CN102854843A - 一种用于高能束加工的智能数控机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高能束加工的智能数控机床，包括介质源、介质通道、多轴联动运动系统、高能束切割头和数控系统；数控系统包括上位机和下位机；上位机内设置有CAD模块、CAM模块和CNC模块；下位机用于把多维度预规划信息分别发送给各轴的驱动器进行加工。本发明所述的用于高能束加工的智能数控机床的几何运算、切割模型和插补计算等工作均由上位机完成，能够最大程度的发挥上位机的计算功能，简化下位机的计算工作量，增加下位机工作的稳定性。同时，本发明通过设计优化的切割方案，能够有效消除由射出点和射入点流束表现形态不同引起的形状误差，有效优化切割过程，以最短时间切割出质量等级最高的工件，显著提高加工效率和加工精度。

Description

一种用于高能束加工的智能数控机床

技术领域

本发明属于高能束加工技术领域，具体涉及一种用于高能束加工的智能数控机床。

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）。

缺陷4：高能束切割材料时，被切割材料切割表面的切入切出点靠近射出点处一般会留下一块未切割的小三角区（如图5所示）。导致出现这种未切完的小三角区的主要原因也是射出点滞后于射入点。

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；而要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或将高能束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，难以为市场接受。而将高能束切割头偏摆一个小角度可以大大提高切割效率，但目前采用此种方法的高能束切割机只是部分解决了上述形状误差问题。

实际上，要想以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，需要同时满足三个条件：条件1、高能束切割头需要能沿任意方向精确偏摆一个小角度；条件2、需要一套完整的控制方案；条件3、需要一套精密控制软件。三者缺一不可。

为了以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，条件1（高能束切割头需要能沿任意方向精确偏摆一个小角度）是必须的。条件1实际上包含两层含义：A、需要一个能实现X、Y、Z方向移动及高能束切割头两个旋转运动的运动系统；B、运动系统的分辨率和精度要足够高。举例说，切割一条直线时，从起始切割点，切割速度从0开始沿进刀方向逐步增加，一直增加到一个设定值，在接近终点时，切割速度又需要逐步减少直到为0。在上述切割过程中，切割速度是变化的，并因此造成切缝锥度的变化，且变化量很细微。为了消除切缝锥度误差，高能束切割头需要侧向偏摆一个与切缝锥度对应的呈细微变化的角度。因此，仅仅实现了高能束切割头的偏摆运动还不够，还需要偏摆运动的分辨率和精度足够高，才能真正消除形状误差。同样，切割圆弧时，由于圆弧的切割线方向随时在改变，为了消除形状误差，高能束切割头在任意点均需要侧向偏摆一个小角度。

为了以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，条件2（需要一套完整的切割方案）是必须的。举例说，为了让射出点与射入点在同一条垂线上，切割直线或圆弧时，可将高能束切割头后倾一个角度；为了消除切缝锥度误差，可将高能束切割头侧偏一个小角度；为了消除切入点处经常留下的未切割三角区，可将切入线方向定为垂直于切割线的方向。采用上述切割方案可以大大提高切割效率，降低切割成本。

为了以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，条件3（需要一套精密控制软件）是必须的。举例说，切割一条直线，由于不同切割点的切割速度不一样，需要高能束切割头摆动的角度也不一样，因此，为准确消除形状误差，需要准确预测出高能束切割头在每一点偏摆的角度，这就需要一套准确的数学模型。有了数学模型的预测结果，需要有一套控制方法将数学模型的预测结果转化为多维度控制信息，该多维度控制信息包括：每根轴的速度信息、每根轴的方向信息、阀门启闭信息等。

