CN102303187B - 一种三维五轴数控激光切割机 - Google Patents

Abstract

一种三维五轴数控激光切割机。涉及复合运动并联五轴驱动机构的数控激光切割机。包括机体、X向导轨、横梁、激光切割头和控制器，在横梁的侧面设有Y向导轨，激光切割头通过复合运动并联机构与横梁侧面的Y向导轨活动连接。本发明通过复合运动并联机构实现常规激光切割头的五轴运动。其中横梁相对于机身的运动实现基本X向运动；而Y、Z、A、C四轴的运动是通过复合运动并联机构来实现的。本发明构思精巧，各零部件结构灵巧，刚性大，惯性小，运动精度能得到保障。本发明是机床技术、机器人技术以及数控技术相结合的产物，与传统的串联机床相比，结构简单，数学运算复杂精准。它具有刚度大、响应快、精度高、适应性强、技术附加值高等突出优点。

Description

一种三维五轴数控激光切割机

技术领域

本发明涉及激光切割机的驱动机构，尤其涉及复合运动并联五轴驱动机构的数控激光切割机。

背景技术

  激光切割工艺由于其速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割材料范围广等诸多优点，在很多领域应用越来越广。随着激光应用技术的发展，三维空间曲线的激光切割以其先进、灵活、适应性强等特点，在国外的汽车工业、航空航天工业等诸多领域都取得了广泛的应用。使用三维激光切割，不仅可以节省样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期。

   目前大多数三维激光切割机，主机传动机构均为串联方式。串联机构的切割头运动轨迹控制都是建立在笛卡尔坐标系中，动作控制过程的数学运算简单，但是机械结构复杂、笨重，设备动态响应速度差，零部件寿命低，无论光束以何种方式传输，都需要价格昂贵的三维激光切割头。

   发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种结构更加灵巧、刚性更大、惯性更小、精度更高的三维五轴数控激光切割机。

本发明的技术方案是：所述激光切割机包括机体1、设在机体1上的X向导轨1a、与X向导轨1a活动连接的横梁2、激光切割头9和控制器，在所述横梁2的侧面设有Y向导轨2a，所述激光切割头9通过复合运动并联机构与所述横梁2侧面的Y向导轨2a活动连接；

所述复合运动并联机构包括与所述Y向导轨2a活动连接的Y轴溜板3装置、Z轴溜板4装置、十字架7、激光头安装支座8、四只等长的连杆6和四只直线驱动装置5；

所述Y轴溜板3装置中Y轴溜板3的背面设有与所述Y向导轨2a适配的导轨槽，并可以沿Y轴作直线往复运动、正面设有一对Z向导轨3a；

所述Z轴溜板4装置中的Z轴溜板4的背面设有一对与所述一对Z向导轨适配的Z向导轨槽4a、正面设有与X轴平行的枢接套4b；所述Z轴溜板4通过Z向导轨槽4a与所述Y轴溜板3上的Z向导轨3a活动连接，并沿Z向导轨相对于Y轴溜板3作直线往复运动；

所述十字架7呈叉形，其根部设有用于活动连接所述枢接套4b的枢轴7a，两叉叉尖部位设有一对同轴的转孔7b；

所述激光头安装支座8包括板体和四只球窝，所述板体的一端设有用于活动连接所述转孔的转销8b、板体的另一端设有用于固定连接所述激光切割头的耳板8a；所述四只球窝中两只处于板体上部，另两只处于板体下部，且四只球窝的开口朝向所述转销8b的方向；

所述四只直线驱动装置5中的其中上部的两个分别布设在所述Y轴溜板3的两侧、与所述Y轴溜板3上的Z向导轨3a活动连接，另外下部的两个分别布设在所述Y轴溜板3的两侧、与所述Y向导轨2a活动连接；

所述直线驱动装置5包括直线驱动块和直线驱动块电机，所述直线驱动块朝向所述激光头安装支座8的侧面设有球窝；所述直线驱动块电机设在直线驱动块上、驱动Y向导轨2a上的下部两只驱动块沿Y向导轨2a作直线往复运动、驱动Z向导轨3a上的上部两只驱动块沿Z向导轨3a作往复直线运动；

所述连杆6的两端分别设有球头，连杆6两端的球头分别与所述直线驱动块5a~5d上的球窝和所述激光头安装支座8上的球窝相连； 

所述Z轴溜板驱动电机和四只所述直线驱动块电机分别连接控制器。

所述激光头安装支座8上的四只球窝的中心高度具有落差。

所述四根连杆6中的与所述的横梁2上的Y向导轨上的两个直线驱动装置相连接的两根连杆等长，另外两根与所述Y轴溜板3上的Z向导轨上的两个直线驱动装置相连接的两个连杆等长。

