一种大型三维零件表面并行激光刻蚀加工方法和装置与流程

本发明属于先进制造领域中工业机器人和激光加工领域，特别涉及一种采用多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人进行大型三维零件表面并行激光刻蚀加工的方法和装置。

背景技术：

激光先进制造技术具有非接触、高能束、反射镜偏转扫描加工等特点，将激光技术与传统的机械加工领域已经广泛采用的多轴数控机床或工业机器人相结合就可以实现大尺度复杂工件表面的三维激光加工系统。

申请号为201710029392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”，通过将光纤激光头安装到工业机器人的末端，采用工业机器人自带的控制系统控制机器人三维运动，运载光纤激光束实现对大尺寸三维工件表面fss单元结构的激光刻蚀加工。申请号201310447904.4的发明专利“多机器人光纤激光切割系统”设计了一种带全局三目视觉定位装置的多机器人三维光纤激光切割系统，他们将多个六自由度工业机器人倒立安装到龙门框架上，每个机器人末端手部上安装一个激光切割头。前述的这类基于工业机器人的三维激光加工系统，硬件结构较为简单，控制系统采用工业机器人自带的系统，软硬件集成易于实现。不足之处在于，由于未采用高速扫描振镜装置，加工速度只是由机器人机械运动速度决定，没有发挥出激光振镜高速偏转扫描加工的高效率优势。

专利号为200810197661.2的发明专利“一种振镜式激光三维扫描系统”，将激光振镜固定在z轴移动机构上来实现激光焦点在z轴位置的灵活调节，来实现振镜扫描激光三维立体加工。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。公开号为cn102151984a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(包括两轴激光振镜和z轴)，将该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，可以方便的装载到五轴机床上完成对复杂自由曲面的3d激光表面纹理刻蚀加工。

目前，基于振镜扫描的三维复杂曲面激光刻蚀加工方案，局限于采用单个激光振镜扫描加工头与多轴数控机床或工业机器人组合进行复杂曲面扫描刻蚀加工，其原因在于系统硬件结构复杂、涉及光机电软件等多交叉学科技术、空间运动组合了多轴机械运动和光学扫描运动、cam软件设计开发难度大等，目前的系统在加工大型三维零件时依然存在加工时间长效率较低的问题。

因此，针对大型三维零件表面激光刻蚀加工的需要和现有方案局限，需要开发一种采用多激光振镜扫描刻蚀加工机器人来实现并行激光扫描刻蚀加工的方法和系统。

技术实现要素：

针对应用的需要和现有技术的局限，本发明提供了一种大型三维零件表面并行激光刻蚀加工方法和装置，通过采用多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人协作实现大型三维零件表面并行激光振镜刻蚀加工，其能同时兼顾加工精度和加工效率，可确实在工程实践中应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维零件表面并行激光刻蚀加工方法，其包括如下步骤：

s1：将多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人布置在待加工的大型三维零件周围，多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人的布置方式满足如下条件：激光振镜扫描刻蚀加工机器人的加工区域组合能实现对大型三维零件待加工表面的全覆盖；

s2：根据各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工区域将三维零件待加工表面cad模型划分成多个待加工片区，每个待加工片区位于一个激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工范围内；

s3：通过激光振镜扫描刻蚀加工机器人测量工具测量工件上的定位点，在激光振镜扫描刻蚀加工机器人坐标系中找正工件，实现加工曲面的分片定位；

s4：根据各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人分配的待加工三维零件表面片区的cad数模及在激光振镜扫描刻蚀加工机器人坐标系中的定位点，在cam系统中分析处理各激光振镜扫描刻蚀加工机器人待加工表面片区曲面数据，将待加工表面片区再次划分成多个更小区域，以保证工业机器人定位到每个所述更小区域上方时，激光振镜能对所述更小区域进行完全刻蚀加工；

s5：根据步骤s4生成的各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工片区上未加工的更小区域，计算生成激光振镜扫描刻蚀加工机器人运动路径和激光振镜扫描路径，同步进行激光振镜扫描刻蚀加工机器人之间以及激光振镜扫描刻蚀加工机器人与待加工零件之间碰撞干涉的检查和路径优化；

s6：根据获得的激光振镜扫描刻蚀加工机器人运动路径，cam系统发送指令给各个机器人控制系统，控制机器人运载激光振镜扫描头到预定待加工零件表面的待加工更小区域上方；

s7：根据获得的各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人振镜扫描加工路径，cam系统发送指令给各个激光振镜扫描头，完成对各自加工片区上设定的更小区域的并行激光刻蚀加工；

s8：依次重复步骤s4和s7，直到加工完成各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人的加工片区。

