CN102848110A

CN102848110A - 双心共点万向动摆机构

Info

Publication number: CN102848110A
Application number: CN2012103782302A
Authority: CN
Inventors: 曾继跃; 张仕进
Original assignee: SHANGHAI LIONS TEK TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Roufeng Machinery Technology (Jiangsu) Co., Ltd.
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102848110B

Abstract

本发明提供了一种双心共点万向动摆机构，包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂、夹持装置和介质通道；第一驱动单元的输出端与旋转臂相连，夹持装置安装在旋转臂上，与旋转臂联动；第二驱动单元的输出端与夹持装置相连，夹持装置用于夹持切割头，介质通道用于向切割头内送入工作介质。本发明能够消除高能束在射入点及射出点流态不同所造成的转角、圆弧误差和切缝锥度误差。同时由至少四个旋转接头组成的介质通道组成一刚性连接的四连杆机构，该四连杆机构可配合切割头的任意摆动，实现高能束介质的传输。由于没有垂直或近似垂直旋转轴的存在，切割头连续作圆周锥面切割时，不会绕自身轴线旋转，因而避免了切割头所接管路和电缆的缠绕问题。

Description

双心共点万向动摆机构

技术领域

本发明属于高能束加工技术领域，具体涉及一种用于调整高能束加工中切割头角度的双心共点万向动摆机构。

背景技术

在高能束切割（比如水刀、激光、等离子弧）过程中，流束在被切割材料的作用下会自然向后弯曲，如图1所示，流束经磨料喷嘴21喷出，切割方向为由左向右，在工件22上流束的射入点23和射出点24不在同一条垂线上，射出点24一般滞后于射入点23。由于射出点24滞后于射入点23，高能束切割的材料表面一般具有以下缺陷：

缺陷1：在切到转角处需要改变切割方向时，由于流束射出点的滞后，流束上下不能同步转向，造成转角处出现形状误差（如图2）。

缺陷2：在切割圆弧时，切割方向随时需要改变，由于流束射出点的滞后，流束上下不能同步转向，造成小圆弧处的形状误差（如图3）。

缺陷3：流束与材料发生作用时，在靠近射入点被切割材料的上部，由于流束的能量较大，可以迅速切除材料，但随着切割深度的增加，流束的能量逐渐衰减，切割能力下降。由于上述原因，流束在射入点的流型与在射出点的流型不一样，从而导致该流束切出的切缝产生形状误差（如图4所示）。

上述形状误差实际上是可以消除的。举例说，要消除由于射出点滞后于射入点造成的转角误差及圆弧误差，可以采用放慢切割速度的方法。此外，为消除由于射出点与射入点的流型不一致造成的切缝锥度误差，可以采用放慢切割速度及将切割头侧向摆动一个小角度的方法。上述两种方法中，放慢速度的方法可以消除形状误差，但效率非常低，造成成本的极大浪费。毫无疑问，将切割头偏摆一个角度不但可以消除上述形状误差，而且效率较高，此外，偏摆角度的切割头还可以切割包括不同角度的锥面，扩大了高能束切割的应用范围。

要想实现切割头切割时朝任意方向偏摆一个角度，至少需要增加两个自由度，即将三轴机构变为一个五轴机构。目前用于高能束切割的五轴切割头可归纳为以下几种：1、切割头偏摆中心不在射入点，偏摆时，射入点的空间绝对坐标位置发生改变，必须通过X、Y、Z运动轴的同步运动对切割头进行精确补偿。这种方法的优势在于设计简单，劣势在于补偿要求高，不易实现精密控制。2、切割头的偏摆中心在射入点，比如两个旋转自由度由一个绕垂直轴转动的自由度及一个摆动自由度组成，这种切割头的优势在于：射入点与旋转自由度的转动中心重合，运动时不需要X、Y、Z自由度的同步补偿。劣势在于：垂直旋转轴会导致切割头所接的管路及电缆出现缠绕问题。3、切割头的偏摆中心与射入点近似重合，与第一种方法相比，这种切割头的优势在于所需要的补偿量较小，容易实现精确补偿，劣势在于设计比较复杂，容许的偏摆角小。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种双心共点万向动摆机构；该双心共点万向动摆机构既可保证切割头的射入点重合于两个旋转自由度的旋转中心，避免了旋转运动时的X、Y、Z同步补偿问题；又可避免切割头绕自身轴线旋转，不会形成管路及电缆的缠绕问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种双心共点万向动摆机构，其特征在于，包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂、夹持装置和介质通道；

