多机器人光纤激光切割系统

摘要

本发明公开了一种多机器人光纤激光切割系统，包括高功率光纤激光器、机器人控制柜、计算机控制中枢、龙门框架、全局三目视觉定位装置、六自由度工业机器人本体、激光切割头、CCD图像传感器、工件装夹装置、水冷系统和气缸；在龙门框架的三个侧面门板上分别安装一个摄像机，在各个六自由度工业机器人本体的腕部安装实时监控手部激光切割头的切割动作的CCD图像传感器。多机器人光纤激光切割系统自带一套由全局三目视觉定位装置和多个CCD图像传感器组成的两级视觉定位系统，结合计算机给每个机器人分配的切割任务，实现其精确定位和干涉避让。

权利要求

1.多机器人光纤激光切割系统，其特征在于：包括高功率光纤激光器（1）、 机器人控制柜（2）、计算机控制中枢（3）、龙门框架（4）、全局三目视觉定位装置（5）、六自由度工业机器人本体（6）、激光切割头（7）、CCD图像传感器（8）、工件装夹装置（9）、水冷系统（10）和气缸（11）；

所述激光切割头（7）包括激光束准直单元、激光束聚焦单元、水接入口、气接入口和辅助气体喷嘴；

所述高功率光纤激光器（1）内的发光二极管与双包层光纤的一端连接，双包层光纤的另一端接入激光切割头（7）的顶部；所述高功率光纤激光器（1）内的发光二极管发出的泵浦光经双包层光纤输出并经过激光切割头（7）顶部的激光束准直单元和聚焦单元后形成切割用的激光光束；

所述六自由度工业机器人本体（6）为多个并倒挂在龙门框架（4）的顶部，工件装夹装置（9）位于六自由度工业机器人本体（6）的下方，激光切割头（7）被夹持在六自由度工业机器人本体（6）末端的手部上，所述六自由度工业机器人本体（6）的手部由机器人控制柜（2）控制；所述机器人控制柜（2）与示教盒和∕或计算机通讯；计算机则根据加工工件的CAD模型通过机器人控制柜（2）控制六自由度工业机器人本体（6），并能够根据检测结果纠正潜在的激光头与工件、机器人与机器人之间的碰撞；

所述全局三目视觉定位装置（5）由三个摄像机组成，在龙门框架（4）的两个侧面门板和顶板上分别安装一个摄像机，摄像机对工件装夹装置（9）上的整个加工区域进行全局扫描并将信息及时反馈给计算机控制中枢（3），由计算机控制中枢（3）发出调整指令，控制六自由度工业机器人的六自由度方向运动；在各个六自由度工业机器人本体（6）的腕部安装实时监控手部激光切割头（7）的切割动作的CCD图像传感器（8）；

所述水冷系统（10）通过水管分别与高功率光纤激光器（1）和激光切割头（7）的水接入口连接，气缸（11）与激光切割头（7）的气接入口连接。

说明书

多机器人光纤激光切割系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光切割系统，尤其涉及一种多机器人光纤激光切割系统。

背景技术

[0002] 激光加工机器人的工作原理为：从高功率激光器发出的激光，经光纤耦合传输到激光光束变换光学系统，光束经过整形聚焦后进入激光加工头。根据用途不同（切割、焊接、熔覆）旋转不同的激光加工头，配用不同的材料进给系统（高压气体、送丝机、送粉器）。激光加工头装于六自由度机器人本体手臂末端。激光加工头的运动轨迹和激光加工参数是由机器人数字控制系统提供指令进行的。激光加工头的运动轨迹和激光加工参数是由机器人数字控制系统提供指令进行的。先由激光加工操作人员在机器人示教盒上进行示教编程或在计算机上进行离线编程。然后由材料进给系统将材料（高压气体、金属丝、金属粉末）与激光同步输入到激光加工头，高功率激光与进给材料同步作用完成加工任务。机器视觉系统对加工区检测，检测信号反馈至机器人控制系统，从而实现加工过程的适时控制。