按照本发明的第二个方面，提供了一种三维零件表面并行激光刻蚀加工装置，其包括多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人和一套并行激光刻蚀加工cam系统。

进一步的，每一个激光振镜扫描刻蚀加工机器人由一个激光振镜扫描头安装到一个工业机器人的最后关节臂的末端组成，多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人沿待加工的三维零件周边布置，以使多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人联合完成对三维零件表面全覆盖加工。

进一步的，工业机器人采用旋转多关节工业机器人，关节数量通常为5个或6个，空间定位精度达到数十um级。

进一步的，本发明的装置和系统中，激光振镜扫描刻蚀加工机器人个数可以根据加工零件的大小进行调整，可以为2个，3个，4个，5个或者更多，多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人相互组合，使得加工区域全覆盖三维零件表面。

进一步的，激光振镜扫描头采用xy振镜、xy振镜配合z轴动态聚焦、xy振镜配合配合z轴电机振镜扫描中的一种或者多种，激光扫描定位精度达到um级。

进一步的，大功率的光纤激光可以采用光纤导入到激光振镜刻蚀头，小型激光器可以与振镜扫描头集成在一起，减少激光振镜刻蚀头与外部的光学传输连接件，可最大限度发挥出多轴工业机器人的三维加工柔性。

进一步的，激光振镜扫描刻蚀加工机器人的空间定位精度为数十微米级。

进一步的，并行激光刻蚀加工cam系统用于控制激光振镜扫描刻蚀加工机器人。该cam系统与工业机器人自带的控制系统之间通过数据通讯线路连接，以能通过cam系统控制工业机器人，激光振镜扫描头上包括激光器和振镜，激光器和振镜分别与cam系统具有电气连接，以能通过cam系统控制激光振镜扫描头，cam系统用于实现多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人协同工作，以实现多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人联合完成对三维零件表面全覆盖加工。

进一步的，cam系统还用于完成待加工曲面三维数据模型的分析处理，生成机器人运动路径和振镜扫描刻蚀加工路径，并完成对机器人运动控制和振镜扫描头的激光扫描刻蚀加工控制。

进一步的，所有激光扫描刻蚀加工机器人配置同一个cam系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种采用多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人实现大型三维零件表面并行激光振镜刻蚀加工方法和装置，通过将多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人沿待加工的三维零件周边布置，每一个激光振镜扫描刻蚀加工机器人负责加工该方位的三维零件表面，位于不同方位的多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人协同工作，实现大型三维零件表面分片定位、分区并行激光振镜刻蚀加工，在保证加工精度的情况下，能成倍提高激光刻蚀加工效率。

2、本发明提供的一种大型三维零件表面并行激光振镜刻蚀加工装置包括统一的cam控制系统，其功能包括：大型三维零件表面cad数据模型的分析处理，生成每组工业机器人运动路径和激光振镜刻蚀扫描路径，干涉检查和路径优化；通过cam系统集成控制多组工业机器人并行三维空间运动，控制激光振镜刻蚀头协同完成复杂曲面的激光振镜高速扫描并行刻蚀加工。cam系统既可以实现模型的数据分析处理又可以完成多套工业机器人和激光振镜扫描头异构运动控制，具有更高系统集成度、友好操作界面和完善的功能。

附图说明

图1大型三维零件表面并行激光刻蚀加工装置结构示意图；

图2单个激光振镜扫描刻蚀加工机器人结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

本发明提供一种大型三维零件表面并行激光振镜扫描刻蚀加工的方法和装置，其中心思想是将多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人布置在待加工的大型三维零件周围，其联合加工区域实现对三维零件表面全覆盖。通过激光并行刻蚀加工cam系统生成每个激光振镜扫描刻蚀加工机器人的运动路径和激光扫描刻蚀路径，并进行干涉检查和路径优化，然后控制激光振镜扫描刻蚀加工机器人对三维零件表面进行并行激光扫描刻蚀加工。

