CN104238445B - 摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置 - Google Patents

Abstract

一种摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置，它包括主轴（22）和水切割头（17），主轴（22）带动水切割头（17）作水平面回转运动，主轴（22）在驱动机构的带动下作左右、上下和前后的三维运动，水切割头（17）和水开关（20）安装在水开关座（19）上，其特征是所述的水开关座（19）安装在谐波减速机（12）的输出轴上，谐波减速机（12）由摆动轴伺服电机（7）通过同步带（9）驱动，谐波减速机（12）带动水切割头（17）作垂直平面内的偏摆运动，所述的主轴（22）的轴线与谐波减速机（12）输出轴的轴线夹角为90度，所述的谐波减速机（12）的输出轴的最大偏摆角为±90度。本发明摆动范围大，切割精度高。

Description

摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置

技术领域

本发明涉及一种水切割技术，尤其是一种水切割头五轴（X、Y、Z、回转、摆动）控制技术，具体地说是一种摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置。

背景技术

目前，水刀设备在进行切割时，1)有时需要得到理想的垂直切割面，2)有时为了便于金属板材的焊接连接，必须对断面进行坡口加工，3)切割圆锥体，4）切割圆锥齿轮或凸轮，5）切割等转角的旋转曲面，而要达到这五个目的，必须对水刀刀头进行偏摆。目前常用的方法有手动调整和通过偏摆机构进行调整二种方式，手动调整只能适合于直线形切割面，而且调整的难度较大，效率低，操作强度大，必须停机才能进行，因此，目前使用最为广泛的是利用五轴联动数控技术的机动偏摆机构，五轴联动即刀头的前后、左右、上下、回转、偏摆五个方向的运动，当加工空间曲线或曲面时，必须进行五轴联动（为此人们设计了各种各样的真五轴和准五轴联动机构，如申请号为2007100246868的中国专利公开了以切入点为偏摆中心的偏刀机构，这种结构的五轴联动机构存在的问题是圆形导轨精度很难控制，而且在运动过程中复位难，重复性较差，因此加工精度不高，而中国专利200910183362.8的公开的具有回转和偏摆功能的五轴控制水切割头运动控制机构由于回转和偏摆时切入点发生改变，存在编程软件复杂，它利用同步皮带来控制回转轴和偏摆轴的运行，不仅体积大，控制精度不高，而且回转时存在电缆线、气管等的缠绕问题，而且由于重量很大，因此对于机床的刚度要求很高。为了减少回转和偏摆机构的体积，人们普遍采用空心电机来直接驱动回转和偏摆机构，系统力矩小、精度低，形成的切割误差大，在实际运用中存在很多的问题，且空心电机制造成本高，运行过程中不能实现自锁，需要增设抱刹装置，在很大程度上限制了五轴联动水切割设备的推广应用。

申请号为2011102077076和201220401836.9则较好地解决了上述问题，但申请人发现这两个专利的五轴控制机构由于摆动轴与主轴均采用45度夹角安装，因此存在摆动角度小，易产生干扰的问题。由于切割头始终位于主轴轴线与摆动轴轴线的交点，在切割有一定深度的工件的内部时，机构本体有可能与工件发生干涉。由于主轴轴线与摆动轴（摆动）轴线的夹角通常为45°，因此摆动轴的偏摆角通常为±60°之间，限制了五轴控制机构的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有水切割头五轴控制机构存在的摆动角度小，容易与工件产生干涉和精度不高的问题，设计一种新型的能实现180度范围（即±90º）摆动的摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置。

本发明的技术方案是：

一种摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置，它包括主轴22和水切割头17，主轴22带动水切割头17作水平面回转运动，主轴22在驱动机构的带动下作左右、上下和前后的三维运动，水切割头17和水开关20安装在水开关座19上，其特征是所述的水开关座19安装在谐波减速机12的输出轴上，谐波减速机12由摆动轴伺服电机7通过同步带9驱动，谐波减速机12带动水切割头17作垂直平面内的偏摆运动，所述的主轴22的轴线与谐波减速机12输出轴的轴线夹角为90度，所述的谐波减速机12的输出轴的最大偏摆角为±90度。