所述四根连杆6等长。

所述横梁2沿X向导轨1a的X向运动为所述激光切割头的X轴向基本运动；

Y、Z、A、C四个轴的运动是通过四个直线驱动块间的相互运动来实现的，Y、Z、A、C四轴运动的控制方式为并联方式；

所述Y轴溜板3相对于所述横梁2的Y向运动为所述激光切割头的Y轴向运动；

所述Z轴溜板4相对于所述Y轴溜板3的Z向运动为所述激光切割头的Z轴向运动；

所述十字架7围绕所述Z轴溜板4上枢接套4b轴心的旋转运动为A轴向运动；

所述激光头安装支座8围绕所述十字架7上转孔7b轴心的旋转运动为C轴向运动；

所述激光切割头9的Y、Z、A、C轴向运动是由所述四个直线驱动块5a~5d通过各自连杆驱动激光头安装支座8实现的；所述Y、Z、A、C轴向运动构成所述激光切割头的并联运动；

使得所述激光切割头9在所述X轴向基本运动与Y、Z、A、C轴向的并联运动共同构成的运动环境中实现三维五轴运动。

本发明通过复合运动并联机构实现常规激光切割头的五轴运动。其中横梁相对于机身的运动实现基本X向运动；而Y、Z、A、C四轴的运动是通过复合运动并联机构来实现的，进而实现五轴运动。此外，发明人发现在激光头安装支座上四只球窝中心高度相同的情况下，在某些特定的位置机构可能会空间完全对称，一但机构在空间上对称就会使运动不确定。比如在两个转动副的转角均为“0”的情况下对其进行驱动，转动副有“顺时针”也有“逆时针”转动的可能。而采用中心高度不同(且四个连杆长度两两相同，上面两个相同，下面两个相同)的方法则可有效地避免在切割头任意位置和姿态时的机构空间对称，进而彻底解决这个问题。本发明的构思精巧，各零部件结构灵巧，刚性大，惯性小，使得运动精度能得到保障。本发明是机床技术、机器人技术以及数控技术相结合的产物，与传统的串联机床相比，结构简单，数学运算复杂精准。它具有刚度大、响应快、精度高、适应性强、技术附加值高等突出优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明中复合运动并联机构的立体图，

图3是本发明中激光头安装支座的立体图，

图4是本发明中激光头安装支座的主视图，

图5是图6的左视图，

图6是本发明使用状态参考图一，

图7是本发明使用状态参考图二，　

图8是本发明使用状态参考图三，

图9是本发明Z轴逆运动仿真示意图，

图10是本发明A轴逆运动仿真示意图，

图11是本发明C轴逆运动仿真示意图；

图1中标示了X、Y、Z三直线运动方向示意，图2中标示了A、C两旋转方向运动方向示意；

图中1是机身，1a是X向导轨，2是横梁，2a是Y向导轨，3是Y轴溜板，3a是Z向导轨，4是Z轴溜板，4a是z向导轨槽，4b是枢接套， 5是直线驱动装置，5a是直线驱动块一，5b是直线驱动块二，5c直线驱动块三，5d直线驱动块四， 6是连杆，6a是连杆一，6b是连杆二，6c是连杆三，6d是连杆四，7是十字架，7a是枢轴，7b是转孔，8是激光头安装支座，8a是耳板，8b是转销，8c是连接孔，81是球窝一，82是球窝二，83是球窝三，84是球窝四，9是激光切割头，10是工件，10a是孔一，10b是孔二，10c是孔三。

具体实施方式

首先对图1、图2中所示坐标系定义如下：

X轴——横梁2沿机身1上的X向导轨的运动方向；

Y轴——Y轴溜板3沿横梁2上的Y向导轨的运动方向；

Z轴——Z轴溜板4沿Y轴溜板3上的Z向导轨的运动方向；

A轴——十字架5通过转动副与Z轴溜板4连接，并可在±90°的范围内进行旋转运动；

C轴——激光头安装支座8通过转动副与十字架5连接， 并可在±90°的范围内进行旋转运动；

其中X轴运动控制与普通的龙门式二维激光切割机相同，而Y、Z、A、C四轴的运动是通过并联机构来实现的。活动连接于横梁2上且只能够沿Y向运动的四个可控的直线驱动装置5，并分别通过两端均为万向铰接的连杆一6a、连杆二6b、连杆三6c、连杆四6d与激光头安装支座8相连接，通过四个直线驱动装置间的同向、反向驱动来完成对激光头安装支座8的位置与姿态的控制，进而实现切割头对空间曲线的切割。

