CN101722365A

CN101722365A - 特别用于激光加工机的操作头

Info

Publication number: CN101722365A
Application number: CN200910179799A
Authority: CN
Inventors: M·卡迪纳尔; M·卡拉科伊; C·塔兰蒂尼
Original assignee: Prima Industrie SpA
Current assignee: Prima Industrie SpA
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: CN101722365B; EP2177299A1; US20100096372A1; EP2177299B1; US8450642B2

Abstract

一种特别用于激光加工机的操作头，以及包括可动结构和操作头的类型的冗余轴激光加工机的使用方法。所述可动结构由致动器控制并根据第一组变量(X、Y、Z、A)操作，所述操作头根据第二组变量(W、B、C)操作，所述第一组变量(X、Y、Z、A)和所述第二组变量(W、B、C)限定一个或多个冗余变量。这种方法设想了过滤装置，其允许工作轨迹分别被分解成用于第一低动态系统和第二高动态系统的确定轨迹，所述第一低动态系统由所述的第一组变量(X、Y、Z、A)组成，所述第二高动态系统由所述的第二组所述变量(W、B、C)组成。

Description

特别用于激光加工机的操作头

技术领域

本发明涉及一种特别用于激光加工机的操作头。

背景技术

用于激光加工机的操作头可以从同一申请人的专利文献EP927596文件中得知，该操作头包括具有第一镜的支撑基座，该第一镜适于沿第一轴接收激光束，并沿第二轴偏转激光束。旋转体绕第二轴可旋转地安装在基座上，并且支撑终端体，该终端体在第二轴方向上可相对于旋转体运动。由基座承载的第一马达通过包括一对圆锥齿轮的传动机构控制旋转体的旋转。第二马达由终端体承载，并且通过齿轮驱动终端体运动，所述齿轮通过带连接到马达，并且与固定支架配合。

上文所述类型的头允许激光束沿短的二维路径高速运动，而不需要移动机器的主轴。

从同一申请人的专利文献EP1134052文件中可知一种用于激光加工机的操作头，该操作头具有主权项的前序部分中公开的特征，并且改进了专利文献EP927596文件中描述的操作头，减少了部件的数量并实现了具有较低惯量的运动部件的较简单的头。

发明内容

在该上下文中，本发明的目的是提供上述操作头的进一步改进，特别是增加上述操作头的运动精度和通用性。

根据本发明，该目的通过具有构成主权项范围的特征的操作头来实现。根据从属权利要求的特征可以获取更多的优点。

此外，本发明的目的还在于改进设置有根据权利要求1-8所述的操作头的机器的性能，设想了具有权利要求9的特征的用于该机器的控制方法。这种方法的优选实施方式体现在从属权利要求10和11中。

附图说明

现在参照附图通过非限制性实施例来详细描述本发明，其中：

图1是根据本发明的操作头的正视图；

图2是沿图1中II-II线的截面图；

图3是图1中操作头的透视图；

图4表示包含图1至3中的操作头的机器的控制单元的方框图；以及

图5a-5c表示示意图，举例说明了根据本发明的控制方法的包含图1至3中的操作头的机器的操作。

具体实施方式

参照附图，用于激光加工机的操作头由附图标记10标示。头10包括基座12，基座12具有用于固定到激光加工机的可动体(未示出)的终端部分上的接合部14。参照图2，基座12承载第一镜16，使用时第一镜16沿第一轴A接收激光束，并使激光束沿第二轴B转向90°。优选地，基座12绕轴A旋转，如图1和2中双箭头18所示。在基座12上，在镜16和第一轴A的交叉处，限定了操作头10的凸缘中心CF。参照图2，头10包括旋转体20，该旋转体通过一对轴承22由基座12绕着轴B可旋转地支撑。在通过图例示出的实施方式中，旋转体20由与轴B同轴布置的管状元件形成。第二管状元件24布置在旋转体20内部。第二管状元件24通过直线型棱柱引导件连接到旋转体20，该引导件允许第二管状元件24沿轴B的方向运动，并将管状元件20、24刚性地连接在一起，以沿如图2中双箭头26所示方向绕轴B旋转运动。