所述的谐波减速机12的传动轴16上安装有传动轴轴承15，传动轴轴承15安装在轴承座套13中，摆动轴被动同步轮14安装在传动轴16上，带动传动轴16同步转动，轴承座套13和谐波减速机12的外壳同时被安装在摆动轴箱体6上，摆动轴被动同步轮14通过摆动轴同步带9与安装在摆动轴伺服电机7上的摆动轴主动同步轮8相连，摆动轴同步带9传动的涨紧力带来的径向力通过传动轴轴承15作用在摆动轴箱体6上，传动轴16只传递扭矩和转动到谐波减速机12的输入端上。

所述的主轴22上安装有回转蜗轮23，回转蜗轮23与蜗杆44相啮合，支撑蜗杆44两端的轴承43，45安装在蜗杆座24中，并通过轴承压帽42调整轴承43，45的侧隙，蜗杆座24通过销轴35、铜套34与蜗杆座底板33连接，蜗杆座底板33通过螺钉固定在主轴箱体25上，蜗杆座24能绕销轴35的中心摆动以改变蜗杆44与回转蜗轮23的中心距；主轴伺服电机36安装在主轴电机底板37上，主轴电机底板37用螺钉通过长槽孔固定在主轴箱体25上，松开固定主轴电机底板37的螺钉，调整调节螺钉39即可改变主轴主动同步轮38与主轴被动同步轮41之间的中心距；主轴主动同步轮38安装在主轴伺服电机36上，主轴被动同步轮41安装在蜗杆44上，两带轮通过主轴同步带40连接；调整主轴主动同步轮38与主轴被动同步轮41之间的距离，使同步带涨紧力适中，通过主轴同步带40的弹性能消除回转蜗轮23与蜗杆44之间的间隙。

本发明的有益效果：

本发明采用了摆动轴轴线水平线布置的结构，切割头与轴线的距离可达200mm以上，当偏摆轴转到90°时，切割头已超出机构本体，切割时不会与工件发生干涉。

本发明的主轴轴线与摆动轴轴线的夹角为90°，摆动轴的偏摆角可达±90°。因此，能够满足更广泛的应用需求。

本发明在主轴（旋转轴）的蜗轮蜗杆传动副中采用浮动机构，能消除蜗轮蜗杆之间的间隙，提高了主轴的回转定位精度，因此能显著提高切割精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是图1的B-B剖视结构示意图。

图4是本发明谐波减速器安装结构示意图。

图中：1为高压钢管I，2为主轴旋转接头，3为旋转接头座，4为主轴感应开关，5为鱼尾拨叉，6为摆动轴箱体，7为摆动轴伺服电机，8为摆动轴主动同步轮，9为摆动轴同步带，10为定位套，11为摆动轴感应开关，12为谐波减速器，13为轴承座套，14为摆动轴被动同步轮，15为传动轴承，16为传动轴，17为切割头，18为摆动轴旋转接头，19为水开关座，20为水开关，21为主轴轴承I，22为主轴，23为回转蜗轮，24为蜗杆座，25为主轴箱体，26为主轴轴承II ，27为定位环，28为高压钢管II，29为底板，30为传感器架，31为顶杆，32为小弹簧，33为蜗杆座底板，34为铜套，35为销轴，36为主轴伺服电机，37为主轴电机底板，38为主轴主动同步轮，39为调节螺钉，40为主轴同步带，41为主轴被动同步轮，42为轴承压帽，43为蜗杆轴承I，44为蜗杆，45为蜗杆轴承II，46为定位弹簧，47为铜套，48为限位轴，49为零位底座，50为紧定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置，它包括主轴22和水切割头17，主轴22带动水切割头17作水平面回转运动，主轴22在驱动机构的带动下作左右、上下和前后的三维运动，三维运动的驱动结构与现有的全自动水切割设备相同，如床身、横梁、升降座等组成。水切割头17和水开关20安装在水开关座19上，其特征是所述的水开关座19安装在谐波减速机12的输出轴上，谐波减速机12由摆动轴伺服电机7通过同步带9驱动，谐波减速机12带动水切割头17作垂直平面内的偏摆运动，所述的主轴22的轴线与谐波减速机12输出轴的轴线夹角为90度，所述的谐波减速机12的输出轴的最大偏摆角为±90度。如图1所示，所述的谐波减速机12的传动轴16上安装有传动轴轴承15，传动轴轴承15安装在轴承座套13中，如图4，摆动轴被动同步轮14安装在传动轴16上，带动传动轴16同步转动，轴承座套13和谐波减速机12的外壳同时被安装在摆动轴箱体6上，摆动轴被动同步轮14通过摆动轴同步带9与安装在摆动轴伺服电机7上的摆动轴主动同步轮8相连，摆动轴同步带9传动的涨紧力带来的径向力通过传动轴轴承15作用在摆动轴箱体6上，传动轴16只传递扭矩和转动到谐波减速机12的输入端上。所述的主轴22上安装有回转蜗轮23，回转蜗轮23与蜗杆44相啮合，支撑蜗杆44两端的轴承43，45安装在蜗杆座24中，并通过轴承压帽42调整轴承43，45的侧隙，蜗杆座24通过销轴35、铜套34与蜗杆座底板33连接，蜗杆座底板33通过螺钉固定在主轴箱体25上，蜗杆座24能绕销轴35的中心摆动以改变蜗杆44与回转蜗轮23的中心距；主轴伺服电机36安装在主轴电机底板37上，主轴电机底板37用螺钉通过长槽孔固定在主轴箱体25上，松开固定主轴电机底板37的螺钉，调整调节螺钉39即可改变主轴主动同步轮38与主轴被动同步轮41之间的中心距；主轴主动同步轮38安装在主轴伺服电机36上，主轴被动同步轮41安装在蜗杆44上，两带轮通过主轴同步带40连接；调整主轴主动同步轮38与主轴被动同步轮41之间的距离，使同步带涨紧力适中，通过主轴同步带40的弹性能消除回转蜗轮23与蜗杆44之间的间隙，如图3所示。

