CN104551384A - 交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，包括：准直单元、摆头C轴单元、摆头A轴单元和聚焦单元；摆头C轴单元和/或摆头A轴单元采用内置力矩电机直驱式，摆头A轴单元固定在摆头C单元轴摆动端，聚焦单元固定在摆头A轴单元摆动端，综上上述交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头摆头C轴单元与摆头A轴单元运动灵活，与国外传统的齿轮系机械式传动结构相比，具有结构简单、精度高、精度保持性好、动态特性好等优点。

Description

交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头

技术领域

本发明应用于三维激光加工设备，包括三维激光切割、焊接、熔覆、热处理加工机床，是三维激光加工机床的关键执行功能部件。

背景技术

激光加工技术广泛应用于金属与非金属材料的加工。三维激光加工机床也是航空、航天、船舶、核电、汽车等领域钣金类零件加工的关键设备。大力发展激光加工设备对国家的工业现代化发展、经济和国防安全具有重要的战略意义。

常见的激光加工包括激光切割、焊接、熔覆、热处理等工艺方法。三维激光加工机床可实现对复杂立体形状零件进行上述激光加工工艺。三维激光加工头是三维激光加工机床实现三维激光加工功能最核心的关键执行功能部件。国外主流三维激光加工机床上应用的三维激光加工头通常采用齿轮系传动的机械结构。本文根据机加工领域中力矩电机直驱技术在双摆铣头上的应用，采用交流永磁同步力矩电机驱动，结合采用柔性光纤的激光传输光路，设计一种专门应用于三维激光加工领域的加工头。

发明内容

本发明要解决的技术问题是根据机加工领域中力矩电机直驱技术在双摆铣头上的应用，采用交流永磁同步力矩电机直接驱动技术，结合基于光纤激光器的激光传输光路，设计一种专门应用于三维激光加工领域的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头。

为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：

交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，包括：准直单元、摆头轴单元、摆头A轴单元和聚焦单元，摆头C轴单元和/或A轴单元采用交流永磁同步力矩电机直接驱动形式；

摆头C轴单元可实现连续无限制旋转；

摆头C轴单元包含电气滑环；

摆头C轴单元包含至少两路相互隔离的旋转密封环路，用于传输流体介质如水，气体等；

准直单元包括：光纤接头、准直镜片、准直镜座、冷却外壳、O形密封圈和锁紧螺母；光纤接头(光纤接头的种类和样式因激光器及传输光纤供应商而异。)一端与光纤端部接头连接固定，另一端固定在准直镜座上端；准直镜座加工有与光纤接头光孔同轴心线的通光孔，下端通光孔内壁依次加工有安装止口和内螺纹；准直镜片置于通光孔内壁安装止口处，且通过锁紧螺母与安装止口下端内螺纹配合固定；准直镜片与锁紧螺母接触端依次设置有用于预紧固定的平垫片和波形弹簧；准直镜座外壁加工有水槽；冷却外壳套置在准直镜座外壁，且与其外壁的水槽形成容水腔；冷却外壳与准直镜座外壁结接合处设置有O形密封圈，且冷却外壳加工有上述容水腔连通的进水口和出水口；

