CN102528279A - 一种三维激光切割机 - Google Patents

Abstract

一种三维激光切割机，涉及三维五轴数控激光切割机的切割头驱动机构。运动轨迹控制更加简单容易的串联机构，使得结构更加简化，后续控制编程更加方便，操控性更优越。包括切割头驱动机构，所述切割头驱动机构包括支座、电机α、电机β、双联齿轮、反射镜组一和反射镜组二。利用兼有导光作用的两个壳体件的相对转动，从而能够实现对产品进行三维立体切割。在加工中一方面能实现“避让”；另一方面也使得有效行程更大，切割空间更大。保证在切割过程中焦点位置以及切割头喷嘴与待切割零件表面间的距离保持恒定，使得切割质量更加稳定。本发明体积小、重量轻，结构简单，大幅度降低了制造成本，使得成本低廉。

Description

一种三维激光切割机

技术领域

本发明涉及三维五轴数控激光切割机，尤其涉及三维五轴数控激光切割机的切割头驱动机构。

背景技术

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，具有极其广阔的应用前景，而目前三维激光切割机完全国外进口。为完善数控激光切割机产品系列，加强企业的自主创新能力，本申请人自2011年起对三维五轴数控激光切割机及激光头驱动机构进行了自主研发和创新设计。于2011.8.16.向国家知识产权局同时提出了名称为“一种混联五轴激光切割机，201110233707.3”、“一种少自由度并联五轴数控激光切割机，201110234063.X”以及“一种三维五轴数控激光切割机，201110234262.0”三项专利申请。这三项专利的技术方案都是以并联机构为基础来实现对激光头的五轴运动的控制，具有结构轻巧灵便、惯性小、响应速度快、精度高、刚性大、适应性强以及技术附加值高等诸多突出优点。但是随着研究工作的不断深入，我们发现上述以并联机构为基础的技术方案属于多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。虽然机械机构简单，但是运动轨迹的控制非常复杂，技术转化难度大，研发制造困难。

现有技术中在控制方面还有“一点指向式”和“偏置式”两种串联机构的技术方案。“一点指向式”切割头体积大，在切割深孔时极易产生机械干涉碰撞；其机构需4块镜片反射激光，使得能量损耗大，此外镜片费用高，调校复杂。“偏置式”旋转机构均是采用扭矩电机驱动，体积大、重量大、精度不高。且价格昂贵。前述两种串联机构技术完全掌握在国外，国内没有。例如某国外品牌的切割头旋转机构价格高达40-50万人民币，可以说如果没有自主研发的切割头旋转机构，三维激光切割机的研发就是一纸空谈。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种运动轨迹控制更加简单，技术转化更容易，研发制造成本更加低廉的基于串联机构的三维激光切割机。使得机械机构更加简单，后续编程控制更加方便，操控性更加优越。

本发明的技术方案是：包括切割头驱动机构，所述切割头驱动机构包括支座、电机α、电机β、双联齿轮、反射镜组一和反射镜组二；

所述支座包括具有中孔的支座板，支座板中部设有垂直于板体的筒，所述电机α和电机β分别固定连接于所述筒两侧的支座板上；

所述反射镜组一包括镜片一、壳体一和壳体一齿轮；所述壳体一具有出光口一和呈筒形的入光口一；所述壳体一齿轮设于所述筒形入光口一的外表面、且与所述筒形入光口一同轴心；

所述反射镜组二包括镜片二、壳体二和壳体二锥齿轮；所述壳体二具有入光口二和出光口二；所述壳体二锥齿轮固定连接在所述入光口二的孔口、且与所述入光口二同轴心；

所述双联齿轮活动连接在所述筒形入光口一外表面上、处于所述壳体一齿轮的下部、且与所述筒形入光口一同轴心，能相对于所述壳体一自由转动、且轴向固定；所述双联齿轮包括直齿轮和锥齿轮、所述直齿轮位于所述锥齿轮的上部；