因此，只有同时具备了上述三个条件，才能有效消除高能束切割产生的形状误差。

现有的高能束切割机床种类不少，以高压水切割机为例，当前国内外多个厂商都在生产水切割机，这些水切割机归纳起来可以分为三轴水切割机及五轴水切割机。三轴水切割机不能满足上述条件1，因此，只能通过放慢切割速度的方法来消除形状误差。当前市场上具有的五轴水切割机大体可以分为两类：A、满足条件1（高能束切割头需要能沿任意方向精确偏摆一个小角度）和条件3（需要一套精密控制软件）：B、仅部分满足条件1（高能束切割头需要能沿任意方向精确偏摆一个小角度）及条件3（需要一套精密控制软件）。上述A类五轴水切割机可以有效消除部分形状误差，如转角误差、圆弧误差、切缝锥度误差等，然而，由于缺乏一套完整的切割方案，切割过程难以得到优化，切割效率仍然不够高，此外，虽然高能束切割头可沿任意方向偏摆一个角度，但高能束切割头在旋转过程中存在管路及电缆的缠绕问题。上述B类五轴水切割机由于缺乏精密控制软件及切割方案，难以满足切割精度要求及切割效率要求。

发明内容

针对当前高能束加工存在的上述不足，本发明提供了一种能够提高加工效率和加工精度的用于高能束加工的智能数控机床。 

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种用于高能束加工的智能数控机床，包括介质源、介质通道、多轴联动运动系统、高能束切割头和数控系统；介质源与介质通道相连，用于向高能束切割头内送入工作介质；高能束切割头安装在多轴联动运动系统上，由多轴联动运动系统带动而运动；数控系统用于向多轴联动运动系统的各运动轴发出控制指令；

其特征在于，所述数控系统包括一上位机和一下位机；

所述上位机内设置有CAD模块、CAM模块和CNC模块；

CAD模块，用于将切割图形矢量化，将矢量化后的切割图形拆分成若干个线段单元；并根据加工工件和切割图形，设计切入线和切出线；

CAM模块，用于根据切割图形的各个线段单元、切入线和切出线，设计射出点在加工工件下表面运动的规划路径；并根据射出点的规划路径，设计切割方案；

CNC模块，用于根据加工工件、射出点的规划路径、切割方案和预先设计的加工工艺参数，计算出射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹，以及与多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，并把所述多维度预规划信息发送到下位机；

所述下位机，用于接收上位机中CNC模块发送的多维度预规划信息，并把多维度预规划信息分别发送给各轴的驱动器进行加工。

进一步的，所述多轴联动运动系统为两轴及两轴以上联动运动系统。

进一步的，所述多轴联动运动系统为五轴联动运动系统，所述五轴联动运动系统包括一具有三个自由度的正交三轴运动系统和一具有两自由度的双心共点万向动摆机构；

所述双心共点万向动摆机构包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂和夹持装置；

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；夹持装置用于夹持高能束切割头，并可带动高能束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；高能束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高能束切割头上，与高能束切割头的相对位置固定，用于向高能束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，固定杆用于固定高能束切割头；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、高能束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，所述上位机为一PC机。

进一步的，所述切割方案包括以下的至少一种：

（a）切割外角时采用过切方法和/或高能束切割头后倾方法；

（b）切割内角时采用高能束切割头后倾方法；

（c）切割圆弧时采用高能束切割头后倾方法；

（d）消除切面自然锥度或切出设计锥度时采用高能束切割头侧向偏摆角度方法。

进一步的，所述CNC模块包括：

一路径规划子模块，用于将射出点的规划路径向切入线所在一侧偏移一个设定值，得到偏移后的规划路径，并根据偏移后的规划路径上每个线段单元的几何参数和加工工艺参数，设计出每个线段单元的理想切割速度。若切割方案为：切割外角时采用过切方法，则在位于外角位置并处于切入的一侧的线段单元之后均添加正向延长线和反向延长线；正向延长线和反向延长线的长度为该线段单元射出点后拖量的1-2倍；