上述结构具体实施时根据准直镜片焦距改变准直镜座长度，使光纤输出端面位于准直镜片焦点位置，这样激光束通光准直镜后扩束成准平行光进入后续光路。

摆头C轴单元包括：上端盖、C轴外壳、C轴芯轴、C轴力矩电机转子、C轴力矩电机定子、过渡芯轴、滑环旋转端接线座和分流块；C轴外壳内部加工为阶梯孔，且C轴芯轴为阶梯轴；C轴芯轴上端和下端均通过轴承组安装于C轴外壳阶梯孔内，且轴承组由一端压紧轴承内环且与C轴芯轴可拆卸固定连接的锁紧螺母和一端压紧轴承外环且与C轴外壳可拆卸固定连接的轴承压盖组成；C轴外壳固定有用于压紧上端轴承组的上端盖，且上端盖上端通过连接法兰与准直单元连接固定（此处连接法兰的连接可通过螺纹或螺钉连接方式与冷却水座或摆头C轴单元连接。）；C轴芯轴上端轴承组下端套置有C轴力矩电机转子，且通过C轴芯轴上端轴承组与C轴力矩电机转子之间通过轴承隔环预紧固定；C轴外壳与安装C轴力矩电机转子对应位置固定有C轴力矩电机定子；C轴外壳的C轴力矩电机定子下端与C轴芯轴下端轴承组上端接合部设置有不少两个旋转密封圈，且每相邻两个密封圈之间形成密封环路，C轴芯轴在对应位置加工有与上述密封环路相通的孔（水、气介质从C轴外壳引入，在摆头C轴单元旋转过程中，环路始终与C轴芯轴开设的孔相通，实现水、气介质的在相对旋转部件之间的传递。），C轴外壳或者C轴力矩电机定子加工有冷却水槽，且冷却水槽入水口位于C轴外壳下端，出水口位于C轴外壳上端；

过渡芯轴固定在C轴芯轴下端；过渡芯轴外壁固定有电气滑环，且在C轴外壳上电气滑环对应位置固定有滑环电刷；滑环电刷外固定有滑环外壳，且滑环外壳下端固定有用于连接外部电缆的滑环旋转端接线座；滑环旋转端接线座下端固定有用于将芯轴传递下来的水、气介质分配到不同的位置经通用接头输出的分流块；滑环外壳的作用是保护电气滑环并安装滑环固定端接线座，滑环固定端接线座上安装电缆接头，连接电刷和外部电缆；

上端盖、C轴芯轴和过渡芯轴加工有与准直单元1输出光路匹配的光线传输管路；

摆头A轴单元包括：加工为“L”字形的A轴单元外壳、A轴芯轴、A轴力矩电机定子、A轴力矩电机转子和密封端盖；A轴单元外壳加工有与摆头C轴单元输出光路匹配的“L”字型光线传输管路，且在“L”字型光线传输管路转角处设置有用于反射光路转向的反射装置；A轴芯轴安装于A轴单元外壳内部，且位于平直部分；A轴芯轴后端通过轴承压盖与轴承配合固定在A轴单元外壳内，前端通过轴承组配合固定在A轴单元外壳内部；A轴芯轴中部套置固定有A轴力矩电机转子，且A轴单元外壳与A轴力矩电机转子对应位置安装有A轴力矩电机定子；密封端盖固定在A轴单元外壳前端，且能够压紧密封A轴芯轴前端组合轴承；

当摆头A轴单元处规格比较大时，在摆头A轴单元A轴外壳或者A轴力矩电机定子处设置有与摆头C轴单元对应位置设置有相同的冷却系统；

电刷和滑环之间的接触将电信号传递到运动部件上。电刷上各路导电环通过导线连接到滑环旋转端接线座的电缆插头上。电刷设备上的电信号连接电气滑环和滑环电刷的作用是在相对旋转的部件间传递电信号。通过旋转密封及电气滑环，实现摆头C轴单元连续360°无限制旋转。在过渡芯轴上电气滑环下方安装的分流块，分流块上加工一些深孔，将芯轴传递下来的水、气介质分配到不同的位置通过通用的接头输出，便于管路连接；

分流块外壁固定有用于辅助定位各线路的转接板，摆头C轴单元与摆头A轴单元之间的水、气、电路连接通过上述转接板连接，转接板的作用是将摆头C轴单元与摆头A轴单元之间的水、气、电路管线接到一个合适的位置使摆头A轴单元在摆动时每根管线都有足够的弯曲运动空间，实现摆头C轴单元与摆头A轴单元的灵活运动。

聚焦单元，为现有激光聚焦装置，且通过法兰盘固定在A轴单元前端；

摆头C轴单元上端与准直单元之间的连接法兰可采用一体式设计，即连接法兰与准直单元的冷却外壳为一体式设计，方便维护人员的维修安装；

采用上述技术方案的本发明采用力矩电机内置的方式（即通过转子直接驱动转轴。）来驱动摆头C轴单元与摆头A轴单元的转动，这样的直驱方式效率高，并通过在相对应的位置配备有水、气、电的线路使整个结构可稳定运行；