下面结合附图做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中大型三维零件表面并行激光刻蚀加工装置的结构示意图，如图1所示，并行激光振镜扫描刻蚀加工装置包括两个激光振镜扫描刻蚀加工机器人。每个激光振镜扫描刻蚀加工机器人是由工业机器人(图1中1和2分别为第一、第二工业机器人)和安装在各个工业机器人最后一个关节末端的激光振镜扫描头(图1中3和4分别为第一、第二激光振镜扫描头)构成。图1中5，6为工业机器人自带的第一、第二控制系统，图1中7为并行激光加工cam系统，其与工业机器人第一、第二控制系统5和6以及第一、第二激光振镜扫描头3和4都有通讯控制连接。每个激光振镜扫描刻蚀加工机器人布置在待加工的大型三维零件(图1中8所示)的一个方位，负责加工该方位的三维零件表面。

cam系统发送指令给工业机器人控制系统，控制工业机器人运载激光振镜扫描头运动到三维零件表面上方，cam系统再发送指令给振镜扫描头进行激光扫描刻蚀加工。多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人并行工作能成倍提高大型三维零件表面的激光刻蚀加工效率。

图2为本发明实施例中单个激光振镜扫描刻蚀加工机器人的示意图，由图可知，图2中1为工业机器人，该工业机器人由五个旋转关节臂组成，五个旋转关节臂分别为第一、第二、第三、第四以及第五旋转关节臂j1、j2、j3、j4、j5，有的工业机器人还包括第六个关节，图2中未画出。图2中3为激光振镜扫描头，激光振镜扫描头3包括扫描振镜9和光纤激光器10，通过连接杆12装配到工业机器人第五旋转关节臂j5的末端。图2中11为激光振镜扫描头电气控制信号线，通过关节臂内的电气线路与并行激光加工cam系统7连接。

cam系统7与工业机器人自带控制系统5具有通讯控制连接。图2中13为所示激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工的三维零件表面片区，是cam系统根据该机器人加工可达范围划分的。图2中14是根据激光扫描振镜在一个空间位置只能加工幅面较小(通常为数十平方厘米)区域的特点，将片区再次划分成的小区域，工业机器人定位到该小区域上方时，振镜能对该小区域进行完全刻蚀加工。

多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人进行大型三维零件表面并行激光刻蚀加工的详细步骤如下：

s1：将多个激光振镜扫描刻蚀加工机器人布置在待加工的大型三维零件周围(如图1所示)，激光振镜扫描刻蚀加工机器人的加工区域组合必须实现对大型三维零件待加工表面的全覆盖。

s2：根据各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工区域将三维零件待加工表面cad模型划分成多个待加工片区，每个待加工片区位于一个激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工范围内，如图2中13所示。

s3：通过激光振镜扫描刻蚀加工机器人测量工具(接触式探头或者非接触机器视觉等)测量工件上的离散定位点，在各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人坐标系中找正工件。

s4：在cam系统(图2中7所示)中分析处理各激光振镜扫描刻蚀加工机器人坐标系下待加工表面片区曲面数据，根据激光扫描振镜在一个空间位置只能加工幅面较小(通常为数十平方厘米)区域的特点，将片区再次划分成多个小区域(图2中14所示)，保证工业机器人定位到每个小区域上方时，振镜能对该小区域进行完全刻蚀加工。

s5：选择s4生成的各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人加工片区上未加工的小区域，计算生成激光振镜扫描刻蚀加工机器人运动路径和激光振镜扫描路径，同步进行激光振镜扫描刻蚀加工机器人之间以及激光振镜扫描刻蚀加工机器人与工件之间碰撞干涉的检查和路径优化。

s6：根据获得的激光振镜扫描刻蚀加工机器人运动路径，cam系统7发送指令给机器人自带的控制系统(图2中5所示)，控制机器人(图2中2所示)运载振镜刻蚀头(图2中3所示)到预定工件表面待加工小区域(图2中14所示)上方。

s7：根据获得的各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人振镜扫描加工路径，cam系统(图2中7所示)发送指令给激光振镜扫描头(图2中3所示)，完成对其加工片区上设定的小区域(图2中14所示)的加工。

s8：依次重复步骤s5和s7，直到加工完成各个激光振镜扫描刻蚀加工机器人的加工片区。

本发明不仅仅局限于上述具体实施方式，例如可以为每个激光扫描刻蚀加工机器人配置一个cam系统，又例如生成机器人运动路径和振镜扫描加工路径可以在加工前离线完成。这些可能的不同实施方式仅仅改变了本发明方法中一些步骤的表现形式，但不脱离本发明提出的并行激光刻蚀加工方法的实质核心范畴。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。