CN102211252A - 一种搭载型并联数控激光切割机 - Google Patents

Abstract

一种搭载型并联数控激光切割机机激光头小范围运动驱动结构的改进。结构更为轻便，更便于控制，进而使得运行精度更好，且无需单独的Z向驱动机构。横梁呈Y向设置在机架上方，且活动连接在的一对X向导轨上；激光头设在激光头座下部，激光头座设在横梁的一侧，在横梁朝向激光头一侧的侧面呈上、下位置设有平行的导轨一和二；导轨一上活动连接有线性驱动装置一，在导轨二上设有线性驱动装置二和三；各线性驱动装置的驱动电机分别连接控制器；在各线性驱动装置朝向激光头的侧面上分别设有连杆组一、连杆组二和连杆组三，连杆组一、二、三分别有一对长度相同两端为球头铰接的杆件构成，且两个杆件始终保持平行。本发明构思精巧，结构更为轻便。

Description

一种搭载型并联数控激光切割机

技术领域

本发明涉及数控板料激光切割机，尤其涉及对超大幅面搭载型数控板料激光切割机激光头小范围运动驱动结构的改进。

背景技术

宽、大幅面激光切割机有很大市场应用前景，由于其切割幅面大，所以通常运动部件的重量大，比如：主横梁单体重量达2-3吨，加上激光发生器、水冷机等，约有4-5吨的重量。主横梁重量大的主要弊病是：1、重量大、惯性大，使得主横梁运动的动态响应速度差，对加工精度与质量有很大的影响。2、使得主横梁结构的刚度差，会造成传动系统定位误差大。上述两问题使得现有设备在加工小孔槽或局部复杂形状时，精度低、质量低、加工效率低。运动部件质量大时，工作过程中驱动系统消耗功率大，不符合当今低碳减排的产业要求。

为此，申请人于2010.6.10.向国家知识产权局同时提出了名称为“一种激光切割机及其工作方法，201010196705.7”以及“激光切割机，201020221418.2”两项专利申请，前者与2011.1.26.公开，公开号：CN101862909A。该项创新技术为克服前述问题，它采用在横梁上的激光头座上增设X向短导轨，与激光头座相对于横梁的Y向运动复合，完成小范围区域内激光头的运动，进而在小范围运动时无需横梁进行X向进给运动，大大降低设备的使用能耗。它能够像小幅面激光切割机一样，具有高的切割质量、高效率，高精度，且切割过程中驱动系统消耗的功率较小的效果。

但是，前述创新手段中采用的激光头座结构仍然显得较为庞大、笨重，造成运动惯性大，进而导致运行精度低；且在需要改变激光头Z向高度时，需单独的Z向驱动机构。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种结构更为轻便，更便于控制，进而使得运行精度更好，且无需单独的Z向驱动机构的搭载型并联数控激光切割机。

本发明的技术方案是：包括控制器、具有一对X向导轨的机架、工作台、横梁、激光头座和激光头；所述横梁呈Y向设置在机架上方，且活动连接在所述的一对X向导轨上；所述激光头设在激光头座下部，所述激光头座设在所述横梁的一侧，

在所述横梁朝向所述激光头一侧的侧面呈上、下位置设有平行的导轨一和导轨二；所述导轨一上活动连接有线性驱动装置一，在导轨二上设有线性驱动装置二和线性驱动装置三；所述各线性驱动装置的驱动电机分别连接所述控制器；

在各所述线性驱动装置朝向所述激光头的侧面上分别设有连杆组一、连杆组二和连杆组三，连杆组一、二、三分别有一对长度相同两端为球头铰接的杆件构成，且两个杆件始终保持平行。

所述构成连杆组一的一对杆件处于同一铅垂面上。

所述构成连杆组二的一对杆件和构成连杆组三的一对杆件处于同一平面上。

本发明将结构轻巧的激光头座通过三组“并联”的连杆组“搭载”在横梁上，通过各组连杆的搭载载体（即：线性驱动装置）相对于横梁的不同参数（速度、行程等）的直线运动，通过各连杆驱动激光头座在二维平面或三维空间内运动。并且，每一个线性驱动装置与激光头座之间采用的是一对杆件球铰接，构成了四连杆机构（即本发明中的连杆组一~三）；在实现激光头X、Y、Z三个方向平动的同时又限制了绕X、Y、Z轴的三个方向的转动自由度，为X、Y、Z三（线性）自由度运动系统。同时，三自由度运动系统有效地解决了激光头在Z向的运动驱动。本发明构思精巧，结构更为轻便，更便于控制，进而使得运行精度更好，且无需单独的Z向驱动机构；适合在高精度数控激光切割机上应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中1是板料，2是机架，3是横梁，31是导轨一，32是导轨二，4是激光头座，5是线性驱动装置一，50是连杆组一，6是线性驱动装置二，60是连杆组二，7是线性驱动装置三，70是连杆组三。

图2中的Fig2.1是本发明使用状态参考图一；

图2中的Fig2.2是Fig2.1的俯视图；

图3中的Fig3.1是本发明使用状态参考图二；

图3中的Fig3.2是Fig3.1的俯视图；

图4中的Fig4.1是本发明使用状态参考图三；

图4中的Fig4.2是Fig4.1的俯视图；

图2-4的各个图中均设置了参考坐标系。

具体实施方式

本发明如图1所示，包括控制器、具有一对X向导轨的机架2、工作台、横梁3、激光头座4和激光头；所述横梁3呈Y向设置在机架2上方，且活动连接在所述的一对X向导轨上；所述激光头设在激光头座4下部，所述激光头座4设在所述横梁3的一侧，