本发明如图1-5所示， 所述激光切割机包括机体1、设在机体1上的X向导轨1a、与X向导轨1a活动连接的横梁2、激光切割头9和控制器，在所述横梁2的侧面设有Y向导轨2a，所述激光切割头9通过复合运动并联机构与所述横梁2侧面的Y向导轨2a活动连接；

所述复合运动并联机构包括与所述Y向导轨2a活动连接的Y轴溜板3装置、Z轴溜板4装置、十字架7、激光头安装支座8、四只等长的连杆6和四只直线驱动装置5；

所述Y轴溜板3装置中Y轴溜板3的背面设有与所述Y向导轨2a适配的导轨槽，并可以沿Y轴作直线往复运动、正面设有一对Z向导轨3a；

所述Z轴溜板4装置中的Z轴溜板4的背面设有一对与所述一对Z向导轨适配的Z向导轨槽4a、正面设有与X轴平行的枢接套4b；所述Z轴溜板4通过Z向导轨槽4a与所述Y轴溜板3上的Z向导轨3a活动连接，并沿Z向导轨相对于Y轴溜板3作直线往复运动；

所述十字架7呈叉形，其根部设有用于活动连接所述枢接套4b的枢轴7a，两叉叉尖部位设有一对同轴的转孔7b；

所述激光头安装支座8包括板体和四只球窝，所述板体的一端设有用于活动连接所述转孔的转销8b、板体的另一端设有用于固定连接所述激光切割头的耳板8a；所述四只球窝中两只处于板体上部，另两只处于板体下部，且四只球窝的开口朝向所述转销8b的方向；

所述四只直线驱动装置5中的其中上部的两个分别布设在所述Y轴溜板3的两侧、与所述Y轴溜板3上的Z向导轨3a活动连接，另外下部的两个分别布设在所述Y轴溜板3的两侧、与所述Y向导轨2a活动连接；

所述直线驱动装置5包括直线驱动块和直线驱动块电机，所述直线驱动块朝向所述激光头安装支座8的侧面设有球窝；所述直线驱动块电机设在直线驱动块上、驱动Y向导轨2a上的下部两只驱动块沿Y向导轨2a作直线往复运动、驱动Z向导轨3a上的上部两只驱动块沿Z向导轨3a作往复直线运动；

所述连杆6的两端分别设有球头，连杆6两端的球头分别与所述直线驱动块5a~5d上的球窝和所述激光头安装支座8上的球窝相连； 

所述Z轴溜板驱动电机和四只所述直线驱动块电机分别连接控制器。

本发明的一重要优化实施方式如图3-5所示：所述激光头安装支座8上的四只球窝的中心高度具有落差。在此情况下，对于四个连杆长度设定有两种方案：一是两两相同，上面两个相同，下面两个相同；即四根连杆6中的与所述的横梁2上的Y向导轨上的两个直线驱动装置相连接的两根连杆等长，另外两根与所述Y轴溜板3上的Z向导轨上的两个直线驱动装置相连接的两个连杆等长。

二是四根连杆6等长。

本发明横梁2沿X向导轨1a的X向运动为所述激光切割头的X轴向基本运动；

Y、Z、A、C四个轴的运动是通过四个直线驱动块间的相互运动来实现的，Y、Z、A、C四轴运动的控制方式为并联方式。

所述Y轴溜板3相对于所述横梁2的Y向运动为所述激光切割头的Y轴向运动；

所述Z轴溜板4相对于所述Y轴溜板3的Z向运动为所述激光切割头的Z轴向运动；

所述十字架7围绕所述Z轴溜板4上枢接套4b轴心的旋转运动为A轴向运动；

所述激光头安装支座8围绕所述十字架7上转孔7b轴心的旋转运动为C轴向运动；

所述激光切割头9的Y、Z、A、C轴向运动是由所述四个直线驱动块5a~5d通过各自连杆驱动激光头安装支座8实现的；所述Y、Z、A、C轴向运动构成所述激光切割头的并联运动；

使得所述激光切割头9在所述X轴向基本运动与Y、Z、A、C轴向的并联运动共同构成的运动环境中实现三维五轴运动。

以加工工件10为例，该工件具有多个处于两个相交面的孔以及处于平面的孔。其中孔一10a位于工件前端、处于两个相交面上；孔二10b位于工件中部，处于顶（平）面上；孔三10c位于工件后端、处于两个相交面上。