综上本发明的优点是显而易见的，主要表现在：

1、直驱式，使旋转高效准确；

2、摆头C轴单元可连续360°旋转，没有旋转死角；

3、摆头C轴单元与摆头A轴单元为全闭环控制，精度高；

4、各单元组件模块化设计，具有功能可扩展性；

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

本发明共2幅附图,其中：

图1为本发明的整体结构剖面示意图。

图2为本发明的准直单元剖面结构示意图。

图中：1、准直单元，2、摆头C轴单元，3、摆头A轴单元，4、聚焦单元，5、转接板，101、光纤接头，102、准直镜片，103、准直镜座，104、冷却外壳，105、O形密封圈，106、锁紧螺母，107、通光孔，108、安装止口、109、平垫片，110、波形弹簧，111、水槽，201、上端盖，202、C轴外壳，203、C轴芯轴，204、C轴力矩电机转子，205、C轴力矩电机定子，206、过渡芯轴，207、滑环旋转端接线座，208、分流块，209、锁紧螺母，210、轴承压盖，211、轴承隔环，212、电气滑环，213、滑环电刷，214、滑环外壳，301、A轴单元外壳，302、A轴芯轴，303、A轴力矩电机定子，304、A轴力矩电机转子，305、密封端盖，306、反射装置。

具体实施方式

如图1和图2所示的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，包括：准直单元1、摆头C轴单元2、摆头A轴单元3和聚焦单元4，摆头C轴单元和/或摆头A轴单元3采用交流永磁同步力矩电机直接驱动形式；

摆头C轴单元可实现连续无限制旋转；

摆头C轴单元包含电气滑环；

摆头C轴单元包含至少两路相互隔离的旋转密封环路，用于传输流体介质如水，气体等；

准直单元1包括：光纤接头101、准直镜片102、准直镜座103、冷却外壳104、O形密封圈105和锁紧螺母106；光纤接头101(光纤接头的种类和样式因激光器及传输光纤供应商而异。)一端与光纤端部接头连接固定，另一端固定在准直镜座103上端；准直镜座103加工有与光纤接头101光孔同轴心线的通光孔107，下端通光孔107内壁依次加工有安装止口108和内螺纹；准直镜片102置于通光孔107内壁安装止口108处，且通过锁紧螺母106与安装止口108下端内螺纹配合固定；准直镜片102与锁紧螺母106接触端依次设置有用于预紧固定的平垫片109和波形弹簧110；准直镜座103外壁加工有水槽111；冷却外壳104套置在准直镜座103外壁，且与其外壁的水槽111形成容水腔；冷却外壳104与准直镜座103外壁结接合处设置有O形密封圈105，且冷却外壳104加工有上述容水腔连通的进水口和出水口；

上述结构具体实施时根据准直镜片焦距改变准直镜座长度，使光纤输出端面位于准直镜片焦点位置，这样激光束通光准直镜后扩束成准平行光进入后续光路。

摆头C轴单元2包括：上端盖201、C轴外壳202、C轴芯轴203、C轴力矩电机转子204、C轴力矩电机定子205、过渡芯轴206、滑环旋转端接线座207和分流块208；C轴外壳202内部加工为阶梯孔，且C轴芯轴203为阶梯轴；C轴芯轴203上端和下端均通过轴承组安装于C轴外壳202阶梯孔内，且轴承组由一端压紧轴承内环且与C轴芯轴203可拆卸固定连接的锁紧螺母209和一端压紧轴承外环且与C轴外壳202可拆卸固定连接的轴承压盖210组成；C轴外壳202固定有用于压紧上端轴承组的上端盖201，且上端盖201上端通过连接法兰与准直单元1连接固定（此处连接法兰的连接可通过螺纹或螺钉连接方式与冷却水座或摆头C轴单元连接。）；C轴芯轴203上端轴承组下端套置有C轴力矩电机转子204，且通过C轴芯轴203上端轴承组与C轴力矩电机转子204之间通过轴承隔环211预紧固定；C轴外壳202与安装C轴力矩电机转子204对应位置固定有C轴力矩电机定子205；C轴外壳202的C轴力矩电机定子205下端与C轴芯轴203下端轴承组上端接合部设置有不少两个旋转密封圈，且每相邻两个密封圈之间形成密封环路，C轴芯轴203在对应位置加工有与上述密封环路相通的孔（水、气介质从C轴外壳引入，在摆头C轴单元旋转过程中，环路始终与C轴芯轴开设的孔相通，实现水、气介质的在相对旋转部件之间的传递。），C轴外壳202或者C轴力矩电机定子205加工有冷却水槽，且冷却水槽入水口位于C轴外壳202下端，出水口位于C轴外壳202上端；