第一驱动单元的输出端与旋转臂相连，用于驱动旋转臂绕第一旋转轴转动；夹持装置安装在旋转臂上，与旋转臂联动；第二驱动单元的输出端与夹持装置相连；夹持装置用于夹持切割头，并可带动切割头绕第二旋转轴转动；第一旋转轴与工件表面夹角小于70°，第二旋转轴与工件表面平行，第一旋转轴与第二旋转轴成直角相交，交点为旋转中心；切割头轴线与工件表面的交点与所述旋转中心重合；

所述介质通道用于向切割头内送入工作介质；介质通道包括至少四个旋转接头，第一旋转接头安装在第一驱动单元上，用于与外部介质源相连；第一旋转接头的中心轴线与第一旋转轴重合，第二旋转接头安装在旋转臂上；第三旋转接头悬空安装在旋转臂和夹持装置外部；第四旋转接头安装在切割头上，与切割头的相对位置固定，用于向切割头内输送工作介质；第一旋转接头、第二旋转接头、第三旋转接头和第四旋转接头依次通过刚性管道连通。

进一步的，所述夹持装置包括回转杆、固定杆、连接杆、第一联动杆和第二联动杆，回转杆与第二驱动单元的输出端相连；连接杆的两端分别与回转杆和固定杆铰接，固定杆用于固定切割头；第一联动杆与回转杆平行且等长，两端分别与旋转臂和连接杆铰接，第二联动杆与连接杆平行且等长，两端分别与回转杆和固定杆铰接，中间与第一联动杆铰接；旋转臂与回转杆的铰接点、回转杆与连接杆的铰接点、连接杆与第一联动杆的铰接点、第一联动杆与旋转臂的铰接点依次首尾相连构成一平行四边形结构；第一联动杆与旋转臂的铰接点、连接杆与第一联动杆的铰接点、连接杆与固定杆的铰接点、切割头轴线与工件表面的交点依次首尾相连构成另一平行四边形结构。

进一步的，所述第二驱动单元包括第二电机和连接板，第二电机安装在旋转臂上，连接板与第二电机的输出轴固定连接；连接板上设置有一滑轨，回转杆上设置有一滑块，滑块与滑轨相互配合实现滑移。

本发明所述的双心共点万向动摆机构是一个具备两个旋转轴的切割头夹持机构，该夹持机构在第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂、夹持装置及介质通道等的共同作用下，能够实现切割头以射入点为转动中心在偏摆角度不大于设定值的情况下向任意方向偏摆；在切割过程中，可通过该双心共点万向动摆机构调整切割头的角度，消除高能束在射入点及射出点流态不同所造成的转角、圆弧误差和切缝锥度误差。此外切割头的可调倾角可允许工件的任意斜边切割，大大增加了工艺柔性。同时，本发明所述的双心共点万向动摆机构中由至少四个旋转接头组成的介质通道组成一刚性连接的四连杆机构，该四连杆机构可配合切割头的任意摆动，实现高能束介质的传输。由于没有垂直或近似垂直旋转轴的存在，保证了当切割头连续作圆周锥面切割时不会造成切割头绕自身轴线的旋转，因而避免了切割头所接管路和电缆的缠绕问题。

