一种五轴激光铣削加工机床

技术领域

本发明涉及激光加工机床技术领域，特别是涉及一种五轴激光铣削加工机床。

背景技术

陶瓷、玻璃、石墨、钛合金、镍基合金等典型难加工材料，在航空航天、医疗等众多先进制造业关键领域应用愈加广泛，同时对被加工材料的加工质量和加工效率提出了越来越高的要求。为满足上述难加工材料的高效高质量加工需求，高端切削刀具材料也向超硬、耐磨等方向发展，刀具型面趋于复杂。然而，由于刀具材料本身的难加工特性，采用传统的电镀、金刚石砂轮磨削等工艺技术制造进行高端刀具制造时，存在制造成本高、加工效率低、加工工艺复杂等问题。

激光加工因其具有无接触、无材料选择性等特点，已成为难加工材料加工方式的重要手段。而目前国际上激光机床大多适用于激光切割、打孔和表面纹理加工。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够有效提高加工效率和加工质量，有助于解决高端刀具的加工制造难题的五轴激光铣削加工机床。

一种五轴激光铣削加工机床，所述五轴激光铣削加工机床用于铣削加工刀具，其包括：

机架，包括底座、X轴安装架及两个Y轴安装架，所述两个Y轴安装架间隔相对安装于所述底座上，所述底座上还用于固定安装AC轴转台；

机械运动组件，包括X轴运动组件、Y轴运动组件及Z轴运动组件，所述X轴运动组件安装于所述X轴安装架上，所述Y轴运动组件安装于所述Y轴安装架上，所述X轴安装架的两端分别通过所述Y轴运动组件可移动地安装于所述两个Y轴安装架上，所述Z轴运动组件安装于所述X轴运动组件上；及

激光加工组件，包括激光器、光路系统及三维扫描振镜模块，所述激光器与所述光路系统设置于所述X轴运动组件上，所述三维扫描振镜模块设置于所述Z轴运动组件上，所述激光器产生的激光束经所述光路系统及所述三维扫描振镜模块后聚焦于目标加工区域上并进行刀具铣削加工。

在其中一个实施例中，所述三维扫描振镜模块在Z轴方向上的聚焦范围为-20mm～20mm，在X轴和Y轴方向的扫描范围为150×150mm～300×300mm，扫描速度为0～8000mm/s，扫描重复精度为1rad～4rad。

在其中一个实施例中，所述X轴运动组件在X轴方向的最大直线移动范围为330mm，所述Y轴运动组件在Y轴方向的最大直线移动范围为400mm，所述Z轴运动组件在Z轴方向的最大直线移动范围为370mm。

在其中一个实施例中，所述X轴运动组件、所述Y轴运动组件和所述Z轴运动组件均采用光栅尺闭环控制，定位精度≤5μm。

在其中一个实施例中，所述两个Y轴安装架上的所述Y轴运动组件均采用伺服电机及光栅尺闭环控制。

在其中一个实施例中，还包括CCD相机和测量探针，所述CCD相机用于对所述测量探针和所述三维扫描振镜模块进行相对位置测量与纠正，所述测量探针用于对刀具位置和加工精度进行在线监测。

在其中一个实施例中，还包括承载架，所述承载架包括Y轴承载板、Z轴安装板及加强侧板，所述Z轴安装板设置于所述Z轴运动组件上，所述Y轴承载板固定于所述Z轴安装板上，所述加强侧板分别与所述Y轴承载板和所述Z轴安装板固定连接，所述CCD相机、所述测量探针及所述三维扫描振镜模块均设置于所述Y轴承载板上。

在其中一个实施例中，所述激光器为纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器。

在其中一个实施例中，所述AC轴转台通过直驱马达驱动A轴和C轴转动，A轴的转动范围为-30°～120°，C轴的转动范围为0°～360°，旋转定位精度≤0.003°。

在其中一个实施例中，所述五轴激光铣削加工机床配备有静音吸尘器及防尘装置用于实现废屑、废气的去除。

上述五轴激光铣削加工机床至少具有以下优点：

根据待加工刀具的加工轨迹，通过X轴运动组件、Y轴运动组件和Z轴运动组件搭载激光加工组件分别进行X、Y和Z轴方向的直线运动，X轴运动组件和Z轴运动组件通过Y轴运动组件安装于Y轴安装架上，形成龙门架结构机身，使激光加工组件在加工运动过程中更平稳以提高加工精度，AC轴转台通过刀柄装夹刀具，实现被加工刀具在A轴和C轴方向的旋转运动，激光器产生的激光束经由光路系统和三维扫描振镜模块后聚焦于目标加工区域上进行刀具铣削加工，因此通过设计，可以实现采用X、Y、Z轴运动组件、AC轴转台和三维扫描振镜分别对激光加工组件、被加工刀具和激光光束进行联动运动控制，实现复杂型面难加工刀具的一次激光加工成型，相比于传统的加工制造方法，能有效提高加工效率和加工质量，将有助于解决高端刀具的加工制造难题。