终端体30被固定在第二管状元件24上，并且与第二管状元件24一起在图2中双箭头W所示的方向上是可动的。终端体30支撑第二镜34，该第二镜34沿轴B接收激光束并将其以90度沿第三轴C方向反射出去。由镜34反射的光束然后被导向聚焦透镜35，该聚焦透镜由终端体30的操作端37承载，可沿平行于第三轴C的方向相对于该操作端37运动，这将在下文中说明。适于检测聚焦透镜35和被焊接的部件之间的距离的电容传感器也位于操作端37，处于聚焦透镜35下方(参照图2)。

参照图2，第一直流马达36具有固定到主体12上的定子38和固定到旋转体20上的转子40。马达36控制终端体30绕轴B的旋转，不需要减速机构。已知直流马达靠其自身能以非常小的角度(以10^-30的级数)、以高扭矩及精度相对于与其关联的可动构件以1∶1的传动比运转，并且不需要减速齿轮机构或运动学构件(带、滑轮等)。

第二直流马达42控制终端体30沿双向箭头W所示方向运动。具体地，第二直流马达42包括由基座12支撑的定子43和固定到滚珠螺杆45的内螺纹45a上的转子44。滚珠螺杆的内部元件45b接合凸缘46，该凸缘46安装在管状元件24的终端体30的紧固凸缘47上，紧固凸缘具有插设的轴承50。在图示实施方式中轴承50是交叉滚子轴承，其具有将终端体30连接到滚珠螺杆45(特别是连接到内部元件45b)上以便在W方向上运动的功能，并且能够使其和滚珠螺杆45脱离以便绕第二轴B旋转运动。

由于所述配置，通过由马达42致动的内螺纹45a的旋转作用，终端体30被拉动沿滚珠螺杆45的内部元件45b的第二轴B平移。

如总被提到的，终端体30的操作端37被安装成能够相对于终端体30沿与第二轴B垂直的第三轴C平移。这种运动是通过第三马达53控制的第二滚珠螺杆48的动作实现的。

特别地，第三马达53包括定子51，该定子51可沿第三轴C相对于终端体30运动、并且固定到滚珠螺杆48的内螺纹48a上，该滚珠螺杆通过图1所示的倒U形外夹头33与操作端37整体水平运动。而马达53的转子52固定在滚珠螺杆53的内部元件48b上，该滚珠螺杆又与镜34上方的终端体30一体安装。

由于上述配置，元件52在马达53引导下的旋转引起了内螺纹48a和定子51的平移，该动作带动操作端37与它们一起沿第三轴C方向移动。

在图中示出的实施方式中，直流马达36、42和53沿相对于各自控制轴平行的方向定向。这种布置由于其能减少操作头的负担而尤其有利。直流旋转马达42和53能够被其可动部件分别直接连接到凸缘47和定子51上的直线型直流马达取代。

马达36和42由基座12承载。因而，可动体的惯量较低，这提高了终端体30的运动速度。直流马达也能使运动链中的间隙消除，并且减少头10中的部件数量。马达在基座12上的布置也能简化电线。

从图3中可看出，终端体30的平移和旋转运动以及操作端37的平移运动能被组合到一起来移动沿轴C从操作头出来的激光束，或者改善沿包含在工作空间V中的任何轨迹方向的操作头37的操作参考点T(已知为工具中心点(TCP))，该工作空间的边界通过马达36、42和53的工作冲程的长度限定。