一插补子模块，用于把偏移后的规划路径的每个线段单元都拆分为一条或者多条短线段，计算出每条短线段终止端点的XYZ坐标，根据每个短线段所在线段单元的理想切割速度以及速度连续性和平滑性的要求设计该短线段的切割速度，根据每个短线段的切割速度以及加工工艺参数，计算出每个短线段对应的射出点后拖量和射流锥度角，根据每个短线段的射出点后拖量和射流锥度角，计算出对应的高能束切割头后倾角度和高能束切割头侧偏角度以及偏摆方向，根据每个短线段的方位角和对应的高能束切割头后倾角度、侧偏角度以及偏摆方向，计算出与每个短线段对应的绕X轴和Y轴转动的转角分量，将每个短线段的终止端点的XYZ坐标以及相应的X轴、Y轴转角分量组成一个五个自由度的空间点，将与所有短线段对应的所有空间点连起来即构成射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹，在射入点的多维空间轨迹上选择若干个空间点作为工艺控制点，在这些工艺控制点上添加切割过程所需的操控命令，计算多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，所述多维度预规划信息包括但不限于多轴运动的电机步数、运动方向、操控命令和速度；

一数据发送子模块，用于把多维度预规划信息一次性发送到下位机；或者把多维度预规划信息以数据流的方式发送到下位机。

本发明所述的用于高能束加工的智能数控机床，通过在上位机内设置CAD模块、CAM模块和CNC模块，使得几何运算、切割模型和插补计算等工作均由上位机完成，能够最大程度的发挥上位机的计算功能，简化下位机的计算工作量，增加下位机工作的稳定性。同时，本发明通过设计优化的切割方案，能够有效消除由射出点和射入点流束表现形态不同引起的形状误差，有效优化切割过程，以最短时间切割出质量等级最高的工件，显著提高加工效率和加工精度。

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 为切入切出点靠近射出点处留下未切割三角区示意图；

图6为用于高能束加工的智能数控机床的结构图；

图7为切入线和切出线垂直于切割线示意图；

图8为切入线垂直于切割线消除未切割三角区示意图；

图9为内外角描述示意图；

图10为过切方法示意图；

图11为高能束切割头后倾方法示意图；

图12为高能束切割头侧向偏摆角度方法示意图；

图13为双心共点万向动摆机构的左视图；

图14为双心共点万向动摆机构的右视图；

图15 为双心共点万向动摆机构的旋转轴示意图；

图16为介质通道示意图；

图17为介质通道组成的四连杆机构图；

图18为夹持机构示意图；

图19为夹持机构组成的平行四边形结构图；

图20为双心共点万向动摆机构的工作原理图；

图中各标号的含义如下：

101、介质源 102、介质通道 103、多轴联动运动系统104、高能束切割头 105、数控系统  1、旋转臂  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、21、磨料喷嘴  22、工件  23、射入点  24、射出点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图6所示，本发明提供了一种用于高能束加工的智能数控机床，包括介质源101、介质通道102、多轴联动运动系统103、高能束切割头104和数控系统105；介质源101与介质通道102相连，用于向高能束切割头104内送入工作介质；高能束切割头104安装在多轴联动运动系统103上，由多轴联动运动系统103带动而运动；数控系统105用于向多轴联动运动系统103的各运动轴发出控制指令，数控系统105包括一上位机和一下位机。其中，多轴联动运动系统103为两轴及两轴以上联动运动系统，比如三轴联动运动系统或者五轴联动运动系统等。

数控系统105的上位机内设置有CAD模块、CAM模块和CNC模块；所述上位机为可以采用工控机或者PC机实现，优选为采用PC机实现，CAD模块、CAM模块和CNC模块均由软件程序来实现，可显著降低系统成本，有利于产品更新换代。CAD模块，用于生成矢量化的切割图形，将矢量化后的切割图形拆分成若干个线段单元；并根据加工工件和切割图形，设计切入线和切出线；CAM模块，用于根据切割图形的各个线段单元、切入线和切出线，设计射出点在加工工件下表面运动的规划路径；并根据射出点的规划路径，设计切割方案；CNC模块，用于根据加工工件、射出点的规划路径、切割方案和预先设计的加工工艺参数，计算出射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹，以及与多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，并把所述多维度预规划信息发送到下位机。