所述壳体一的筒形入光口一枢接于所述支座的筒内；所述壳体一齿轮处于所述支座板下方；

所述电机α的电机轴贯穿所述支座板，通过联接齿轮啮合所述壳体一齿轮，驱动所述壳体一绕所述支座的筒的轴心作旋转运动；

所述电机β的电机轴贯穿所述支座板，通过联接齿轮啮合所述双联齿轮的直齿轮，驱动所述双联齿轮旋转；

所述壳体二的入光口二与所述壳体一的出光口一枢接；所述双联齿轮中的锥齿轮与所述壳体二锥齿轮啮合，进而驱动所述壳体二绕所述壳体一出光口的轴心旋转；

所述切割头固定连接在所述壳体二的出光口二上。

所述入光口一与出光口一之间呈90°夹角；所述入光口二与所述出光口二之间呈90°夹角。

电机α、电机β和所述支座的筒的轴心相互平行。

所述驱动机构还包括切割头随动机构，使得切割头相对于所述壳体二上出光口二的轴线做轴向运动；所述切割头随动机构包括具有中孔的固定座和活动连接在固定座中孔内的筒形驱动座；固定座固定连接于所述出光口二的口部，所述切割头固定连接在所述驱动座的底部。

所述固定座中孔内设有液压缸腔；所述驱动座的外壁中部设有起活塞作用的台阶圆，所述的驱动座外壁上的台阶圆与所述固定座中孔内的液压缸腔密封；驱动座的外圆柱面与固定座的内圆柱面相互配合，使得驱动座能够相对于固定座作往复直线运动。

在所述固定座底面开设有深孔，所述深孔平行于所述出光口二的轴线；所述驱动座底部的侧面通过连接杆固定连接一定向杆，所述定向杆伸入所述深孔内、与所述深孔同轴心。

所述固定座外侧设有直线电机定子；所述驱动座下部通过L形连杆固定连接有直线电机动子；所述直线电机动子贴合在所述直线电机定子上。

所述驱动座外表面开设有轴向定位槽，所述固定座开设有垂直于中孔的定位孔，所述定位孔内设有定位销，所述定位销伸入所述定位槽内。

所述固定座外侧设有由带/链传动机构驱动的螺杆，所述螺杆轴线平行于所述固定座中孔轴线；所述驱动座底部外侧通过连接杆固定连接有螺母；所述螺母连接所述螺杆。

所述驱动座外表面开设有轴向定位槽，所述固定座开设有垂直于中孔的定位孔，所述定位孔内设有定位销，所述定位销伸入所述定位槽内。

目前基于串联机构的三维激光切割机的五轴运动主要包括X、Y、Z轴直线运动，旋转轴α轴、β轴运动。其中X、Y、Z轴的直线运动与常规的二维激光切割机基本相同，其核心技术就是如何设计一个轻便、灵巧的激光头旋转机构来实现α轴、β轴的精确、快速转动，可以说三维五轴数控激光切割机研发的关键就是激光头旋转机构的自主研发。

为此本发明提出一种运动轨迹控制更加简单容易的串联机构的三维五轴数控激光切割机，特别是对切割头旋转机构进行了创新设计。主要特点是：

第一、利用兼有导光作用的两个壳体间的相对转动(β轴运动)以及壳体一相对于Z轴的相互转动(α轴运动)，结合X、Y、Z向运动形成五轴运动，从而能够实现对产品进行三维立体切割。    

第二、壳体二在壳体一的带动下能够相对于Z轴旋转，在加工中一方面能使切割头处于“远方”，进而避免与零部件发生碰撞，能够有效地实现“避让”；另一方面也使得有效行程相对于现有技术的范围更大，切割空间更大。

第三，在对三维零件进行空间曲线切割时，待切割零件表面经常有不规则的情况，本发明独创地设置了切割头随动机构，它能保证在切割过程中焦点位置以及切割头喷嘴与待切割零件表面间的距离保持恒定，使得切割质量更加稳定，同时避免了切割头与待切割零件间的碰撞。  