在应用中，上述操作头10参照激光加工机的笛卡尔坐标轴X、Y和Z被安装在可动结构上。由这种可动结构和操作头10组合而成的激光加工机能够被描述成冗轴机。

事实上，当操作机的关节(或轴)的数目大于用来描述操作空间所需的自由度时，该操作机被定义成冗余。这需要大量可能的关节配置来为终端构件实现所需定位和方向。

不论从运动学结构而言，还是与外围环境的相互作用上讲，冗余解决方案的组合允许获得更具柔性的操作机。尤其是该冗余能被充分利用来满足由工作空间带来的约束，以便不会违反操作机自身的物理约束，并且遵循轨迹而不会碰撞。

分析冗余操作机的重要方面在于分析管理冗余，来识别笛卡尔空间和关节空间中的终端构件的坐标之间的关系。在具体事例中，关节空间通过图3所示的量B来表示，该量是由马达36、42和53的工作冲程的振幅限定的。

申请人已经实现了用于包括根据本发明的操作头的操作机器的控制系统，其使得操作头的有利特征得到最好利用，尤其是以有效方式管理了冗余的量，以保障机器的更好性能。

根据本发明，在操作头10被安装在上述类型的操作机器上的应用中，操作头10的马达36、42和53可操作地连接到数控单元上。而且，这种数控单元控制机器的可动结构的轴X、Y和Z的致动器以及轴A的致动器。

所述控制单元根据作为加工部件的请求的函数中预建立的程序并以互相配合的方式控制所述马达和致动器的操作。这些程序被设置成使得操作端37在图3中的容积V中以基本连续的方式并以极其高的速度和加速度运动，而机器的可动结构却以相对低的加速度对应于轴X、Y和Z运动，限定了所述容积V能被移动的较宽的空间，并且对应于轴A运动，以限定在空间X、Y和Z中容积V的方向。

因此，上述控制类型通过提供包括第一定位过滤器和第二定向过滤器的过滤装置来获得，其允许工作轨迹被分解成分别用于由轴X、Y、Z和A形成的第一低动态系统和用于由轴W、B和C形成的第二高动态系统的确定轨迹。定位过滤器和定向过滤器能以也可以是不同的过滤频率操作。

因此，用来限定第一系统，并将操作头的凸缘中心CF传输经过机器的整个工作区的机器的可动结构的轴X、Y、Z和A具有低加速度，而且图3所示的操作头的小工作容积V根据确定的方向也具有低加速度，然而，限定第二系统的操作头10的轴W、B和C(参见图3)具有高加速度。机器所有轴(包括第一系统和第二系统)是七个。

所形成的激光操作机在三维空间中运作，但是具有为参考点或TCP的运动而协作的冗余笛卡尔轴。

因此，为了控制这种激光操作机，需要总体上协调第一系统的轴X、Y及Z、A和第二系统的轴W、B及C的运动，同时考虑第一系统的轴X、Y和Z、A负责整个工作区中不断地传送操作头10的操作端37，其动态跟随该头10的运动，不会阻止操作头10的轴W、B和C以等待移动系统的轴X、Y和Z的运动。

在图4中，示意图是介绍包括用于管理致动器的控制的两个个人计算机61和62的数控单元60的结构。

个人计算机61作为向第二个人计算机62发送指令和命令的用户接口来运转，其中第二个人计算机优选地包括与用于机器管理的实时型扩展机62b关联的Linux型操作系统62a。因此，个人计算机62提供用于控制致动器的DSP PCI型的伺服控制器板63遵循的轨迹。

在个人计算机62中和伺服控制器板63中实施用来管理冗余轴的方法，这将在后面详细介绍。

根据本领域中已知的方法，响应于具有加速度和速度的确定规格的所谓的用于“虚拟”机的“部件程序”，数控单元60产生指令P的序列。该指令P的序列来自于个人计算机51，并由适当的程序生成，用于离线设置机器的轨迹和运动。对其应用插值函数，基于所述指令P的序列提供操作机的轨迹的生成。该插值响应于在指令P的序列中发送的预备代码或者G代码而操作。该插值操作通过在个人计算机52上的软件来执行。