数控系统105的下位机，用于接收上位机中CNC模块发送的多维度预规划信息，并把多维度预规划信息分别发送给各轴的驱动器进行加工。

下面对数控系统105的上位机做进一步详细的说明。

CAD模块，用于生成矢量化的切割图形，将矢量化后的切割图形拆分成若干个线段单元；并根据加工工件和切割图形，设计切入线和切出线；所述线段单元定义为由同一线素组成的一段连续图线。若矢量图中包含有由不同线素组成的连续图线，则需要将该连续图线拆分成由同一线素组成的图线。切入线和切出线的设计分两种情形：

情形1、切割图形只包含一个封闭区域，此种情形下，只需设计一条切入线及一条切出线，且切入、切出线应设计在该封闭区域的外面，设计时，操作者可根据自己的意愿任意选择切入、切出点的位置。比如在切割图形附近任意选择一点，根据所选择的点找出切割图形上离该点最近线段单元的垂足点，该垂足点便可为切入点或切出点。

情形2、切割图形包含若干个封闭区域，此种情形下，每个封闭区域要么为外封闭区域，要么为内封闭区域。所述外封闭区域指该区域包含其它封闭区域，所述内封闭区域指该区域包含于其它封闭区域。对于每一外封闭区域，需要设计一条切入线及一条切出线，且切入、切出线在该封闭区域的外面；对于每一内封闭区域，同样也需要设计一条切入线及一条切出线，但切入、切出线在该区域的里面。同样，操作者可以根据自己意愿任意选择切入、切出点的位置。

定出切入、切出线所属区域后，下一步需要确定切入线和切出线的长度及方向，切入线的长度应不小于磨料喷嘴的直径，但切入线也不宜过长，过长的切入线只会增加加工路径和加工成本；切出线的长度越短越好，最短可以为零。切入、切出线方向的优选的设计方案为：切入线的方向垂直于切割线，且切入点和切出点重合；所述切割线为切割图形上切入点所在的直线或者为切割图形在切入点的切线。如图7所示，图中A1、A2、A3、A4分别为四组切入、切出线。

切入线垂直于切割线的优势是：切入和切出时流束底部的滞后量相匹配，以消除两者不匹配时留下的三角区误差。如图8所示，切入、切出点为O点，切入线AO垂直于切割线，当射流从A点进入至O点并转向B点时，由于射出点滞后于射入点，切割面上流束线如OD所示，当射流从C点回至O点时，同样由于射出点滞后于射入点，切割面上流束线也为OD，这样，可有效去除未切割三角区。

CAM模块，用于根据切割图形的各个线段单元、切入线和切出线，设计射出点在加工工件下表面运动的规划路径；并根据射出点的规划路径，设计切割方案。 

如果有多条切入线和多条切出线，则要添加上一个切出线与下一个切入线的非加工连线；可以采用最短路径法来添加非加工连线，当然也可以采用其他方法，比如自由设定等。

将所有切入线、切割图形的各个线段单元、切出线和非加工连线排序形成一个前后相连的单向运动路径轨迹，该路径即为射出点在加工工件下表面运动的切割路径轨迹。

若仅有一条切入线和一条切出线，则切入线、切割图形和切出线相连就构成了射出点在加工工件下表面运动的切割路径轨迹。

切割方案包括以下各方法中的一种或多种：

（a）切割外角时采用过切方法和/或高能束切割头后倾方法；

（b）切割内角时采用高能束切割头后倾方法；

（c）切割圆弧时采用高能束切割头后倾方法；

（d）消除切面锥度或切出设计锥度时采用高能束切割头侧向偏摆角度方法。

其中，本发明中所述的内、外角定义如下：

如图9所示，线段AO及OB交于O点，组成角∠AOB，切割时，为补偿刀具半径，需要找到线段的偏移路径。图8中线段AO的偏移线段可为CP或EQ，线段OB的偏移线段可为PD或QF，因此，偏移线段组成的角可为角∠CPD或∠EQF，交点分别为P点及Q点。若偏移线段在交点端的延长线可与原线段相交，则该偏移线段组成的角称为内角；若不能相交，则为外角。