附图说明

图1为水刀切割材料时显现的自然弯曲现象示意图；

图2为射出点滞后于射入点在转角处造成的转角形状误差示意图；

图3为射出点滞后于射入点造成的圆弧形状误差示意图；

图4 为射流切割效率随切割深度增加而降低造成的锥度误差示意图；

图5为双心共点万向动摆机构的左视图；

图6为双心共点万向动摆机构的右视图；

图7 为双心共点万向动摆机构的旋转轴示意图；

图8为介质通道示意图；

图9为介质通道组成的四连杆机构图；

图10为夹持机构示意图；

图11为夹持机构组成的平行四边形结构图；

图12为双心共点万向动摆机构的工作原理图；

图中：1、旋转臂 2、切割头 3、第一旋转接头 4、第二旋转接头 5、第三旋转接头 6、第四旋转接头 7、回转杆 8、固定杆 9、连接杆 10、第一联动杆 11、第二联动杆 12、第一电机 13、安装板 14、第二电机 15、连接板 16、滑轨 17、滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，以切割头为高压水射流切割的喷嘴为例，对本发明做进一步详细的说明。

如图5-11所示，本发明提供了一种双心共点万向动摆机构，包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂1、夹持装置和介质通道；第一驱动单元的输出端与旋转臂1相连，用于驱动旋转臂1绕第一旋转轴R1转动；夹持装置安装在旋转臂1上，与旋转臂1联动；第二驱动单元的输出端与夹持装置相连；夹持装置用于夹持切割头2，并可带动切割头2绕第二旋转轴R2转动；第一旋转轴与工件表面夹角小于70°，第二旋转轴与工件表面平行，两轴成直角相交，交点为旋转中心。

所述介质通道用于向切割头2内送入工作介质，本实施例中的介质通道即为高压水通道。介质通道包括至少四个旋转接头，第一旋转接头3安装在第一驱动单元上，用于与外部介质源相连；第一旋转接头3的中心轴线与第一旋转轴R1重合，以此保证其余三个旋转接头及切割头组成的介质通道在绕第一旋转轴R1旋转时与第一旋转接头3保持连接状态；第二旋转接头4安装在旋转臂1上；第三旋转接头5悬空安装在旋转臂1和夹持装置外部；第四旋转接头6安装在夹持装置上，与切割头2的相对位置固定，用于向切割头2内输送工作介质；由于传输高压水需要刚性管道，第一旋转接头3、第二旋转接头4、第三旋转接头5和第四旋转接头6依次通过刚性管道连通。第二旋转接头4的中心点D、第三旋转接头5的中心点C、第四旋转接头6的中心点B和射入点A依次首尾相连，也可组成一四连杆结构，如此可使切割头2在绕第二旋转轴R2转动时与介质通道保持连接状态而不受刚性管道的约束。

所述夹持装置包括回转杆7、固定杆8、连接杆9、第一联动杆10和第二联动杆11，回转杆7与第二驱动单元的输出端相连；连接杆9的两端分别与回转杆7和固定杆8铰接，固定杆8与连接杆9铰接，固定杆8用于固定切割头2；第一联动杆10与回转杆7平行且等长，两端分别与旋转臂1和连接杆9铰接，第二联动杆11与连接杆9平行且等长，两端分别与回转杆7和固定杆8铰接，中间与第一联动杆10铰接。旋转臂1与回转杆7的铰接点E、回转杆7与连接杆9的铰接点J、连接杆9与第一联动杆10的铰接点G和第一联动杆10与旋转臂1的铰接点F依次首尾相连构成一平行四边形结构。同时第一联动杆10与旋转臂1的铰接点F、连接杆9与第一联动杆10的铰接点G、连接杆9与固定杆8的铰接点H、切割头轴线与工件表面的交点A依次首尾相连构成另一平行四边形。

夹持装置还可以采用其他结构形式，比如把固定杆8和第一联动杆10合并为一个零件，去掉第二联动杆11，前面所提到的二个平行四边形E-J-G-F和F-G-H-A也就合并为一个平行四边形E-J-H-A，但因此造成铰接点F与射入点A重合，会使该结构的应用受到很大的限制。

