離薄壁管材最表面的距離，控制待加工薄壁管材聚焦光斑的能量分布，同時在加工過程中能夠隨時根據激光光斑的變化調整噴嘴與加工薄壁管材表面的距離；
所述激光發生器所發出的激光束經過準直擴束鏡形成水平激光束，而后與照明光源發射的光同時入射至45°反射鏡，45°反射鏡對水平激光束全反射，并對照明光45°增透，激光束垂直入射到聚焦鏡上；透過聚焦鏡的激光束經過保護鏡在焦點處聚成一極小的光斑，光斑在加工平臺上的薄壁管材表面使工件瞬間汽化，再配合輔助高壓氣體供氣單元提供的輔助切割氣體將汽化的金屬吹走；
所述CCD接收從45°反射鏡反射的光，CCD用以在激光光斑位置調整時觀察光斑聚焦情況，同時在加工過程中隨時查看加工情況，并對加工過程全程錄像；
所述微加工設備還包括控制系統；所述控制系統包括用于控制兩個加工工位上的直線軸、旋轉軸和Z軸模塊的運動控制單元，以及用于控制激光發生器的激光控制單元；所述控制系統與直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器、CCD連接。 在本發明的一個實施例中，將兩個加工工位的二維運動平臺分別安裝在天然花崗巖材質制作的基準上；該二維運動平臺集管材裝夾與材料處理于一體，采用高分辨率光柵尺和高精度編碼器位置反饋實現全閉環控制；所述兩個Z軸模塊分別安裝在天然花崗巖的基準上。在本發明的一個實施例中，所述微加工設備包括水平工作面、與水平工作面垂直設置的立柱；兩個加工工位的二維運動平臺分別安裝在水平工作面上，兩個Z軸模塊分別安裝在立柱上。在本發明的一個實施例中，所述控制系統控制集成于一體，或者包括兩個子控制系統，分別控制兩個加工工位上的直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器。在本發明的一個實施例中，所述控制系統安裝于PC機中或安裝于手持移動終端中，PC機或手持移動終端通過控制線纜與直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器、CCD連接。在本發明的一個實施例中，所述活塞包括活塞套、活塞內套，活塞套、活塞內套設有O形密封圈密封。在本發明的一個實施例中，所述端蓋與外蓋之間設有端內蓋；所述旋轉軸裝置包括底座，所述外殼設置于該底座上。在本發明的一個實施例中，所述拉桿為中空無縫管。在本發明的一個實施例中，所述拉桿的一端設有拉桿旋鈕，可手動旋轉拉桿。在本發明的一個實施例中，所述旋轉軸在夾緊管材時，對第一氣腔充氣，高壓氣體會推動拉桿模塊朝第一方向運動，從而帶動外殼、端內蓋和端蓋一起朝第一方向運動，直到端蓋的內圓錐面與夾頭的外圓錐面緊貼為止，端蓋繼續向第一方向運動，導致彈性夾頭收緊，將管材抱住，保持該狀態，管材將一直被夾頭抱緊； 需要松開管材時，為第二氣腔充氣、第一氣腔放氣，高壓氣體帶動拉桿模塊朝第二方向運動從而推動外殼、端內蓋和端蓋朝第二方向運動，進而使得彈性夾頭的外圓錐面與端蓋的內圓錐面相脫離，保持松開狀態，此時彈性夾頭依靠自身的彈性回復力保持松開狀態，管材將被松開。通過本發明提出的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，一臺設備上能容許兩個工人同時操作，設備結構緊湊，極大的降低了生產成本。同時，本發明設備加工速度快、加工精度高；且各個功能塊模塊化設計，結構緊湊，互換性強，更新換代容易。本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1為雙工位薄壁管材的激光微加工設備的俯視 圖2為雙工位薄壁管材的激光微加工設備的工作平臺示意 圖3為旋轉軸的立體 圖4為旋轉軸主要部件的剖視圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“內”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，一體地連接，也可以是可拆卸連接；可以是兩個元件內部的連通；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。