[0003] 目前，单个机器人光纤激光切割系统的结构如图1所示，主要包括示教盒1、机器人控制柜2、PC机3、纤维激光器4、光纤光电耦合器5、多自由度机器人6、机械臂7、传输光纤8、机器视觉系统9、激光加工工作台10、激光加工头11、激光转变光导系统12、光纤耦合头13、材料进给系统（粉末进给设备）14和材料进给系统（高压气体）15。而目前的多工业机器人同时作业时，存在相互干涉和定位不精确的问题。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种规避协作中的相互干涉和定位不精确问题的多机器人光纤激光切割系统。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

[0006] 多机器人光纤激光切割系统，包括高功率光纤激光器、 机器人控制柜、计算机控制中枢、龙门框架、全局三目视觉定位装置、六自由度工业机器人本体、激光切割头、CCD图像传感器、工件装夹装置、水冷系统和气缸；

[0007] 所述激光切割头包括激光束准直单元、激光束聚焦单元、水接入口、气接入口和辅助气体喷嘴；

[0008] 所述高功率光纤激光器内的发光二极管与双包层光纤的一端连接，双包层光纤的另一端接入激光切割头的顶部；所述高功率光纤激光器内的发光二极管发出的泵浦光经双包层光纤输出并经过激光切割头顶部的激光束准直单元和聚焦单元后形成切割用的激光光束；

[0009] 所述六自由度工业机器人本体为多个并倒挂在龙门框架的顶部，工件装夹装置位于六自由度工业机器人本体的下方，激光切割头被夹持在六自由度工业机器人本体末端的手部上，所述六自由度工业机器人本体的手部由机器人控制柜控制；所述机器人控制柜与示教盒和∕或计算机通讯；

[0010] 所述全局三目视觉定位装置由三个摄像机组成，在龙门框架的两个侧面门板和顶板上分别安装一个摄像机，摄像机对工件装夹装置上的整个加工区域进行全局扫描并将信息及时反馈给计算机控制中枢，由计算机控制中枢发出调整指令，控制六自由度工业机器人的六自由度方向运动；在各个六自由度工业机器人本体的腕部安装实时监控手部激光切割头的切割动作的CCD图像传感器；

[0011] 所述水冷系统通过水管分别与高功率光纤激光器和激光切割头的水接入口连接，气缸与激光切割头的气接入口连接。

[0012] 本发明多机器人光纤激光切割系统的有益效果是：多机器人光纤激光切割系统是基于高功率光纤激光器和光纤耦合传输技术，利用多个工业机器人分别夹持激光切割头，辅以两级视觉定位系统，实现大尺寸工件高速激光切割的成套生产装备，系统自带一套由全局三目视觉定位装置和多个CCD图像传感器组成的两级视觉定位系统，结合计算机给每个机器人分配切割任务，实现其精确定位和干涉避让。

附图说明

[0013] 图1为现有技术中单个机器人光纤激光切割系统的结构示意图；

[0014] 图中：1—示教盒； 2—机器人控制柜； 3—PC机； 4—纤维激光器； 5—光纤光电耦合器； 6—多自由度机器人； 7—机械臂； 8—传输光纤； 9—机器视觉系统； 10—激光加工工作台； 11—激光加工头； 12—激光转变光导系统； 13—光纤耦合头； 14—材料进给系统（粉末进给设备）； 15—材料进给系统（高压气体）。

[0015] 图2为本发明的多机器人光纤激光切割系统的结构示意图；

[0016] 图中：1—高功率光纤激光器； 2—机器人控制柜； 3—计算机控制中枢； 4—龙门框架； 5—全局三目视觉定位装置； 6—六自由度工业机器人本体； 7—激光切割头；8—CCD图像传感器； 9—工件装夹装置； 10—水冷系统； 11—气缸。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