此外，本发明机械啮合(传动)部分与光路传输部分完全隔离开，从根本上解决了传动部件对光路的污染。且本发明的旋转机构，传动结构都是最为简单的齿轮、锥齿轮、普通的伺服电机、且两个电机都位于旋转机构的上部，使得旋转机构的体积很小。与现有技术中一点指向式的相比，本发明的机构切割范围更大、切割能力更强、体积更小、重量更轻、光路的密封性更好、尤其对一些深孔的加工能力更强。

   采用偏置式旋转机构一般情况下X、Y、Z的有效切割空间为X、Y、Z有效行程减去2倍的切割头偏置长度。而本发明的切割头旋转机构由于其结构更加精巧、偏置距离更小，在相同的X、Y、Z行程下，有效X、Y、Z切割空间更大。与“一点指向式”、“偏置式”旋转机构相比，本发明体积小、重量轻，采用普通的伺服电机和简单的传动机构即可以实现三维切割，且结构简单，相对于现有技术中“一点指向式”和“偏置式”而言，大幅度降低了制造成本，使得成本低廉。

附图说明

图1是本发明外部结构示意图，

图2是本发明的结构示意图，

图3是本发明工作状态参考图一，

图4是本发明工作状态参考图二，

图5是本发明中切割头随动机构第一实施例的结构示意图，

图6是图5的工作状态变化图，

图7是本发明中切割头随动机构第二实施例的结构示意图，

图8是图7的工作状态变化图，

图9是本发明中切割头随动机构第三实施例的结构示意图，

图10是图9的工作状态变化图；

图中1是支座，10是α轴，11是电机α，110是联接齿轮一，12是电机β，120是联接齿轮二，13是筒，

2是壳体一，20是镜片一，21是壳体一齿轮，22是双联齿轮，221是直齿轮，222是锥齿轮，23是入光口一，24是β轴，

3是壳体二，30是镜片二，31是壳体二锥齿轮，

4是切割头，40是W轴，

5是光束，

611是驱动座，612是固定座，

6111是台阶圆，6112是定向杆，6121是液压缸腔，6122深孔，6123是油口一，6124是油口二，

621是驱动座，622是固定座，

6211是动子，6212是定位槽，6213是L形连杆，6221是定子，6222是定位销，

631是驱动座，632是固定座，

6311是螺母，6312是定位槽，6321是螺杆，6322是定位销，6323是带链传动机构。

具体实施方式

本发明如图1-4所示：包括切割头4驱动机构，所述切割头驱动机构包括支座1、电机α11、电机β12、双联齿轮22、反射镜组一和反射镜组二；

所述支座1包括具有中孔的支座板，支座板中部设有垂直于板体的筒13，所述电机α11和电机β12分别固定连接于所述筒13两侧的支座板上（筒13轴心为α轴10）；

所述反射镜组一包括镜片一20、壳体一2和壳体一齿轮21；所述壳体一2具有出光口一和呈筒形的入光口一23；所述壳体一齿轮21设于所述筒形入光口一23的外表面、且与所述筒形入光口一23同轴心（壳体一齿轮21与壳体一2固定连为一体）；

所述反射镜组二包括镜片二30、壳体二3和壳体二锥齿轮31；所述壳体二3具有入光口二和出光口二；所述壳体二锥齿轮31固定连接在所述入光口二的孔口、且与所述入光口二同轴心（如光口二轴心为β轴24）；

所述双联齿轮22活动连接在所述筒形入光口一23外表面上、处于所述壳体一齿轮21的下部、且与所述筒形入光口一23同轴心，能相对于所述壳体一2自由转动、且轴向固定；所述双联齿轮22包括直齿轮221和锥齿轮222、所述直齿轮221位于所述锥齿轮222的上部；

