CN102000911A - 一种五轴联动激光加工机床 - Google Patents

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邵明平
陶涛
许睦旬
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Abstract

本发明公开了一种五轴联动激光加工机床,包括底座(1)和床身(2)两部分。床身(2)包括安装于底座(1)的立柱模块(3)和平台模块(4)两个模块,立柱模块(3)包括Z轴子模块(8)和A轴回转运动模块(9),Z轴模块上有竖直方向运动的Z轴溜板(46),溜板上安装有A轴回转运动模块(9),激光头(70)安装于A轴末端,随A轴回转。平台模块(4)部分由一个XY工作台(11)和安装于该工作台之上的C轴回转运动模块(10)组成。C轴由力矩电机驱动(52),C轴上设有回转工作台(53),工件通过专用夹具呈立式安装于回转工作台。本发明结构布局新颖、尺寸紧凑、加工精度高,同时能显著提高加工效率。

Description

一种五轴联动激光加工机床
技术领域
[0001] 本发明涉及激光加工领域,是一种五轴激光加工机床,能用于普通零件和各种复 杂曲面零件的表面打孔和雕刻。
背景技术
[0002] 现代激光加工机床是激光加工技术与数控机床的结合,最简单的激光加工机床, 将机床主轴及刀具替换为激光头即可形成。但由于激光加工工艺又有雕刻、打孔、切割、焊 接等不同的工艺形式,对相应的激光加工机床又有不同的要求,再加上激光加工无切削力 且有高速高效的特征,这对机床的性能也提出了很高的要求。
[0003] 用于叶片表面打孔的激光打孔技术,因具有高精度、高效率以及对叶片损伤小的 特点,而被逐步推广。然而该技术的发展和应用一方面要依赖于高能激光技术的发展,另一 方面要有适应这项技术的激光加工机床。尤其对叶片表面微孔群的加工,其加工精度和效 率则更依赖于机床的性能。然而现有的大部分激光加工机床,是将传统机床技术与激光加 工技术的简单结合,并未充分考虑激光加工本身的技术特征,限制了加工的精度和效率。
[0004] 与本发明相近的已有技术,多为三轴激光加工机床,用于零件表面孔加工的五轴 联动激光加工机床市场上也有成熟产品,这其中以DMG公司的LASERTEC 80型激光打孔机 床与本发明最为相近,该机床设有X、Y、Z、B、C五个运动轴,具有一定的先进性。但该机床 空间布局开阔、占地面积大,而且工件采用水平装夹,一方面受重力悬臂效应的影响,加工 精度有所降低;另一方面给排屑带来一定困难,影响打孔效果;同时,给工人操作带来一定 不便,影响生产效率。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种结构新颖、尺寸紧凑、运行稳定性好、节约生产成本、同 时具有很高加工精度和加工效率的五轴联动激光加工机床。
[0006] 为达到以上目的,本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0007] —种五轴联动激光加工机床,包括底座和安装于其上方的床身,其特征在于:所述 床身包括立柱模块和平台模块两部分;立柱模块和平台模块之间通过定位板定位;所述立 柱模块包含沿竖直方向运动的Z轴运动子模块以及安装于Z轴运动子模块的Z轴溜板之上 的A轴旋转模块,激光发射头安装于A轴一端;平台模块包括一个由X轴子模块和Y轴子模 块组成的XY双轴工作台,以及安装于X轴子模块的溜板之上的C轴回转模块。
[0008] 上述方案中,所述Z轴运动子模块包括Z轴立柱,Z轴立柱上设置有导轨安装面,Z 轴导轨安装于所述安装面;Z轴溜板安装于可沿Z轴导轨滑动的Z轴滑块之上。
[0009] 所述A轴旋转模块包括伺服电机及与其安装为一体的减速器,联轴器,安装于Z轴 溜板上的驱动轴支座及其中的驱动轴,所述伺服电机由电机支架固定于Z轴溜板上;驱动 轴一端通过一个联轴器与减速器输出轴相连,另一端安装有转盘,转盘上安装转接板;激光 发射头安装于转接板上。[0010] 所述 X轴子模块和Y轴子模块结构相同,Y轴子模块固定于底座之上,X轴子模块 安装于Y轴子模块的Y轴溜板上,运动方向相互垂直;所述X、Y轴子模块均设置有导轨安装 面和丝杠安装孔,导轨安装面用于安装导轨;丝杠安装孔用于安装丝杠。
[0011] 所述C轴回转模块包括基座,基座上安装有力矩电机,力矩电机上设有回转工作 台,所述基座安装于χ轴子模块的χ轴溜板之上。回转工作台上设置有用于夹持工件的夹 具,回转工作台中间设有定位中心孔,用于装夹过程中的定位;工件立式装夹于夹具之上。
[0012] 所述X、Y、Z轴运动子模块上均安装有直线光栅反馈元件,采用全闭环控制;所述A 轴旋转模块、C轴回转模块的驱动电机上均设有高精度编码器,采用半闭环控制。
[0013] 激光发射头采用JK300型激光器,具有红外辅助对刀功能。
[0014] 本发明的优点及特色有:
[0015] 1、机床整体采用模块化设计,分床身模块和底座模块,X、Y、Z、A、C轴都可视为相 互独立的运动模块。该设计方法为机床的设计和加工提供了便利,在加工过程中,可先保证 各个模块本身性能,再考虑各个模块之间的关系。机床更容易获得优良的综合性能。
[0016] 2、总体布局上,采用了质量分散的原则,防止各部分的负载重量过大,影响综合性 能。X、Y、Z、A、C五个运动轴中,A轴子模块安装于Z轴模块的溜板之上,构成立柱模块;C 轴子模块安装于XY轴工作台之上构成平台模块。与采用双轴回转工作台的结构相比,重量 更加分散。对串联结构中的上游模块带来的负载也更小,机床的性能也就更容易保证。
[0017] 3、结构新颖,尺寸紧凑。布局上充分考虑激光曲面加工的特征,对空间的利用更为 合理;结构设计中,Z轴立柱、XY轴床身均采用了高比强度的结构,使整体的重量减轻。