本發明的主要創新之處在于，本發明創新地提出了一種雙工位薄壁管材的激光微加工設備，一臺設備上設有兩個工位，設備結構緊湊，有效降低了生產成本。請參閱圖1，本發明雙工位薄壁管材的激光微加工設備包括兩個加工工位，每個加工工位獨立加工不同的工件；每個加工工位設有旋轉軸、直線軸、激光切割頭、輔助高壓氣體供氣單元、Z軸模塊、激光發生器、準直擴束鏡、照明光源、45°反射鏡、CCD ;所述激光切割頭包括激光噴嘴、保護鏡、聚焦鏡。請參閱圖2，本發明激光微加工設備還包括水平工作臺1、垂直設置于水平工作臺I上的立柱2 ;水平工作臺I的下方設置若干方鋼管3，方鋼管3下方設有調整墊腳4，可以調整高度。本實施例中，兩個加工工位的二維運動平臺分別安裝在水平工作面上，兩個Z軸模塊分別安裝在立柱2上。具體地，將兩個加工工位的二維運動平臺分別安裝在天然花崗巖材質制作的基準上；該二維運動平臺集管材裝夾與材料處理于一體，采用高分辨率光柵尺和高精度編碼器位置反饋實現全閉環控制；所述兩個Z軸模塊分別安裝在天然花崗巖的基準上。本實施例中，兩個工位的激光切割頭安裝在各自的Z軸模塊上，兩個Z軸模塊分別安裝在基準上，可手動或者自動實現在Z軸模塊的上下直線運動，從而能夠根據不同管徑調整激光噴嘴下沿距離薄壁管材最表面的距離，控制待加工薄壁管材聚焦光斑的能量分布，同時在加工過程中能夠隨時根據激光光斑的變化調整噴嘴與加工薄壁管材表面的距離。所述激光發生器所發出的激光束經過準直擴束鏡形成水平激光束，而后與照明光源發射的光同時入射至45°反射鏡，45°反射鏡對水平激光束全反射，并對照明光45°增透，激光束垂直入射到聚焦鏡上；透過聚焦鏡的激光束經過保護鏡在焦點處聚成一極小的光斑，光斑在加工平臺上的薄壁管材表面使工件瞬間汽化，再配合輔助高壓氣體供氣單元提供的輔助切割氣體將汽化的金屬吹走。所述CXD接收從45°反射鏡反射的光，CXD用以在激光光斑位置調整時觀察光斑聚焦情況，同時在加工過程中隨時查看加工情況，并對加工過程全程錄像。所述微加工設備還包括控制系統；所述控制系統包括用于控制兩個加工工位上的直線軸、旋轉軸和Z軸模塊的運動控制單元，以及用于控制激光發生器的激光控制單元；所述控制系統與直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器、CCD連接。在本發明的一個實施例中，所述控制系統控制集成于一體，或者包括兩個子控制系統，分別控制兩個加工工位上的直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器。此外，所述控制系統安裝于PC機中或安裝于手持移動終端中，PC機或手持移動終端通過控制線纜與直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器、CCD連接。請參閱圖3、圖4，以下介紹本實施例中旋轉軸的結構，當然，旋轉軸還可以為其他形狀。旋轉軸包括伺服電機114、聯軸器116、蝸桿117、蝸輪109、拉桿模塊、外殼108、端內蓋111、端蓋112、夾頭113。所述旋轉軸裝置包括底座115，所述外殼108設置于該底座115上。由此，旋轉軸整體可以非常方便的安裝固定在直線軸平臺上，整體便于安裝(安裝到直線軸平臺上)，利用定位銷，可以實現粗定位。如圖4所示,所述拉桿模塊包括拉桿蓋102、活塞(包括活塞套103、活塞內套104,活塞套103、活塞內套104設有O形密封圈密封)、拉桿座105、滾動軸承107、軸套106、拉桿110，拉桿110為中空無縫結構。本實施例中，旋轉軸是內部中空的結構，能讓拉桿110從中間通過，同時中空的旋轉軸能夠實現管材輸送功能和濕切割作業功能。拉桿110為一個中空的薄壁無縫管，當濕切加工時，采用后置導水方式:整根管材浸入導水管中，一旦導水管泄露，水流也是在拉桿的中空密封腔內，不會影響電機114的正常工作。所述拉桿的一端設有拉桿旋鈕101，可手動旋轉拉桿110。