图5a、5b、5c用示意方式显示了用于本文中说明的冗余轴机器的提出的控制方法的例子。

通常，这种机器将工作参考点T或者TCP的轨迹和其斜度限定成操作机的轨迹来操作。通常这对应于提供可动结构的运动轴X、Y、Z的相对轨迹，绕第一轴A的旋转提供工具方向，绕操作头的轴B的旋转建立工作参考点T的斜度。

图5a显示了设想如何通过首先生成凸缘中心CF的轨迹来获取工作参考点T的这种轨迹，其中凸缘中心CF是和低动态机关联，即是和定向轴A最终附接到的轴X、Y、Z关联。因此，凸缘中心CF的这种轨迹允许工作参考点T的部分轨迹在低动态机上被细分，该低动态机基于程序设定的轨迹实时操作，无需考虑冗余轴的存在。

然后工作参考点T的轨迹通过在工作容积V中实现的高动态机的轨迹来完成，其主要包括绕倾斜轴B的旋转。

在图5a中，在确定的工作周期中操作头10的参考点T的所需轨迹用线111标示出。虚线101表示由机器的可动结构引导的操作头的预定点的轨迹，在所示的实施例中具体为凸缘中心CF，其根据常规控制方法设定，用于获取所需轨迹111。该所需轨迹111对应于凸缘中心CF被偏移一定距离的轨迹101，该偏移的距离通过水平轴间距KLA和竖直轴间距KLB来限定。参考图2，水平轴间距KLA形成在第一轴A和第三轴C之间，基本上对应于第一镜16和第二镜34的中心之间的距离，而竖直轴间距KLB形成在第二轴B和操作参考点TCP之间，基本上对应于第二镜34的中心和操作端37上的操作参考点之间的距离。

根据本发明，提供了将过滤装置应用到凸缘中心的该轨迹101上。在图5b中，线102表示为同一目的按上述控制方法指定的过滤轨迹。这也是通过轴X、Y、Z、A来限定的。

在根据本发明的控制方法中，然后通过消除轴X、Y、Z、A的轨迹中的高频分量来获取凸缘中心的该过滤轨迹102，以获取仅包含低频分量的轨迹。举例而言，该过滤操作能设想用于各个轴X、Y、Z以及可能用于轴A的切断频率或门限频率的限定。指定用于凸缘中心CF，并因此用于该机器的可动结构的轴的过滤轨迹102相对于与传统控制方法的相应轨迹更简单，因此该轨迹能由具有基本连续速度趋势的这种可动结构遵循，这样减少了所包含的惯性力。然而，如图5b所示，相对于所需轨迹111，TCP的最终位置受位置误差E的影响。

因此，如图5c所示，设想到为了产生相对于操作头的轴B、C、W的机器的第二高动态轨迹，计算该轨迹，以获取工作参考点T的整个轨迹所需的斜度，并补偿由过滤装置所引入的位置误差E。尤其是，沿着轴W、沿着轴C、沿着轴B产生分量，上述轴为获取操作头最初需要的定位而共同工作。总的来说，该调节高动态地在有冗余的小容积V中发生，操作头10凭借马达36、42、53的存在而能跟随它。

正如上述提到的，当改变工具的方向时，可以设想到也将工具定向轴A看作过滤轴。在这种情况下，提供了定位的和定向的两个过滤器，其以也可不同的过滤频率同时操作。

当然，在不脱离随后的权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，相对于已经说明和图示的，可以很大程度地改变结构以及实施方式的细节。