附图说明

图1为一实施方式中的五轴激光铣削加工机床的结构示意图；

图2为图1中I处的局部放大图；

图3为图1所示五轴激光铣削加工机床的另一视角的结构示意图。

其中，10、五轴激光铣削加工机床；110、底座；120、X轴安装架；130、Y轴安装架；20、AC轴转台；140、X轴连接架；210、X轴运动组件；220、Y轴运动组件；230、Z轴运动组件；211、X轴驱动电机丝杆模组；212、X轴滑轨；213、X轴滑块；221、Y轴驱动电机丝杆模组；222、Y轴滑轨；223、Y轴滑块；231、Z轴驱动电机丝杆模组；232、Z轴滑轨；233、Z轴滑块；310、激光器；320、光路系统；330、三维扫描振镜模块；400、CCD相机；500、测量探针；600、承载架；610、Y轴承载板；620、Z轴安装板；630、加强侧板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

请参阅图1至图3，一实施方式中的五轴激光铣削加工机床10用于铣削加工刀具，包括机架、机械运动组件及激光加工组件。本实施方式中，五轴激光铣削加工机床10通过激光加工的方式对刀具进行加工，刀具的材质可以是CBN、PCD、硬质合金等超硬材料，特有的激光加工技术能加工复杂的轮廓并实现极佳的表面质量。

具体地，机架包括底座110、X轴安装架120及两个Y轴安装架130，两个Y轴安装架130间隔相对安装于底座110上，底座110上还用于固定安装AC轴转台20。在本实施方式中，两个Y轴安装架130相互平行间隔设置于底座110上，为了保证更好的平稳性，还可以在两个Y轴安装架130的一端一体成型设置X轴连接架140，形成龙门架结构。AC轴转台20可以为加工机床自带的，还可以通过外购的方式安装于加工机床上，AC轴转台20可以实现A轴（如图1中所示）和C轴（如图1中所示）方向的转动。

机械运动组件包括X轴运动组件210、Y轴运动组件220及Z轴运动组件230，X轴运动组件210安装于X轴安装架120上，Y轴运动组件220安装于Y轴安装架130上，X轴安装架120的两端分别通过Y轴运动组件220可移动地安装于两个Y轴安装架130上，Z轴运动组件230安装于X轴运动组件210上。

具体地，X轴运动组件210包括X轴驱动电机丝杆模组211、X轴滑轨212及X轴滑块213，X轴滑轨212固定安装于X轴安装架120上，X轴驱动电机丝杆模组211用于驱动X轴滑块213沿X轴滑轨212移动。Y轴运动组件220包括Y轴驱动电机丝杆模组221、Y轴滑轨222及Y轴滑块223，Y轴滑轨222固定安装于Y轴安装架130上，Y轴驱动电机丝杆模组221用于驱动Y轴滑块223沿Y轴滑轨222移动，X轴安装架120的两端安装于Y轴滑块223上，随Y轴滑块223的移动而移动。Y轴驱动电机丝杆模组221中的驱动电机为伺服电机。Z轴运动组件230包括Z轴驱动电机丝杆模组231、Z轴滑轨232及Z轴滑块233，Z轴滑轨232设置于X轴滑块213上，随X轴滑块213的移动而移动，Z轴驱动电机丝杆模组231用于驱动Z轴滑块233沿Z轴滑轨232移动。

激光加工组件包括激光器310、光路系统320及三维扫描振镜模块330，激光器310与光路系统320设置于X轴运动组件210上。具体地，激光器310与光路系统320设置于X轴滑块213上，随X轴滑块213的移动而沿X轴方向移动。激光器310可以为皮秒激光器，例如为可调脉宽皮秒光纤激光器。皮秒激光器为激光加工提供能量来源，皮秒激光器属于超快激光，对材料损伤小。皮秒激光器的波长范围为1064±2nm，输出功率为0～50W，脉冲能量≤200uJ,峰值功率小于等于20MW。当然，在其他的实施方式中，激光器310还可以为纳秒激光器或飞秒激光器等。