[0018] 4、工件采用立式装夹,一方面可以防止由重力引起的悬臂效应影响加工精度;另 一方面更便于加工过程中的排屑;同时便于工人操作、提高了装夹效率。
[0019] 5、回转运动轴定位精度高。设计中有A轴和C轴两个回转轴。A轴采用了伺服电 机加减速器的驱动形式,一方面增强了驱动力矩,另一方面提高了定位精度。C轴采用力矩 电机驱动,力矩电机本身具有定位精度高,驱动力矩大的特点,从而保证了回转工作台的定 位精度。
[0020] 6、激光器所发射激光束可控性强、精度高,并设有红外辅助对刀功能,保证了对刀 的精度和效率。
[0021] 7、整机具有高精度的特性。上述的1-6条优点,从不同角度保证了机床的性能和 定位精度,再加上直线运动轴采用了成熟的控制技术,同样可以达到极高的定位精度。因 此,整机定位精度很高,加工精度可达10um。
[0022] 8、整机具有高效率的特性。首先,各个进给运动轴都有较高的加速度和速度;其 次,机床布局合理,减少了空进给;另外,工件采用了立式装夹,提高了操作效率;同时辅助 对刀功能,也能显著提高对刀效率。
附图说明
[0023] 以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0024] 图1为本发明五轴联动激光加工机床整体结构示意图。
[0025] 图2为图1中的立柱模块示意图。
[0026] 图3为图1中的Z轴子模块结构示意图。[0027] 图4为图1中的A轴旋转模块结构示示意图。
[0028] 图5为图1中的平台模块示意图。
[0029] 图6为图5中的X轴子模块示意图。
[0030] 图7为图5中的Y轴子模块示意图。
[0031] 图8为X、Y轴子模块基座的结构示意图。
[0032] 图9为图5中的C轴旋转模块示意图。
[0033] 图1至图9中:1_底座,2-床身,3-立柱模块,4-平台模块,5-定位板,6-X轴子模块,7-Y轴子模块,8-Z轴子模块,9-A轴旋转模块,IO-C轴旋转模块,Il-XY双轴工作台, 12-导轨安装面,13-丝杠安装孔,20-X轴基座,21-X轴导轨,22-X轴导轨滑块,23-X轴丝 杠,24-X轴丝杠螺母,25-X轴丝杠螺母支座,26-X轴溜板,27-X轴光栅反馈元件,28-X轴联 轴器,29-X轴伺服电机,30-Y轴基座,31-Y轴导轨,32-Y轴导轨滑块,33-Y轴丝杠,34-Y轴 丝杠螺母,35-Y轴丝杠螺母支座,36-Y轴溜板,37-Y轴光栅反馈元件,38-Y轴联轴器,39-Y 轴伺服电机,40-Z轴基座,41-Z轴导轨,42-Z轴导轨滑块,43-Z轴丝杠,44-Z轴丝杠螺母, 45-Z轴丝杠螺母支座,46-Z轴溜板,47-Z轴光栅反馈元件,48-Z轴联轴器,49-Z轴伺服电 机,50-Z轴安装支座,51-C轴基座,52-C轴力矩电机,53-回转工作台,60-A轴伺服电机, 61-A轴减速器,62-A轴电机支座,63-A轴联轴器,64-A轴驱动轴,65-A轴驱动轴支座,66-A 轴转盘,67-A轴转接板,70-激光发射头,71-夹具,72-工件。
具体实施方式
[0034] 如图1所示:一种五轴联动激光加工机床,它包括底座1和床身2两部分。底座1 为一块符合国家标准的平板工作台,床身2包括如图2所示的立柱模块3和图5所示的平 台模块4,两个模块均安装于所述底座平面之上。
[0035] 图2所示的立柱模块包括图3所示的Z轴子模块8和图4所示的A轴子模块9。 立柱模块上有竖直方向运动的Z轴溜板46,溜板上安装有A轴回转运动模块9,激光头安装 于A轴末端,随A轴回转。
[0036] 图3所示的Z轴子模块,设置有立柱40,其上有导轨安装面和丝杠支座安装面;Z 轴导轨41安装于导轨安装面,丝杠支座50安装于支座安装面,丝杠43连同轴承安装于所 述丝杠支座50内;Z轴驱动电机49,通过联轴器48与丝杠相连;Z轴溜板46安装于导轨滑 块42之上,其上安装有丝杠螺母支座45,丝杠螺母支座45内安装有丝杠螺母44 ;Z轴溜板 46之上设置有A轴安装孔。
[0037] 图4所示的A轴运动模块9,包括伺服电机60、减速器61、电机支架62、联轴器63、 驱动轴64及轴支座65、转盘66、转接板67。伺服电机60及减速器61安装为一体,由电机 支架62固定于Z轴溜板46之上;驱动轴支座6安装于Z轴溜板46之上;驱动轴64安装于 所述支座内;驱动轴64 —端通过联轴器63与减速器输出轴相连,另一端安装有转盘66,转 盘上安装转接板67 ;激光发射头70安装于转接板之上。
[0038] 图5所示的平台模块包括图6所示的X轴子模块6、图7所示的Y轴子模块7和图 9所示的C轴子模块10。
[0039] 图7所示的Y轴子模块7,设置有如图8所示的基座40,该基座40安装于底座1 平板之上,在图8所示的“凸”形基座40之上,设置有导轨安装面12和丝杠安装孔13。丝杠33安装于所述安装孔13内,导轨安装于所述安装面12之上;Y轴溜板36安装于可沿Y 轴导轨31运动的滑块32之上,其上安装有X轴运动模块6。
[0040] 图6所示的X轴运动模块6,结构上与Y轴运动模块7相同,X轴基座20安装于Y 轴溜板36,形成XY双轴工作台11。X轴溜板26上设置有图9所示的C轴旋转模块10安装位置。
[0041] 图9所示的C轴旋转模块10,包括基座51、力矩电机52和回转工作台53。基座 51安装于X轴溜板26之上,其上安装有力矩电机52,力矩电机52之上安装有回转工作台 53,回转工作台的中心孔为装夹定位孔。工件72通过专用夹具71呈立式装夹于回转工作 台53上。
[0042] 图3、图6、图7所示三个直线运动模块,安装有直线光栅反馈元件27、37、47。直 线光栅反馈元件27、37、47,光栅尺设置于基座20、30、40侧面,读数头安装于溜板26、36、46 测面。所述光栅反馈元件,为闭环控制提供反馈信号。
[0043] 图4、图9中的A、C轴回转模块两驱动电机,设有高精度编码器,采用半闭环控制。