应用于机器轨迹的过滤装置根据分配给不同系统的动态特征可以是不同的类型。

Claims

1.一种特别用于激光加工机的操作头，包括：

基座(12)，其绕第一轴(A)可旋转地与激光加工机的可动结构联接；

旋转体(20)，其绕第二轴(B)可旋转地由所述基座(12)支撑；

终端体(30)，其设有操作端(37)，所述终端体沿所述第二轴(B)的方向可动地由所述旋转体(20)支撑；

第一马达(36)，用于控制所述旋转体(20)绕所述第二轴(B)的旋转；以及

第二马达(42)，用于控制所述终端体(30)沿所述第二轴(B)的运动，

其特征在于，所述操作端(37)安装在所述终端体上，使得所述操作端(37)能够沿垂直于所述第二轴(B)的第三轴(C)平移，并且所述操作头还包括用来沿所述第三轴(C)移动所述操作端(37)的第三马达(53)。

2.根据权利要求1所述的操作头，其特征在于，所述第三马达由所述终端体(30)承载，并包括基本上平行于所述第三轴(C)定位的第一线性致动器(48)。

3.根据权利要求2所述的操作头，其特征在于，所述操作端(37)包括适于聚焦来自所述机器的激光束的聚焦透镜。

4.根据权利要求1所述的操作头，其特征在于，所述第二马达由所述基座(12)承载，并包括基本上平行于所述第二轴(B)定位的第二线性致动器(45)。

5.根据权利要求4所述的操作头，其特征在于，所述旋转体(20)承载固定到所述终端体(30)上的管状元件(24)，所述管状元件(24)以旋转方式通过平行于所述第二轴(B)布置的线性棱柱形引导件连接到所述管状体(20)上。

6.根据权利要求5所述的操作头，其特征在于，所述管状元件(24)通过轴承(50)连接到第二致动器(45)上，所述轴承(50)能够使所述管状元件(24)与所述第二致动器分离以绕所述第二轴(B)运动。

7.根据权利要求6所述的操作头，其特征在于，所述第二致动器(45)接合凸缘(47)，所述凸缘(47)绕所述管状元件(24)安装，其中所述轴承(50)插设于所述凸缘。

8.根据权利要求6所述的操作头，其特征在于，所述轴承是交叉滚子轴承。

9.一种冗余轴机器的使用方法，所述冗余轴机器包括可动结构和根据权利要求1至8中的任一项所述的操作头，所述可动结构由致动器控制并根据第一组变量(X、Y、Z、A)操作，所述操作头根据第二组变量(W、B、C)操作，所述第一组变量(X、Y、Z、A)和所述第二组变量(W、B、C)限定一个或多个冗余变量，

所述方法包括如下操作：

通过数控单元(50)和伺服控制模块(53)来控制所述可动结构的所述致动器和所述操作头的马达，用来实现所述变量作为设定序列(P)的函数的轨迹；

其特征在于

所述方法包括如下操作：

插值(100)所述序列(P)，以获取所述冗余轴机器的工作点(TCP)的轨迹(111)，

生成所述可动结构的轨迹(101)，从而使所述操作头的预设点遵循偏移水平(KLA)轴间距离和竖直(KLA)轴间距离的冗余轴机器的工作点(TCP)的轨迹(111)，

对所述可动结构的所述轨迹(101)进行过滤，以获得过滤轨迹(102)，

计算(120)操作头的第二轨迹(W、B、C)，以补偿工作点(TCP)的轨迹(111)和过滤轨迹(102)之间的位置误差(E)，

将可动结构的所述轨迹((X、Y、Z、A))和操作头的所述第二轨迹(W、B、C)提供给所述伺服控制器(63)以分别致动所述可动结构和所述操作头。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述可动结构的所述轨迹(101)被过滤，消除了高频分量，以获取仅包含低频分量的过滤轨迹(102)。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述操作头的所述的预定点对应于凸缘中心(CF)，所述凸缘中心由所述第一轴(A)和第二轴(B)的交点限定。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的第一组变量(X、Y、Z、A)包括作为定向轴的所述第一轴(A)，并且，所述可动结构的所述轨迹(101)由第一定位过滤器和第二定向过滤器过滤。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述定位过滤器和定向过滤器以不同的过滤频率操作。