图7是加工孔一10a时的状态；五轴联动实现切割。

图8是加工孔二10b时的状态；横梁2、Z拖板4运行到位后；可以有两种运动模式，一是横梁2、Y拖板3的复合运动实现对孔二的加工；二是仅仅通过两驱动块各自的运动，驱动驱动架7绕A轴转动、环形支撑架8绕C轴运动，实现对孔二的加工。(与此同时，五轴联动实现随动控制)。

图9是加工孔三10C的状态；基本同加工孔一10a的模式。可以看出激光头安装支座8工作时姿态的变化。

通常，(复合运动)并联机构在其工作空间内会存在奇异点限制，当机构处于奇异点时，驱动装置将无法达成驱动命令而造成控制误差。在本案的机构设计中，激光头安装支座8的四个万向铰接点在YOZ平面呈对称分布，而在XOZ面上的投影高度L1<L2<L3<L4，四个连杆长度两两相同，上面两个相同，下面两个相同。避免在任意位置出现空间对称，以此来清除工作空间内机构奇异点的限制。

本案运动学仿真的说明：

本案设计的数控激光切割机是以复合运动并联机构为基础，多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。当激光切割头以一定的形式运动时，其速度、加速度与四个直线驱动装置的运动速度、加速度中间有严格的依赖关系。从机构学角度来看，激光切割头在笛卡尔坐标中的运动是四个可控直线驱动装置运动的非线性映射，即直线驱动装置间的相互位置与切割头位姿间的对于关系是非线性的。运动学仿真的目的是通过考察各可控直线驱动装置及各部件的相对运动状态，检验机构是否发生干涉，考察和评价系统的速度和加速度特性。系统的速度、加速度、驱动力以及惯量比等诸多参数都是在设计时必须重点考虑的指标，这些参数是否匹配合理对系统性能具有决定性的影响。传统方法对上述参数及其在不同位置的变化情况进行定量分析有很大困难，而ADAMS却能够有效地处理此类复杂问题。因此，运用多体动力学分析软件ADAMS对系统的各个参数及其变化过程进行仿真具有重要的意义。

在ADAMS中建立的动力学模型中，以对Z轴、A轴及C轴在各自的行程范围内进行的逆运动学仿真模拟后，得到了Z轴在其最高90m/min定位速度以及A轴、C轴在最高270deg/sec的定位角速度匀速运动工况下，四个直线驱动装置的速度时间曲线，逆运动仿真结果如9-11所示；

图9是：Z轴在90m/min匀速运动工况下四个直线驱动装置的速度时间变化曲线；

图10是A轴在270deg/sec匀速转动工况下四个直线驱动装置的速度时间变化曲线；

图11是C轴在270deg/sec匀速转动工况下四个直线驱动装置的速度时间变化曲线；

图中Vy1、Vy2 、Vy3、Vy4分别表示四个直线驱动装置的速度。

本案通过运动学分析和具体试制，确定了在特定工况下可控直线驱动装置的速度曲线，为后期的结构设计、驱动参数的选择以及运动控制提供理论依据和数据参考。

总结：

并联机构在三维激光切割领域的应用是个全新的课题，是机器人技术向激光加工领域的扩展，能给激光加工的发展带来全新的变化，对激光切割机产品设计的创新具有重要意义。本文结合三维激光切割的特点，采用全新的方法设计的复合运动并联机构五轴联动激光切割机具有如下特点：

1、对龙门式或悬臂式二维激光切割机进行简单的结构改造，即可将其转化为高精度的三维激光切割机；采用光纤作为光束传输的介质，无需价格昂贵的三维切割头即可实现对空间曲线的切割。

2、结构简单、零部件数目少、刚度大、动态响应速度快、切割精度高。

3、机床硬件简单，控制系统软件复杂，具有更高的技术附加值。     

并联五轴激光切割机涉及到光、机、电、机器人等诸多方面的内容，是一个复杂的系统。激光切割机的发展是一个长期的、艰辛的过程，需要多方面的工作，我们认为今后可以在以下几个方面进行更深入的研究：1）、开发高性能数控系统或者对现有数控系统进行二次开发，开发相应的三维切割CAM软件，实现自动编程功能和智能化控制。2）、对机构的运动学、动力学、机构结构耦合特性以及温度变化对机构的影响进行深入的研究，为实际的物理样机制造提供系统的理论基础。3）、对关键零部件以及各种专用激光切割系统进行研发，实现产品批量化。

Claims (5)