所述外殼108的一端設置拉桿蓋102、拉桿座105，另一端設置端蓋112 ;所述拉桿蓋102、拉桿座105之間設有活塞、軸套106、滾動軸承107。活塞的兩側分別設有第一氣腔118、第二氣腔119，第一氣腔118、第二氣腔119分別設有出入口，通過出入口充放氣；所述夾頭113設置于拉桿110的一端，穿過端蓋112露出一部分；夾頭113通過從旋轉軸靠近拉桿蓋102的一端擰入拉桿模塊的另一端螺紋孔中。所述聯軸器116將電機114的輸出軸和蝸桿117的軸連接，蝸桿117與蝸輪109配合，所述蝸輪109與拉桿110共軸，蝸輪軸即為拉桿軸。電機114的轉動最終帶動拉桿軸旋轉運動。旋轉軸夾緊管材時，對第一氣腔118充氣，高壓氣體會推動拉桿模塊朝第一方向(如圖4中的右邊)運動，從而帶動外殼108、端內蓋111和端蓋112 —起朝第一方向運動，直到端蓋112的內圓錐面與夾頭113的外圓錐面緊貼為止，端蓋112繼續向第一方向運動，導致彈性夾頭113收緊，將管材抱住，保持該狀態，管材將一直被夾頭113抱緊。需要松開管材時，為第二氣腔119充氣、第一氣腔118放氣，高壓氣體帶動拉桿模塊朝第二方向運動從而推動外殼108、端內蓋111和端蓋112朝第二方向(如圖4中的左邊)運動，進而使得彈性夾頭113的外圓錐面與端蓋112的內圓錐面相脫離，保持松開狀態，此時彈性夾頭113依靠自身的彈性回復力保持松開狀態，管材將被松開。此外，為了保證氣密性各個部分之間采用O形密封圈密封。此外，本發明加工設備還可以設置兩個以上的工位，即一臺設備可以供3個或3個以上工人同時操作。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，包括兩個加工工位，每個加工工位獨立加工不同的工件； 每個加工工位設有旋轉軸、直線軸、激光切割頭、輔助高壓氣體供氣單元、Z軸模塊、激光發生器、準直擴束鏡、照明光源、45°反射鏡、CCD ;所述激光切割頭包括激光噴嘴、保護鏡、聚焦鏡； 所述旋轉軸包括電機、聯軸器、蝸桿、蝸輪、拉桿模塊、外殼、端蓋、夾頭；所述拉桿模塊包括拉桿蓋、活塞、拉桿座、滾動軸承、軸套、拉桿，拉桿為中空結構；所述外殼的一端設置拉桿蓋、拉桿座，另一端設置端蓋；所述拉桿蓋、拉桿座之間設有活塞、軸套、滾動軸承；活塞的兩側分別設有第一氣腔、第二氣腔，第一氣腔、第二氣腔分別設有出入口，通過出入口充放氣，所述出入口連接輔助高壓氣體供氣單元；所述夾頭設置于拉桿的一端，穿過端蓋露出一部分；夾頭通過從旋轉軸靠近拉桿蓋的一端擰入拉桿模塊的另一端螺紋孔中；所述聯軸器將電機的輸出軸和蝸桿軸連接，蝸桿與蝸輪配合，所述蝸輪與拉桿共軸，蝸輪軸即為拉桿軸；電機的轉動最終帶動拉桿軸旋轉運動； 所述旋轉軸用于夾持薄壁管材，并帶動薄壁管材高精度旋轉，旋轉軸的底座安裝在直線軸的動板上，可沿直線軸進給；直線軸和旋轉軸組成了激光加工設備的精密二維運動平臺； 兩個激光切割頭安裝在各自的Z軸模塊上，兩個Z軸模塊分別安裝在基準上，可手動或者自動實現在Z軸模塊的上下直線運動，從而能夠根據不同管徑調整激光噴嘴下沿距離薄壁管材最表面的距離，控制待加工薄壁管材聚焦光斑的能量分布，同時在加工過程中能夠隨時根據激光光斑的變化調整噴嘴與加工薄壁管材表面的距離； 所述激光發生器所發出的激光束經過準直擴束鏡形成水平激光束，而后與照明光源發射的光同時入射至45°反射鏡，45°反射鏡對水平激光束全反射，并對照明光45°增透，激光束垂直入射到聚焦鏡上；透過聚焦鏡的激光束經過保護鏡在焦點處聚成一極小的光斑，光斑在加工平臺上的薄壁管材表面使工件瞬間汽化，再配合輔助高壓氣體供氣單元提供的輔助切割氣體將汽化的金 屬吹走； 所述CCD接收從45°反射鏡反射的光，CCD用以在激光光斑位置調整時觀察光斑聚焦情況，同時在加工過程中隨時查看加工情況，并對加工過程全程錄像； 所述微加工設備還包括控制系統；所述控制系統包括用于控制兩個加工工位上的直線軸、旋轉軸和Z軸模塊的運動控制單元，以及用于控制激光發生器的激光控制單元；所述控制系統與直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器、CCD連接。