[0018] 如图2所示，多机器人光纤激光切割系统，包括高功率光纤激光器1、 机器人控制柜2、计算机控制中枢3、龙门框架4、全局三目视觉定位装置5、六自由度工业机器人本体6、激光切割头7、CCD图像传感器8、工件装夹装置9、水冷系统10和气缸11。激光切割头7包括激光束准直单元、激光束聚焦单元、水接入口、气接入口和辅助气体喷嘴。

[0019] 高功率光纤激光器1内的发光二极管与双包层光纤的一端连接，双包层光纤的另一端接入激光切割头7的顶部。高功率光纤激光器1内的发光二极管发出泵浦光，耦合入双包层光纤进行放大和传输。其中，双包层光纤由纤芯、内包层、外包层、保护层组成。泵浦光在内包层中传输，在内包层中多次反射并在穿越纤芯时被纤芯中掺杂的稀土元素吸收，实现激光输出。双包层光纤的另一端接入激光切割头顶部，由泵浦光转变而来的激光经过切割头顶部的光束整形系统（激光束准直单元和聚焦单元）后形成切割用的激光，再传输到切割头上，实现对工件的加工。高功率光纤激光器1的输出功率高达1～50Kw，20Kw已实现商品化，且其电光转换效率可达25%以上，而传统的CO2激光器电光转换效率只有10%。

[0020] 六自由度工业机器人本体6为多个并倒挂在龙门框架4的顶部，从而节约地面空间并扩大加工范围。工件装夹装置9位于六自由度工业机器人本体6的下方，激光切割头7被夹持在六自由度工业机器人本体6末端的手部上，六自由度工业机器人手部的运动轨迹即为切割轨迹。六自由度工业机器人本体6的手部由机器人控制柜2控制，机器人控制柜2与示教盒和∕或计算机通讯，接受示教盒或计算机传递来的程序语言。示教盒与计算机分别对应两种编程方式，示教盒由加工人员根据实际加工环境进行示教编程，计算机则根据加工工件的CAD模型并通过规则算法生成加工程序代码，由于计算机编程与激光切割可同时进行，故又称为离线编程。离线编程软件还附带有仿真碰撞检测功能，可提前根据检测结果纠正潜在的激光头与工件、机器人与机器人之间的碰撞。

[0021] 多机器人光纤激光切割系统自带一套两级视觉定位系统，结合计算机给每个机器人分配切割任务，实现其精确定位和干涉避让。两级视觉定位系统由全局三目视觉定位装置和多个CCD图像传感器组成。全局三目视觉定位装置5由三个摄像机组成，在龙门框架4的两个侧面门板和顶板上分别安装一个摄像机，摄像机对工件装夹装置9上的整个加工区域进行全局扫描并将信息及时反馈给计算机控制中枢3，由计算机控制中枢3发出调整指令，控制六自由度工业机器人的六自由度方向运动。在各个六自由度工业机器人本体6的腕部安装实时监控手部激光切割头7的切割动作的CCD图像传感器8，实现高精度定位。机器人驱动系统采用伺服电机或步进电机，借助齿轮、连杆、齿形带等机械结构实现六自由度运动。

[0022] 根据不同的激光加工工艺，需采用不同的激光加工头。本系统采用专用的激光切割头。激光切割头的主要结构包括：激光束准直单元、激光束聚焦单元、水气电接口、辅助气体喷嘴等构成。双包层光纤传输而形成的激光导入激光切割头后，经过激光束准直单元和聚焦单元，形成光斑直径小输出功率高的激光光束进行加工。水冷系统10通过水管分别与高功率光纤激光器1和激光切割头7的水接入口连接，为其提供冷却。气缸11与激光切割头7的气接入口连接，向切割头输送辅助气体，辅助气体通过激光切割头的辅助气体喷嘴喷出，有提高切割速度和吹散切屑的作用。

[0023] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。