1.一种三维五轴数控激光切割机，所述激光切割机包括机体（1）、设在机体（1）上的X向导轨（1a）、与X向导轨（1a）活动连接的横梁（2）、激光切割头（9）和控制器，在所述横梁（2）的侧面设有Y向导轨（2a），其特征在于，所述激光切割头（9）通过复合运动并联机构与所述横梁（2）侧面的Y向导轨（2a）活动连接；

所述复合运动并联机构包括与所述Y向导轨（2a）活动连接的Y轴溜板（3）装置、Z轴溜板（4）装置、十字架（7）、激光头安装支座（8）、四只等长的连杆（6）和四只直线驱动装置（5）；

所述Y轴溜板（3）装置中Y轴溜板（3）的背面设有与所述Y向导轨（2a）适配的导轨槽，所述Y轴溜板可以沿Y轴作直线往复运动，其正面设有一对Z向导轨（3a）；

所述Z轴溜板（4）装置中的Z轴溜板（4）的背面设有一对与所述一对Z向导轨适配的Z向导轨槽（4a）、正面设有与X轴平行的枢接套（4b）；所述Z轴溜板（4）通过Z向导轨槽（4a）与所述Y轴溜板（3）上的Z向导轨（3a）活动连接，并相对于Y轴溜板（3）沿Z向导轨作直线往复运动；

所述十字架（7）呈叉形，其根部设有用于活动连接所述枢接套（4b）的枢轴（7a），两叉叉尖部位设有一对同轴的转孔（7b）；

所述激光头安装支座（8）包括板体和四只球窝，所述板体的一端设有用于活动连接所述转孔的转销（8b）、板体的另一端设有用于固定连接所述激光切割头的耳板（8a）；所述四只球窝中两只处于板体上部，另两只处于板体下部，且四只球窝的开口朝向所述转销（8b）的方向；

所述四只直线驱动装置（5）中的其中上部的两个分别布设在所述Y轴溜板（3）的两侧，并分别与所述Y轴溜板（3）上的Z向导轨（3a）活动连接，另外下部的两个分别布设在所述Y轴溜板（3）的两侧，并分别与所述Y向导轨（2a）活动连接；

所述直线驱动装置（5）包括直线驱动块和直线驱动块电机，所述直线驱动块朝向所述激光头安装支座（8）的侧面设有球窝；所述直线驱动块电机设在直线驱动块上，并驱动Y向导轨（2a）上的下部两只驱动块沿Y向导轨（2a）作直线往复运动，并驱动Z向导轨（3a）上的上部两只驱动块沿Z向导轨（3a）作往复直线运动；

所述连杆（6）的两端分别设有球头，连杆（6）两端的球头分别与所述直线驱动块（5a~5d）上的球窝和所述激光头安装支座（8）上的球窝通过万向铰接相连； 

所述Z轴溜板驱动电机和四只所述直线驱动块电机分别连接所述控制器。

2.根据权利要求1所述的一种三维五轴数控激光切割机，其特征在于，所述激光头安装支座（8）上的四只球窝的中心高度具有落差。

3.根据权利要求2所述的一种三维五轴数控激光切割机，其特征在于，所述四根连杆（6）中的与所述的横梁（2）上的Y向导轨上的两个直线驱动装置相连接的两根连杆等长，另外两根与所述Y轴溜板（3）上的Z向导轨上的两个直线驱动装置相连接的两个连杆等长。

4.根据权利要求2所述的一种三维五轴数控激光切割机，其特征在于，所述四根连杆（6）等长。

5.根据权利要求1-4中任一所述的一种三维五轴数控激光切割机，其特征在于，所述横梁（2）沿X向导轨（1a）的X向运动为所述激光切割头的X轴向基本运动；

Y、Z、A、C四个轴的运动是通过四个直线驱动块间的相互运动来实现的，Y、Z、A、C四轴运动的控制方式为并联方式；

所述Y轴溜板（3）相对于所述横梁（2）的Y向运动为所述激光切割头的Y轴向运动；

所述Z轴溜板（4）相对于所述Y轴溜板（3）的Z向运动为所述激光切割头的Z轴向运动；

所述十字架（7）围绕所述Z轴溜板（4）上枢接套（4b）轴心的旋转运动为A轴向运动；

所述激光头安装支座（8）围绕所述十字架（7）上转孔（7b）轴心的旋转运动为C轴向运动；

所述激光切割头（9）的Y、Z、A、C轴向运动是由所述四个直线驱动块（5a~5d）通过各自连杆驱动激光头安装支座（8）实现的；所述Y、Z、A、C轴向运动构成所述激光切割头的并联运动；

使得所述激光切割头（9）在所述X轴向基本运动与Y、Z、A、C轴向的并联运动共同构成的运动环境中实现三维五轴运动。

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