本发明的摆动轴传动中选用了高精度的谐波减速机，同时在结构上采取了一些优化措施，进一步提高了摆动轴的精度。

1）摆动轴被动同步轮14安装在谐波减速机12的输入端，水开关座19安装在谐波减速机12的输出端，切割头17和水开关20与水开关座19固定连接，水开关座19带动切割头17绕摆动轴摆动。假设同步带传动误差为x，谐波减速机12的减速比为1：n，则摆动轴实际误差为x/n，减少了因同步带传动带来的摆动轴误差。2）在摆动轴传动中，摆动轴被动同步轮14安装在传动轴16上，传动轴16上安装有两件传动轴轴承15，传动轴轴承15安装在轴承座套13内，轴承座套13和谐波减速机12的外壳同时被安装在摆动轴箱体6上，同步带传动的涨紧力带来的径向力没有直接作用在谐波减速机12上，而是通过传动轴轴承15作用在摆动轴箱体6上，传动轴16只传递扭矩和转动到谐波减速机12上。这样的设计同时也提高了谐波减速机12的工作可靠性。

为保证切割加工的连续性，同时避免主轴连续转动造成电缆、供砂管缠绕损坏，在设计时制订了主轴的运动行程为±360°的技术指标。为实现这个指标，特别设计了主轴的限位与机械原点机构。如图1与图2所示，主轴感应开关4安装在传感器架30上，定位环27套装在主轴22外圆上，并通过平键（图中未示）与主轴22同步旋转，铜套47套装在鱼尾拨叉5的内孔中固定连接，铜套47套装在限位轴48的外圆上，限位轴48通过螺纹固定在零位底座49上，零位底座49通过螺钉固定在主轴箱体25上，鱼尾拨叉5可绕限位轴48转动，在鱼尾拨叉5与限位轴48的轴肩之间套装有定位弹簧46，定位弹簧46产生的轴向力使铜套47的下端与零位底座49产生作用力，形成阻尼，避免了鱼尾拨叉5的自由转动。顶杆31安装在零位底座49的阶梯孔内，可在阶梯孔内移动。紧定螺钉50固定在零位底座49上，小弹簧32安装在顶杆31与紧定螺钉50之间。当主轴22顺时针转动带动定位环27离开鱼尾拨叉5时，在小弹簧32产生的轴向力作用下，顶杆31推动鱼尾拨叉5逆时针转动，使鱼尾拨叉5离开主轴感应开关4的感应区。工作过程如下：1）图2示位置为主轴逆时针转动时的极限位置。此时定位环27上侧与鱼尾拨叉5的下侧相抵，鱼尾拨叉5的上侧与零位底座49的V形槽的上边缘相抵。2）主轴22顺时针转动时定位环27随着其一道转动，顶杆31推动鱼尾拨叉5离开主轴感应开关4的感应区，主轴22顺时针转动约360°时，定位环27的柄部位于鱼尾拨叉5的V形缺口中间的圆弧部位，推动鱼尾拨叉5逆时针转动，此时主轴22仍可继续顺时针转动，在定位环27的柄部离开鱼尾拨叉5的V形缺口中间的圆弧部位时，鱼尾拨叉5位于水平偏下一点的位置，在阻尼的作用下，鱼尾拨叉5保持此位置不变；主轴22顺时针转动约720°时，定位环27的柄部下侧接触到鱼尾拨叉5的上侧，定位环27的柄部推动鱼尾拨叉5逆时针转动，当鱼尾拨叉5的下侧与零位底座49的V形槽的下边缘相抵时，主轴22无法继续顺时针转动，此位置即为主轴顺时针转动的极限位置。3）主轴22逆时针转动的过程与顺时针转动的过程类似。区别之处在于当主轴22逆时针转动接近720°时，定位环27柄部的上侧接触到鱼尾拨叉5的下侧，推动鱼尾拨叉5顺时针转动进入主轴感应开关4的感应区，主轴感应开关4发出到位信号，主轴机械原点位置确定。