具体采用哪种切割方案是根据切割路径轨迹的特征来确定的，如切割内角只能采用高能束切割头后倾方法。但切割外角时，操作者可以根据自己意愿选择过切方法或高能束切割头后倾方法或者同时采用过切方法和高能束切割头后倾方法。

过切方法的具体实现步骤为：

（a）检测切割路径轨迹上是否存在外角（可在绘图软件上进行），若存在，则在外角的第一条边线AB上自动或手动添加其正向延长线BE及反向延长线EB（如图10所示），延长线BE的长度与高能束刀刃在B点的后拖量相关，是后拖量的1-2倍。

后拖量与切割速度呈线性关系，且随被切割材料的厚度增加而增加。因此，根据切割速度以及加工工件的厚度，便可计算出后拖量的大小，具体计算方法为本领域的现有技术，本发明中不再赘述，可参见：“cutting of steam turbine components using an abrasive water jet”，in A. Lichtarowicz(Ed), Jet Cutting Technology-Proceedings of the 11th International Conference on Jet Cutting Technology, StAndrews, Scotland, September8-10,pp543-554）。

（b）控制高能束刀刃沿外角的第一条边线AB切割至转角B时不减速； 

（c）沿延长线BE继续切割至端点E后，再急剧减速；

（d）快速反向沿延长线EB返回转角B；

（e）急剧加速开始切割第二条边线BC。

本发明通过过切方法来消除形状误差，与现有的通过放慢速度消除射出点和射入点的滞后量的方法相比，过切方法可以以更快的速度切拐角，且不会因放慢速度而造成的形状误差，因此，切割效率更高、切割精度更高。

高能束切割头后倾方法的具体实现步骤为：

调整高能束切割头向后倾斜一个角度，如图11所示，即调整高能束切割头在XOZ平面上向切割方向（X正向）的反方向倾斜一个角度，使得流束底部与顶部处于同一根竖直线上；倾斜角度大小的确定方法为：首先计算后拖量的大小，之后根据加工工件的厚度计算出射入点与射出点连线和竖直线之间的夹角，该夹角即为高能束切割头向后倾斜的角度。高能束切割头后倾方法可消除由于流束底部的滞后量所造成的形状误差。高能束切割头后倾方法不仅效率高，而且不会引入切缝形状的改变。

高能束切割头侧向偏摆角度方法的具体实现步骤为：调整高能束切割头，把高能流束侧向摆动一个角度，如图12所示，即调整高能束切割头在YOZ平面（垂直于切割方向的平面）上摆动一个角度，所述角度与切缝的锥角相等。对于水切割而言，被切割表面的锥度与切割速度、磨料喷嘴直径大小、磨料颗粒大小、磨料流量及切割压力成一定的函数关系，此为本领域的现有技术，本发明中不再赘述，具体可参见Annoni,M.& Monno,M(2000)”A lower limit for the feed rate in AWJ precision machining”,in Proceedings of the 15th International Conference on Jetting Technology,Ronneby,Sweden,Sepember 6-8,pp 285-296），因此，根据上述加工工艺参数和函数关系便可计算出切缝的锥角。要消除锥角，只要将高能流束侧向摆动与锥角相等的角度即可。

CNC模块，用于根据加工工件、射出点的规划路径、切割方案和预先设计的加工工艺参数，计算出射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹，以及与多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，并把所述多维度预规划信息发送到下位机。