2.如權利要求1所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，將兩個加工工位的二維運動平臺分別安裝在天然花崗巖材質制作的基準上；該二維運動平臺集管材裝夾與材料處理于一體，采用高分辨率光柵尺和高精度編碼器位置反饋實現全閉環控制；所述兩個Z軸模塊分別安裝在天然花崗巖的基準上。
3.如權利要求2所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述微加工設備包括水平工作面、與水平工作面垂直設置的立柱；兩個加工工位的二維運動平臺分別安裝在水平工作面上，兩個Z軸模塊分別安裝在立柱上。
4.如權利要求1所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，所述控制系統控制集成于一體，或者包括兩個子控制系統，分別控制兩個加工工位上的直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器。
5.如權利要求1至4之一所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述控制系統安裝于PC機中或安裝于手持移動終端中，PC機或手持移動終端通過控制線纜與直線軸、旋轉軸、Z軸模塊、激光發生器、CXD連接。
6.如權利要求1至4之一所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述活塞包括活塞套、活塞內套，其中活塞套、活塞內套設有O形密封圈密封。
7.如權利要求1至4之一所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述端蓋與外蓋之間設有端內蓋；所述旋轉軸裝置包括底座，所述外殼設置于該底座上。
8.如權利要求1至4之一所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述拉桿為中空無縫管。
9.如權利要求1至4之一所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述拉桿的一端設有拉桿旋鈕，可手動旋轉拉桿。
10.如權利要求1至4之一所述的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，其特征在于，所述旋轉軸在夾緊管材時，對第一氣腔充氣，高壓氣體會推動拉桿模塊朝第一方向運動，從而帶動外殼、端內蓋和端蓋一起朝第一方向運動，直到端蓋的內圓錐面與夾頭的外圓錐面緊貼為止，端蓋繼續向第一方向運動，導致彈性夾頭收緊，將管材抱住，保持該狀態，管材將一直被夾頭抱緊； 需要松開管材時，為第二氣腔充氣、第一氣腔放氣，高壓氣體帶動拉桿模塊朝第二方向運動從而推動 外殼、端內蓋和端蓋朝第二方向運動，進而使得彈性夾頭的外圓錐面與端蓋的內圓錐面相脫離，保持松開狀態，此時彈性夾頭依靠自身的彈性回復力保持松開狀態，管材將被松開。
全文摘要
本發明提出一種雙工位薄壁管材的激光微加工設備，包括兩個加工工位，每個加工工位獨立加工不同的工件；每個加工工位設有旋轉軸、直線軸、激光切割頭、輔助高壓氣體供氣單元、Z軸模塊、激光發生器、準直擴束鏡、照明光源、45°反射鏡、CCD；所述激光切割頭包括激光噴嘴、保護鏡、聚焦鏡。所述旋轉軸包括電機、聯軸器、蝸桿、蝸輪、拉桿模塊、外殼、端蓋、夾頭；所述拉桿模塊包括拉桿蓋、活塞、拉桿座、滾動軸承、軸套、拉桿，拉桿為中空結構。本發明提出的雙工位薄壁管材的激光微加工設備，一臺設備具有兩個工位，能容許兩個工人同時在一臺設備上操作，設備結構緊湊，極大的降低了生產成本。
文檔編號B23K26/38GK103212861SQ20121001676
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者魏志凌, 寧軍, 夏發平, 馬秀云 申請人:昆山思拓機器有限公司