在所述横梁3朝向所述激光头一侧的侧面呈上、下位置设有平行的导轨一31和导轨二32；所述导轨一31上活动连接有线性驱动装置一5，在导轨二32上设有线性驱动装置二6和线性驱动装置三7；所述各线性驱动装置5、6、7的驱动电机分别连接所述控制器；

在各所述线性驱动装置5、6、7朝向所述激光头的侧面上分别设有连杆组一50、连杆组二60和连杆组三70，连杆组一50、二60、三70分别有一对长度相同两端为球头铰接的杆件构成，且两个杆件始终保持平行。具体地说：连杆组一50、连杆组二60和连杆组三70的一端分别通过球头铰接结构与各所述线性驱动装置5、6、7相连；连杆组一50、连杆组二60和连杆组三70的另一端分别通过球头铰接结构连接在所述激光头座4朝向所述横梁3的侧面上。从而使每一个线性驱动装置上的连杆组和激光头座之间形成一个平行四边形。进而构成了“并联”结构。

所述构成连杆组一50的一对杆件处于同一铅垂面上。

所述构成连杆组二60的一对杆件和构成连杆组三70的一对杆件处于同一平面上。

由于各杆件为刚性的，长度不会改变，但本发明的任务是利用该三组、六根杆件驱动激光头座4在二维或三维中运动，因此，实现该任务需要由线性驱动装置一5、线性驱动装置二6和线性驱动装置三7在导轨一31、导轨二32上的不同参数的运动来实现。

下面结合各运动状态详细说明本发明的工作过程：

如图2中的Fig2.1 、Fig2.2所显示的本发明第一种使用状态；激光头位于图中一点。如图3中的Fig3.1 、Fig3.2所显示的本发明第二种使用状态，激光头位置相对于图2中位置向左下方向改变了，且图中可清楚地显示出线性驱动装置一5、线性驱动装置二6和线性驱动装置三7相对于横梁上导轨的位置改变了。

如图4中Fig4.1 、Fig4.2所显示的本发明第三种使用状态，其中的板料1是厚度不同的板件（如为确保定位精度，可先将部件焊接在板料1上，再进行切割）。以往激光切割机不合适此种情况下的加工。但本发明的激光切割机，由于三组连杆能实现激光头座在三维空间中的运动，使得可以随时改变Z向高度，实现在线地不同厚度板料的加工。

本发明的工作原理是：

第一、大范围切割时主横梁运动。

第二、局部细节切割时主要依靠U1、U2、U3三个连杆机构来完成。其中U1、U2、U3分别为连杆组一50、连杆组二60、连杆组三70。

第三、通过U1、U2、U3三个坐标的运动，来完成对切割头（激光头）的X、Y、Z向运动的控制。

第四、每一个直线驱动均采用了平行的四连杆机构，并且每个连杆两端均采用球型铰接，其目的就是实现激光头X、Y、Z三个方向平动的同时又限制了绕X、Y、Z轴的三个方向的转动，是三自由度系统。

第五、将三个直线驱动U1、U2、U3的坐标位置看成一个向量，用向量(U1，U2，U3)T表示，将切割头在空间的位置X、Y、Z的坐标看成是一个向量，用(X，Y，Z)T表示。其实质就是通过一个坐标变换，将(X，Y，Z)T转换为(U1，U2，U3)T，转换方程为：

[J] 

= 

其中矩阵[J]是关于向量(U1，U2，U3)T的位置的函数矩阵。

在有效工作区域内，转换矩阵[J]的秩不等于0，所以该方程的解(X，Y，Z)T具有唯一性。即任意一个特定的位置U1、U2、U3，总是对应着位移的一个激光头的位置X、Y、Z，以此来保证通过U1、U2、U3的运动来完成对X、Y、Z的控制。

本发明的优点是：结构简单，动态响应速度快，精度高，柔性好。同时，结合主横梁的运动，能够实现在大切割幅面内的高速，高精度的切割。

Claims (3)

1.一种搭载型并联数控激光切割机，包括控制器、具有一对X向导轨的机架、工作台、横梁、激光头座和激光头；所述横梁呈Y向设置在机架上方，且活动连接在所述的一对X向导轨上；所述激光头设在激光头座下部，所述激光头座设在所述横梁的一侧，其特征在于，

在所述横梁朝向所述激光头一侧的侧面呈上、下位置设有平行的导轨一和导轨二；所述导轨一上活动连接有线性驱动装置一，在导轨二上设有线性驱动装置二和线性驱动装置三；所述各线性驱动装置的驱动电机分别连接所述控制器；

在各所述线性驱动装置朝向所述激光头的侧面上分别设有连杆组一、连杆组二和连杆组三，连杆组一、二、三分别有一对长度相同两端为球头铰接的杆件构成，且两个杆件始终保持平行。

2.根据权利要求1所述的一种搭载型并联数控激光切割机，其特征在于，所述构成连杆组一的一对杆件处于同一铅垂面上。

3.根据权利要求1所述的一种搭载型并联数控激光切割机，其特征在于，所述构成连杆组二的一对杆件和构成连杆组三的一对杆件处于同一平面上。

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