三维扫描振镜模块330设置于Z轴运动组件230上。具体地，三维扫描振镜模块330设置于Z轴滑块233上，随Z轴滑块233的移动而沿Z轴方向移动。三维扫描振镜模块330在Z轴方向上的聚焦范围为-20mm～20mm，例如，聚焦范围为±13.5mm。在X轴和Y轴方向的扫描范围为150×150mm～300×300mm，例如，扫描范围为200×200mm。扫描速度为0～8000mm/s，例如扫描速度为750mm/s。扫描重复精度为1rad～4rad，例如扫描重复精度为2rad。最大增益漂移为15ppm/K，最大位置漂移为10μrad/K。激光器310产生的激光束经光路系统320和三维扫描振镜模块330后聚焦于目标加工区域上并进行刀具铣削加工。三维扫描振镜模块330采用上述参数后在进行刀具加工的过程中，可以保证加工需求。

进一步地，X轴运动组件210在X轴方向的最大直线移动范围为330mm，Y轴运动组件220在Y轴方向的最大直线移动范围为400mm，Z轴运动组件230在Z轴方向的最大直线移动范围为370mm。

进一步地，X轴运动组件210、所述Y轴运动组件220和所述Z轴运动组件230均采用光栅尺闭环控制，定位精度≤5μm。具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

进一步地，两个Y轴安装架130上的Y轴运动组件220均采用伺服电机和光栅尺闭环控制，因此形成了双侧伺服电机和双侧光栅尺的结构，结合龙门架结构，使X轴安装架120大跨度在Y轴运动组件220上运动时保持力矩平衡，有利于提高加工精度。

进一步地，五轴激光铣削加工机床10还包括CCD相机400和测量探针500，所述CCD相机400用于对所述测量探针500和所述三维扫描振镜模块330进行相对位置测量与纠正，所述测量探针500用于对刀具位置和加工精度进行在线监测。通过设置CCD相机400和测量探针500，可以有效保证加工质量和加工精度。

进一步地，五轴激光铣削加工机床10还包括承载架600，承载架600包括Y轴承载板610、Z轴安装板620及加强侧板630，Z轴安装板620设置于Z轴运动组件230上，Y轴承载板610固定于Z轴安装板620上，加强侧板630分别与Y轴承载板610和Z轴安装板620固定连接，CCD相机400、测量探针500及三维扫描振镜模块330均设置于Y轴承载板610上。加强侧板630用于加强Y轴承载板610的强度，防止在加工过程中产生不必要的振动而影响加工效果。将CCD相机400、所述测量探针500及所述三维扫描振镜模块330都集成在Y轴承载板610上，结构更紧凑，省去了一些非必要部件，简化了结构。

进一步地，AC轴转台20通过直驱马达驱动A轴和C轴转动，A轴的转动范围为-30°～120°，C轴的转动范围为0°～360°，旋转定位精度≤0.003°。A轴转速范围为0～50rpm，C轴转速为0～50rpm。将AC轴转台20的参数设置成上述参数，可以实现被加工刀具的转动，配合激光铣削加工，能够提高加工效率和加工质量。

进一步地，五轴激光铣削加工机床10配备有静音吸尘器及防尘装置用于实现废屑、废气的去除。

上述五轴激光铣削加工机床10的具体工作过程如下：

根据待加工刀具的加工轨迹，通过X轴运动组件210、Y轴运动组件220和Z轴运动组件230搭载激光加工组件分别进行X、Y和Z轴方向的直线运动，X轴运动组件210和Z轴运动组件230通过Y轴运动组件220安装于Y轴安装架130上，形成龙门架结构机身，使激光加工组件在加工运动过程中更平稳以提高加工精度，AC轴转台20通过刀柄装夹刀具，实现被加工刀具在A轴和C轴方向的旋转运动，激光器310产生的激光束经由光路系统320和三维扫描振镜模块330后聚焦于目标加工区域上进行刀具铣削加工，因此通过设计，可以实现采用X、Y、Z轴运动组件230、AC轴转台20和三维扫描振镜分别对激光加工组件、被加工刀具和激光光束进行联动运动控制，实现复杂型面难加工刀具的一次激光加工成型，相比于传统的加工制造方法，能有效提高加工效率和加工质量，将有助于解决高端刀具的加工制造难题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。