所述第一驱动单元包括第一电机12，第一电机12通过一安装板13固定在三轴或者二轴机床上，由三轴或者二轴机床带动；第一电机12带动旋转臂1和安装在旋转臂1上的第二驱动单元及夹持装置绕着第一旋转轴R1转动。第一驱动单元的结构还可以为其他的设计，比如在第一电机输出端加上一个齿轮减速箱。

所述第二驱动单元包括第二电机14和连接板15，第二电机14安装在旋转臂1上，连接板15与第二电机14的输出轴固定连接；连接板15上设置有一滑轨16，回转杆7上设置有一滑块17，滑块17与滑轨16相互配合实现滑移，从而带动回转杆7绕其与旋转臂1的铰接点E转动。回转杆7为夹持装置中的主动杆，回转杆7的运动可带动整个平行四边形结构运动，进而实现切割头2的偏摆。第二驱动单元的结构还可以为其他的设计，比如在第二电机输出端加上一个齿轮或皮带减速机构。

如图12所示，O点为切割头的旋转中心，OA代表切割头位置，在第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂、夹持装置及介质通道等的共同作用下，切割头OA可随意占据图12所示OB、OC、OD、OE、OF、OG等位置。

本发明所述双心共点万向动摆机构的工作过程为：

介质流经介质通道，从切割头喷出，形成高能束流，此高能束流可用来切割各种材料。切割过程中，为了消除形状误差，切割头需要在任意方向上偏摆一个角度，此偏摆角度可以通过两个旋转自由度实现，举例说，在第一旋转轴所在的垂直平面上偏摆角度只需要第二驱动单元单独驱动便可；工作时，第二电机14旋转，带动连接板15转动，连接板15上的滑轨16带动滑块17及回转杆7一起转动，进一步带动整个平行四边形机构转动，从而实现切割头绕旋转轴R2的摆动，摆动的方向由第二电机的旋转方向决定。在除第一旋转轴R1所在的垂直平面以外的垂直平面上的偏摆则必须由第一驱动单元和第二驱动单元的组合运动实现；工作时，在第一电机12的驱动下，旋转臂1带动安装于其上的切割头夹持机构绕R1轴旋转，而第二驱动单元则以上述方式运动，两者配合实现切割头在除第一旋转轴R1所在的垂直平面以外的垂直平面上的偏摆。切割头偏摆时，由于有四个旋转接头的存在，刚性连接的四连杆机构也可配合切割头的任意摆动，实现高能束介质的传输。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本发明所述的双心共点万向动摆机构也不局限于应用在高压水射流切割领域，还可以应用在其他需要调整切割头角度的领域。本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种双心共点万向动摆机构，其特征在于，包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂、夹持装置和介质通道；

2.根据权利要求1所述的双心共点万向动摆机构，其特征在于，所述夹持装置包括回转杆、固定杆、连接杆、第一联动杆和第二联动杆，回转杆与第二驱动单元的输出端相连；连接杆的两端分别与回转杆和固定杆铰接，固定杆用于固定切割头；第一联动杆与回转杆平行且等长，两端分别与旋转臂和连接杆铰接，第二联动杆与连接杆平行且等长，两端分别与回转杆和固定杆铰接，中间与第一联动杆铰接；旋转臂与回转杆的铰接点、回转杆与连接杆的铰接点、连接杆与第一联动杆的铰接点、第一联动杆与旋转臂的铰接点依次首尾相连构成一平行四边形结构；第一联动杆与旋转臂的铰接点、连接杆与第一联动杆的铰接点、连接杆与固定杆的铰接点、切割头轴线与工件表面的交点依次首尾相连构成另一平行四边形结构。

3.根据权利要求2所述的双心共点万向动摆机构，其特征在于，所述第二驱动单元包括第二电机和连接板，第二电机安装在旋转臂上，连接板与第二电机的输出轴固定连接；连接板上设置有一滑轨，回转杆上设置有一滑块，滑块与滑轨相互配合实现滑移。