所述CNC模块包括：

一路径规划子模块，用于将射出点的规划路径向切入线所在一侧偏移一个设定值，得到偏移后的规划路径，并根据偏移后的规划路径上每个线段单元的几何参数和加工工艺参数，设计出每个线段单元的理想切割速度。若切割方案为：切割外角时采用过切方法，则在位于外角位置并处于切入的一侧的线段单元之后均添加正向延长线和反向延长线；正向延长线和反向延长线的长度为该线段单元射出点后拖量的1-2倍；其中，设定值的优选值一般为射入点处流束半径，当然设定值还可以为用户选定的任何数值。所述几何参数是指构成该线段单元几何形状的数学参数（比如长度、弧度、半径等参数）。本发明针对每条短线段的所处的几何形状（直线或圆弧）以及所处的位置（比如在切入线、切出线或转角处）安排相应的切割速度，以保证不同几何形状以及转角的平滑过渡。对于水切割而言，切割速度与水压、磨料喷嘴大小、磨料种类、磨料流量、磨料粒度、被切割材料种类、被切割材料厚度、被切割表面质量要求等多个参数有关，理想切割速度的设计可根据上述各参数计算得出，比如可以采用“Jiyue Zeng, Mechanism of brittle material erosion associated with high pressure abrasive waterjet processing – A modeling and application study, dissertation, 1992, University of Rhode Island. ”中提到的计算方法来设计每条短线段的理想切割速度。此为现有技术，本发明中不再赘述。并不是在所有的位于外角位置并处于进入的一侧的线段单元之后均添加正向延长线和反向延长线，在实际应用当中还需要做干涉检测，如果加了过切线（即正向延长线和反向延长线）会与偏移后的规划路径的其他线段相干涉的话，就不采用过切方法来切割外角。

一插补子模块，用于把偏移后的规划路径的每个线段单元都拆分为一条或者多条短线段。这里包含两种情况，一种情况是进行精插补，即短线段的长度越短越好，但不能小于电机步长度。短线段的长度越短，切割精度越高。优选为采用电机步长作为短线段的长度。另一种情况是粗插补，即短线段的长度不必很短，甚至不必对线段单元进行拆分，而由下位机做精插补。之后，计算出每条短线段终止端点的XYZ坐标，根据每个短线段所在线段单元的理想切割速度以及速度连续性和平滑性的要求设计该短线段的切割速度，设计切割速度时主要考虑加速度不能过高，从而保证速度的逐渐增加或减少。在相邻两个线段单元的理想切割速度不一样的情况下，以较低的速度数值为基准开始增加速度，直到达到较高的速度数值，可以采用直线加速或曲线加速。根据每个短线段的切割速度以及加工工艺参数，计算出每个短线段对应的射出点后拖量和射流锥度角，根据每个短线段的射出点后拖量和射流锥度角，计算出对应的高能束切割头后倾角度和高能束切割头侧偏角度以及偏摆方向，后倾角的正切值为射出点后拖量与被切割材料厚度的比值，因此可根据射出点后拖量，计算出后倾角。高能束切割头侧偏角的大小与射流锥度角的大小相等，偏摆方向垂直于切割线。根据每个短线段的方位角和对应的高能束切割头后倾角度、侧偏角度以及偏摆方向，计算出与每个短线段对应的绕X轴和Y轴转动的转角分量，将每个短线段的终止端点的XYZ坐标以及相应的X轴、Y轴转角分量组成一个五个自由度的空间点，将与所有短线段对应的所有空间点连起来即构成射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹。

在射入点的多维空间轨迹上选择若干个空间点作为工艺控制点，在这些工艺控制点上添加切割过程所需的操控命令，计算多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，所述多维度预规划信息包括但不限于多轴运动的电机步数、运动方向、操控命令和速度；工艺控制点主要包括以下几点：1、切割程序开始执行点；2、切入线起始点；3、切出线结束点；4、切割程序结束执行点。操控命令指对切割过程进行控制的命令，包括1、动力源的启动/停止；2、阀门启闭等。添加时，在相关执行点添加控制信号。