过渡芯轴206固定在C轴芯轴203下端；过渡芯轴206外壁固定有电气滑环212，且在C轴外壳202上电气滑环212对应位置固定有滑环电刷213；滑环电刷213外固定有滑环外壳214，且滑环外壳214下端固定有用于连接外部电缆的滑环旋转端接线座207；滑环旋转端接线座207下端固定有用于将芯轴传递下来的水、气介质分配到不同的位置经通用接头输出的分流块208；滑环外壳214的作用是保护电气滑环212并安装滑环固定端接线座207，滑环固定端接线座207上安装电缆接头，连接电刷和外部电缆；

上端盖201、C轴芯轴203和过渡芯轴206加工有与准直单元1输出光路匹配的光线传输管路；

摆头A轴单元3包括：加工为“L”字形的A轴单元外壳301、A轴芯轴302、A轴力矩电机定子303、A轴力矩电机转子304和密封端盖305；A轴单元外壳301加工有与摆头C轴单元2输出光路匹配的“L”字型光线传输管路，且在“L”字型光线传输管路转角处设置有用于反射光路转向的反射装置306；A轴芯轴302安装于A轴单元外壳301内部，且位于平直部分；A轴芯轴302后端通过轴承压盖307与轴承配合固定在A轴单元外壳301内，前端通过轴承组配合固定在A轴单元外壳301内部；A轴芯轴302中部套置固定有A轴力矩电机转子304，且A轴单元外壳301与A轴力矩电机转子304对应位置安装有A轴力矩电机定子303；密封端盖305固定在A轴单元外壳301前端，且能够压紧密封A轴芯轴302前端组合轴承；

当摆头A轴单元3处规格比较大时，在摆头A轴单元3A轴外壳301或者A轴力矩电机定子303处设置有与摆头C轴单元2对应位置设置有相同的冷却系统；

电刷和滑环之间的接触将电信号传递到运动部件上。电刷上各路导电环通过导线连接到滑环旋转端接线座207的电缆插头上。电刷设备上的电信号连接电气滑环212和滑环电刷213的作用是在相对旋转的部件间传递电信号。通过旋转密封及电气滑环，实现摆头C轴单元连续360°无限制旋转。在过渡芯轴上电气滑环下方安装的分流块208，分流块208上加工一些深孔，将芯轴传递下来的水、气介质分配到不同的位置通过通用的接头输出，便于管路连接；

分流块208外壁固定有用于辅助定位各线路的转接板5，摆头C轴单元2与摆头A轴单元3之间的水、气、电路连接通过上述转接板连接5，转接板5的作用是将摆头C轴单元2与摆头A轴单元3之间的水、气、电路管线接到一个合适的位置使摆头A轴单元在摆动时每根管线都有足够的弯曲运动空间，实现摆头C轴单元与摆头A轴单元的灵活运动。

聚焦单元4，为激光聚焦装置，且通过法兰盘固定在A轴单元3前端；

摆头C轴单元2上端与准直单元1之间的连接法兰可采用一体式设计，即连接法兰与准直单元1的冷却外壳104为一体式设计，方便维护人员的维修安装；

采用上述技术方案的本发明采用力矩电机内置的方式：摆头C轴单元，由C轴力矩电机转子204依次带动轴芯轴203、过渡芯轴206以及固定在过渡芯轴206中部的电气滑环212和下端的分流块208转动，分流块208的转动带动固定在下端的摆头A轴单元转动；摆头A轴单元，由A轴力矩电机转子304带动A轴芯轴302，A轴芯轴302转动带动与其固定的聚焦单元4转动；