所述壳体一2的筒形入光口一23枢接于所述支座的筒13内；所述壳体一齿轮21处于所述支座板的下方；

所述电机α11的电机轴贯穿所述支座板，通过联接齿轮啮合所述壳体一齿轮21，驱动所述壳体一2绕所述支座的筒13的轴心（即α轴10）作旋转运动；

所述电机β12的电机轴贯穿所述支座板，通过联接齿轮啮合所述双联齿轮22的直齿轮221，驱动所述双联齿轮22旋转；

所述壳体二3的入光口二与所述壳体一2的出光口一枢接；所述双联齿轮22中的锥齿轮222与所述壳体二锥齿轮31啮合，进而驱动所述壳体二3绕所述壳体一出光口的轴心（即β轴）旋转；

所述切割头4固定连接在所述壳体二3的出光口二上。

所述入光口一23与出光口一之间呈90°夹角；所述入光口二与所述出光口二之间呈90°夹角。

电机α11、电机β12和所述支座的筒13的轴心相互平行。

工作状态如图2、3、4，需要说明的是：旋转机构作绕α轴10旋转时，电机α11动作，同时需要电机β12跟随动作；而旋转机构绕β轴24旋转时，电机β12动作，无需电机α11跟随动作。本发明的机构能驱动切割头4进行围绕α轴10、β轴24的全向旋转运动，协同X、Y、Z方向的直线运动能够实现三维切割加工。光束5处于壳体一2、壳体二3内部的较短路径上，与外界隔绝，不会出现光路污染和光能损失。

为了进一步适应三维立体加工以及零件表面凹凸不平情况的加工。所述驱动机构还包括切割头随动机构（实现的是轴向的直线运动），使得切割头相对于所述壳体二3上出光口二的轴线（即W轴40）做轴向运动；所述切割头随动机构包括具有中孔的固定座和活动连接在固定座中孔内的筒形驱动座；固定座固定连接于所述出光口二的口部，所述切割头4固定连接在所述驱动座的底部。

切割头随动机构实施例一如图5、6所示：所述固定座612中孔内设有液压缸腔6121；所述驱动座611的外壁中部设有起活塞作用的台阶圆6111，所述的驱动座611外壁上的台阶圆6111与所述固定座612中孔内的液压缸腔6121密封；驱动座的外圆柱面与固定座的内圆柱面相互配合，使得驱动座能够相对于固定座作往复直线运动。当然固定座的液压缸腔6121需设置油口一6123和油口二6124，用于连接液压油源。

在所述固定座612底面开设有深孔6122，所述深孔6122平行于所述出光口二的轴线；所述驱动座611底部的侧面通过连接杆固定连接一定向杆6112，所述定向杆6112伸入所述深孔6122内、与所述深孔6122同轴心。

切割头随动机构实施例二如图7、8所示：所述固定座622外侧设有直线电机定子6221；所述驱动座621下部通过L形连杆6213固定连接有直线电机动子6211；所述直线电机动子6211贴合在所述直线电机定子6221上。

所述驱动座621外表面开设有轴向定位槽6212，所述固定座622的外表面开设有垂直于中孔的定位孔，所述定位孔内设有定位销6222，所述定位销6222伸入所述定位槽6212内。

切割头随动机构实施例三如图9、10所示：所述固定座632外侧设有由带/链传动机构6323驱动的螺杆6321，所述螺杆6321轴线平行于所述固定座632中孔轴线；所述驱动座631底部外侧通过连接杆固定连接有螺母6311；所述螺母6311连接所述螺杆6321。

所述驱动座631外表面开设有轴向定位槽6312，所述固定座632开设有垂直于中孔的定位孔，所述定位孔内设有定位销6322，所述定位销6322伸入所述定位槽6312内。

随动机构的工作原理为：三维五轴激光切割机在空间立体切割过程中，待切割零件有不规则的凹凸（实际切割零件的外形与数控系统中的理论的理想的模型间的差别）不平，这样在切割过程中焦点以及切割头的喷嘴与零件的距离就会时刻发生变化，使得切割质量不稳定，甚至切割头会发生碰撞。

设置在切割头上的传感器实时将切割头与零件间的距离信号反馈给数控系统，数控系统根据反馈信号对随动机构进行驱动，实时对焦点位置及喷嘴与零件的距离进行调整，保证距离恒定，保证切割质量的稳定，避免碰撞。

Claims (10)