电机步数和运动方向取决于具体实施多轴运动的驱动与传动机构，用于高能束切割的五轴运动机构通常由三个正交轴（XYZ）和两个摆动轴组成，通常采用伺服或步进电机驱动，X、Y、Z轴的传动通常采用丝杆或皮带或齿轮齿条传动或几个传动方式的组合，电机步数由各轴的位移除以传动比再除以电机步长而获得，运动方向在确定传动方案后便得以确定。

实现两根摆动轴的运动通常采用如下两种方案之一。方案一：两根摆动轴的轴线相交，交点与流束射入点重合；方案二：两根轴的交点与流束射入点不重合。采用方案二必须在摆动轴摆动的同时在XYZ方向作补偿运动，否则在切割的过程中流束射入点就会偏离切割路径。这种方法比较容易实现，但补偿运动过大会影响响应时间以及运动精度。采用方案一两轴交点与流束射入点必须重合，这种方法比较复杂，但在理论上不必作补偿运动（实际上可能由于制造误差而进行误差补偿）。采用这种方法的其中一个实施例是，两个摆动轴是由一根垂直轴和一根倾斜轴构成，两轴相交于高能束切割头末端，倾斜轴的转动可以实现高能束切割头与垂直线的夹角，而垂直轴的转动可以实现周向转角，两者组合起来可以实现在一定范围内的任意摆角，高能束切割头绕X轴和Y轴的转角分量可以转换成垂直轴和倾斜轴的转角分量，转角位移（即转角分量）除以传动比再除以电机角位移步长即得到电机步数。以上所述是插补已经完成的情况，短线段对应的轴向位移相当于一个电机步长。如果短线段对应的轴向位移大于电机步长，那么就必须先做精插补以生成对应电机步长的短线段以及相应的速度。除了以上所述，还必须加上切割过程所需的操控命令，所有这些构成多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息。

一数据发送子模块，用于把多维度预规划信息一次性发送到下位机；或者把多维度预规划信息以数据流的方式发送到下位机。

本实施例以多轴联动运动系统103为五轴联动运动系统为例进行说明。该五轴联动运动系统103包括一具有三个自由度的正交三轴运动系统和一具有两自由度的双心共点万向动摆机构。双心共点万向动摆机构是一个具备两个旋转轴的高能束切割头夹持机构，该夹持机构能够实现高能束切割头104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高能束切割头104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。此外高能束切割头104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。

如图13-19所示，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和夹持装置；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；夹持装置用于夹持高能束切割头104，并可带动高能束切割头104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。

介质通道102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，用于与介质源101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高能束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，与高能束切割头104的相对位置固定，用于向高能束切割头104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，如此可使高能束切割头104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。由至少四个旋转接头组成的介质通道102组成一刚性连接的四连杆机构，该四连杆机构可配合高能束切割头104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，保证了当高能束切割头连续作圆周锥面切割时不会造成高能束切割头绕自身轴线的旋转，因而避免了高能束切割头所接管路和电缆的缠绕问题。

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用于固定高能束切割头104；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、高能束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固定在正交三轴运动系统上，由正交三轴运动系统带动；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，进而实现高能束切割头104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20所示，O点为高能束切割头的旋转中心，OA代表高能束切割头位置，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，高能束切割头OA可随意占据图12所示OB、OC、OD、OE、OF、OG等位置。

双心共点万向动摆机构的工作过程为：介质流经介质通道102，从高能束切割头104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，高能束切割头104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R1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，从而实现高能束切割头104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，两者配合实现高能束切割头104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。高能束切割头104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高能束切割头的任意摆动，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 (8)

1.一种用于高能束加工的智能数控机床，包括介质源、介质通道、多轴联动运动系统、高能束切割头和数控系统；介质源与介质通道相连，用于向高能束切割头内送入工作介质；高能束切割头安装在多轴联动运动系统上，由多轴联动运动系统带动而运动；数控系统用于向多轴联动运动系统的各运动轴发出控制指令；