本发明未详细描述之处可参照中国专利2011102077076和201220401836.9的内容加以实现。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置，它包括主轴（22）和水切割头（17），主轴（22）带动水切割头（17）作水平面回转运动，主轴（22）在驱动机构的带动下作左右、上下和前后的三维运动，水切割头（17）和水开关20安装在水开关座（19）上，其特征是所述的水开关座（19）安装在谐波减速机（12）的输出轴上，谐波减速机（12）由摆动轴伺服电机（7）通过同步带（9）驱动，谐波减速机（12）带动水切割头（17）作垂直平面内的偏摆运动，所述的主轴（22）的轴线与谐波减速机（12）输出轴的轴线夹角为90度，所述的谐波减速机（12）的输出轴的最大偏摆角为±90度；所述的谐波减速机（12）的传动轴（16）上安装有传动轴轴承（15），传动轴轴承（15）安装在轴承座套（13）中，摆动轴被动同步轮（14）安装在传动轴（16）上，带动传动轴（16）同步转动，轴承座套（13）和谐波减速机（12）的外壳同时被安装在摆动轴箱体（6）上，摆动轴被动同步轮（14）通过摆动轴同步带（9）与安装在摆动轴伺服电机（7）上的摆动轴主动同步轮（8）相连，摆动轴同步带（9）传动的涨紧力带来的径向力通过传动轴轴承（15）作用在摆动轴箱体（6）上，传动轴（16）只传递扭矩和转动到谐波减速机（12）的输入端上。

2.根据权利要求1所述的摆动轴水平安装的五轴水切割头姿态控制装置，其特征是所述的主轴（22）上安装有回转蜗轮（23），回转蜗轮（23）与蜗杆（44）相啮合，支撑蜗杆（44）两端的轴承（43，45）安装在蜗杆座（24）中，并通过轴承压帽（42）调整轴承（43，45）的侧隙，蜗杆座（24）通过销轴（35）、铜套（34）与蜗杆座底板（33）连接，蜗杆座底板（33）通过螺钉固定在主轴箱体（25）上，蜗杆座（24）能绕销轴（35）的中心摆动以改变蜗杆（44）与回转蜗轮（23）的中心距；主轴伺服电机（36）安装在主轴电机底板（37）上，主轴电机底板（37）用螺钉通过长槽孔固定在主轴箱体（25）上，松开固定主轴电机底板（37）的螺钉，调整调节螺钉（39）即可改变主轴主动同步轮（38）与主轴被动同步轮（41）之间的中心距；主轴主动同步轮（38）安装在主轴伺服电机（36）上，主轴被动同步轮（41）安装在蜗杆（44）上，两带轮通过主轴同步带（40）连接；调整主轴主动同步轮（38）与主轴被动同步轮（41）之间的距离，使同步带涨紧力适中，通过主轴同步带（40）的弹性能消除回转蜗轮（23）与蜗杆（44）之间的间隙。