1.一种三维激光切割机，包括切割头驱动机构，其特征在于，所述切割头驱动机构包括支座、电机α、电机β、双联齿轮、反射镜组一和反射镜组二；

所述支座包括具有中孔的支座板，支座板中部设有垂直于板体的筒，所述电机α和电机β分别固定连接于所述筒两侧的支座板上；

所述反射镜组一包括镜片一、壳体一和壳体一齿轮；所述壳体一具有出光口一和呈筒形的入光口一；所述壳体一齿轮设于所述筒形入光口一的外表面、且与所述筒形入光口一同轴心；

所述反射镜组二包括镜片二、壳体二和壳体二锥齿轮；所述壳体二具有入光口二和出光口二；所述壳体二锥齿轮固定连接在所述入光口二的孔口、且与所述入光口二同轴心；

所述双联齿轮活动连接在所述筒形入光口一外表面上、处于所述壳体一齿轮的下部、且与所述筒形入光口一同轴心，能相对于所述壳体一自由转动、且轴向固定；所述双联齿轮包括直齿轮和锥齿轮、所述直齿轮位于所述锥齿轮的上部；

所述壳体一的筒形入光口一枢接于所述支座的筒内；所述壳体一齿轮处于所述支座板下方；

所述电机α的电机轴贯穿所述支座板，通过联接齿轮啮合所述壳体一齿轮，驱动所述壳体一绕所述支座的筒的轴心作旋转运动；

所述电机β的电机轴贯穿所述支座板，通过联接齿轮啮合所述双联齿轮的直齿轮，驱动所述双联齿轮旋转；

所述壳体二的入光口二与所述壳体一的出光口一枢接；所述双联齿轮中的锥齿轮与所述壳体二锥齿轮啮合，进而驱动所述壳体二绕所述壳体一出光口的轴心旋转；

所述切割头固定连接在所述壳体二的出光口二上。

2.根据权利要求1所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述入光口一与出光口一之间呈90°夹角；所述入光口二与所述出光口二之间呈90°夹角。

3.根据权利要求1所述的一种三维激光切割机，其特征在于，电机α、电机β和所述支座的筒的轴心相互平行。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述驱动机构还包括切割头随动机构，使得切割头相对于所述壳体二上出光口二的轴线做轴向运动；所述切割头随动机构包括具有中孔的固定座和活动连接在固定座中孔内的筒形驱动座；固定座固定连接于所述出光口二的口部，所述切割头固定连接在所述驱动座的底部。

5.根据权利要求4所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述固定座中孔内设有液压缸腔；所述驱动座的外壁中部设有起活塞作用的台阶圆，所述的驱动座外壁上的台阶圆与所述固定座中孔内的液压缸腔密封；驱动座的外圆柱面与固定座的内圆柱面相互配合，使得驱动座能够相对于固定座作往复直线运动。

6.根据权利要求5所述的一种三维激光切割机，其特征在于，在所述固定座底面开设有深孔，所述深孔平行于所述出光口二的轴线；所述驱动座底部的侧面通过连接杆固定连接一定向杆，所述定向杆伸入所述深孔内、与所述深孔同轴心。

7.根据权利要求4所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述固定座外侧设有直线电机定子；所述驱动座下部通过L形连杆固定连接有直线电机动子；所述直线电机动子贴合在所述直线电机定子上。

8.根据权利要求7所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述驱动座外表面开设有轴向定位槽，所述固定座开设有垂直于中孔的定位孔，所述定位孔内设有定位销，所述定位销伸入所述定位槽内。

9.根据权利要求4所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述固定座外侧设有由带/链传动机构驱动的螺杆，所述螺杆轴线平行于所述固定座中孔轴线；所述驱动座底部外侧通过连接杆固定连接有螺母；所述螺母连接所述螺杆。

10.根据权利要求9所述的一种三维激光切割机，其特征在于，所述驱动座外表面开设有轴向定位槽，所述固定座开设有垂直于中孔的定位孔，所述定位孔内设有定位销，所述定位销伸入所述定位槽内。

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