其特征在于，所述数控系统包括一上位机和一下位机；

所述上位机内设置有CAD模块、CAM模块和CNC模块；

CAD模块，用于生成矢量化的切割图形，将矢量化后的切割图形拆分成若干个线段单元；并根据加工工件和切割图形，设计切入线和切出线；

CAM模块，用于根据切割图形的各个线段单元、切入线和切出线，设计射出点在加工工件下表面运动的规划路径；并根据射出点的规划路径，设计切割方案；

CNC模块，用于根据加工工件、射出点的规划路径、切割方案和预先设计的加工工艺参数，计算出射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹，以及与多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，并把所述多维度预规划信息发送到下位机；

所述下位机，用于接收上位机中CNC模块发送的多维度预规划信息，并把多维度预规划信息分别发送给各轴的驱动器进行加工。

2.根据权利要求1所述的用于高能束加工的智能数控机床，其特征在于，所述多轴联动运动系统为两轴及两轴以上联动运动系统。

3.根据权利要求1所述的用于高能束加工的智能数控机床，其特征在于，所述多轴联动运动系统为五轴联动运动系统，所述五轴联动运动系统包括一具有三个自由度的正交三轴运动系统和一具有两自由度的双心共点万向动摆机构；

所述双心共点万向动摆机构包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂和夹持装置；

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；夹持装置用于夹持高能束切割头，并可带动高能束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度，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；高能束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高能束切割头上，与高能束切割头的相对位置固定，用于向高能束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。

4.根据权利要求3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，固定杆用于固定高能束切割头；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、高能束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。

5.根据权利要求1所述的用于高能束加工的智能数控机床，其特征在于，所述上位机为一PC机。

6.根据权利要求1所述的用于高能束加工的智能数控机床，其特征在于，所述切割方案包括以下的至少一种：

（a）切割外角时采用过切方法和/或高能束切割头后倾方法；

（b）切割内角时采用高能束切割头后倾方法；

（c）切割圆弧时采用高能束切割头后倾方法；

（d）消除切面自然锥度或切出设计锥度时采用高能束切割头侧向偏摆角度方法。

7.根据权利要求1-6任一所述的用于高能束加工的智能数控机床，其特征在于，所述CNC模块包括：

一路径规划子模块，用于将射出点的规划路径向切入线所在一侧偏移一个设定值，得到偏移后的规划路径，并根据偏移后的规划路径上每个线段单元的几何参数和加工工艺参数，设计出每个线段单元的理想切割速度。

8.若切割方案为：切割外角时采用过切方法，则在位于外角位置并处于切入的一侧的线段单元之后均添加正向延长线和反向延长线；正向延长线和反向延长线的长度为该线段单元射出点后拖量的1-2倍；

一插补子模块，用于把偏移后的规划路径的每个线段单元都拆分为一条或者多条短线段，计算出每条短线段终止端点的XYZ坐标，根据每个短线段所在线段单元的理想切割速度以及速度连续性和平滑性的要求设计该短线段的切割速度，根据每个短线段的切割速度以及加工工艺参数，计算出每个短线段对应的射出点后拖量和射流锥度角，根据每个短线段的射出点后拖量和射流锥度角，计算出对应的高能束切割头后倾角度和高能束切割头侧偏角度以及偏摆方向，根据每个短线段的方位角和对应的高能束切割头后倾角度、侧偏角度以及偏摆方向，计算出与每个短线段对应的绕X轴和Y轴转动的转角分量，将每个短线段的终止端点的XYZ坐标以及相应的X轴、Y轴转角分量组成一个五个自由度的空间点，将与所有短线段对应的所有空间点连起来即构成射入点在加工工件上表面运动的多维空间轨迹，在射入点的多维空间轨迹上选择若干个空间点作为工艺控制点，在这些工艺控制点上添加切割过程所需的操控命令，计算多维空间轨迹上每个空间点相应的多维度运动预规划信息，所述多维度预规划信息包括但不限于多轴运动的电机步数、运动方向、操控命令和速度；

一数据发送子模块，用于把多维度预规划信息一次性发送到下位机；或者把多维度预规划信息以数据流的方式发送到下位机。

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