Claims (8)

1. 一种五轴联动激光加工机床,包括底座(1)和安装于其上方的床身(2),其特征在 于:所述床身(2)包括立柱模块(3)和平台模块(4)两部分;立柱模块(3)和平台模块(4) 之间通过定位板(5)定位;所述立柱模块(3)包含沿竖直方向运动的Z轴运动子模块(8)以 及安装于Z轴运动子模块(8)的Z轴溜板(46)之上的A轴旋转模块(9),激光发射头(70) 安装于A轴一端;平台模块(4)包括一个由X轴子模块和Y轴子模块组成的XY轴工作台 (11),以及安装于X轴子模块的溜板(26)之上的C轴回转模块(10)。
2.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:所述Z轴运动子模块 (8)包括Z轴立柱(40),Z轴立柱(40)上设置有导轨安装面,Z轴导轨(41)安装于所述安 装面;Z轴溜板(46)安装于可沿Z轴导轨(41)滑动的Z轴滑块(42)之上。
3.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:所述A轴旋转模块(9) 包括伺服电机(60)及与其安装为一体的减速器(61),联轴器(63),安装于Z轴溜板(46) 上的驱动轴支座(65)及其中的驱动轴(64),所述伺服电机(60)由电机支架(62)固定于Z 轴溜板(46)上;驱动轴(64) —端通过一个联轴器(63)与减速器输出轴相连,另一端安装 有转盘(66),转盘上安装转接板(67);激光发射头(70)安装于转接板上。
4.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:所述X轴子模块和Y轴 子模块结构相同,Y轴子模块固定于底座(1)之上,X轴子模块安装于Y轴子模块的Y轴溜 板(36)上,运动方向相互垂直;所述X、Y轴子模块均设置有导轨安装面和丝杠安装孔,导轨 安装面用于安装导轨;丝杠安装孔用于安装丝杠。
5.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:所述C轴回转模块 (10)包括基座(51),基座(51)上安装有力矩电机(52),力矩电机(52)上设有回转工作台 (53),所述基座(51)安装于X轴子模块的X轴溜板(26)之上。
6.根据权利要求5所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:回转工作台(53)上设 置有用于夹持工件(72)的夹具(71),回转工作台(53)中间设有定位中心孔,用于装夹过程 中的定位;工件(72)立式装夹于夹具(71)之上。
7.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:所述X、Y、Z轴运动子 模块上均安装有直线光栅反馈元件,采用全闭环控制;所述A轴旋转模块(9)、C轴回转模块 (10)的驱动电机上均设有高精度编码器,采用半闭环控制。
8.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床,其特征在于:激光发射头(70)采用 JK300型激光器,具有红外辅助对刀功能。
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