综上上述交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头与国外传统的齿轮系机械式传动结构相比，具有结构简单、精度高、精度保持性好、动态特性好等优点。

本文涉及的三维激光加工头主要针对采用光纤激光发生器，结合光纤传输光路，设计一种易于应用集成、安装简单方便、功能扩展性强的三维激光加工头。该加工头可实现三维激光切割、焊接、熔覆及表面热处理等多种加工工艺。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上诉揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：包括准直单元（1）、摆头C轴单元（2）、摆头A轴单元（3）和聚焦单元（4），所述摆头C轴单元（2）和/或摆头A轴单元（3）采用交流永磁同步力矩电机直接驱动形式。

2.根据权利要求1所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述摆头C轴单元（2）可实现连续无限制旋转。

3.根据权利要求2所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述摆头C轴单元（2）包含电气滑环。

4.根据权利要求2所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述摆头C轴单元（2）包含至少两路相互隔离的旋转密封环路，用于传输流体介质如水，气体等。

5.根据权利要求1所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述准直单元（1）包括：光纤接头（101）、准直镜片（102）、准直镜座（103）、冷却外壳（104）、O形密封圈（105）和锁紧螺母（106）；所述光纤接头（101）一端与光纤端部接头连接固定，另一端固定在准直镜座（103）上端；所述准直镜座（103）加工有与光纤接头（101）光孔同轴心线的通光孔（107），下端通光孔（107）内壁依次加工有安装止口（108）和内螺纹；所述准直镜片（102）置于通光孔（107）内壁安装止口（108）处，且通过锁紧螺母（106）与安装止口（108）下端内螺纹配合固定；所述准直镜片（102）与锁紧螺母（106）接触端依次设置有用于预紧固定的平垫片（109）和波形弹簧（110）；所述准直镜座（103）外壁加工有水槽（111）；所述冷却外壳（104）套置在准直镜座（103）外壁，且与其外壁的水槽（111）形成容水腔；所述冷却外壳（104）与准直镜座（103）外壁结接合处设置有O形密封圈（105），且冷却外壳（104）加工有上述容水腔连通的进水口和出水口。

6.根据权利要求1所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述摆头C轴单元（2）包括：上端盖（201）、C轴外壳（202）、C轴芯轴（203）、C轴力矩电机转子（204）、C轴力矩电机定子（205）、过渡芯轴（206）、滑环旋转端接线座（207）和分流块（208）；所述C轴外壳（202）内部加工为阶梯孔，且所述C轴芯轴（203）为阶梯轴；所述C轴芯轴（203）上端和下端均通过轴承组安装于C轴外壳（202）阶梯孔内，且所述轴承组由一端压紧轴承内环且与C轴芯轴（203）可拆卸固定连接的锁紧螺母（209）和一端压紧轴承外环且与C轴外壳（202）可拆卸固定连接的轴承压盖（210）组成；所述C轴外壳（202）固定有用于压紧上端轴承组的上端盖（201），且所述上端盖（201）上端通过连接法兰与准直单元（1）连接固定；所述C轴芯轴（203）上端轴承组下端套置有C轴力矩电机转子（204），且通过C轴芯轴（203）上端轴承组与C轴力矩电机转子（204）之间通过轴承隔环（211）预紧固定；所述C轴外壳（202）与安装C轴力矩电机转子（204）对应位置固定有C轴力矩电机定子（205）；所述C轴外壳（202）的C轴力矩电机定子（205）下端与C轴芯轴（203）下端轴承组上端接合部设置有不少两个旋转密封圈，且每相邻两个密封圈之间形成密封环路，C轴芯轴（203）在对应位置加工有与上述密封环路相通的孔；所述C轴外壳（202）或者C轴力矩电机定子（205）加工有冷却水槽，且所述冷却水槽入水口位于C轴外壳（202）下端，出水口位于C轴外壳（202）上端；

所述过渡芯轴（206）固定在C轴芯轴（203）下端；所述过渡芯轴（206）外壁固定有电气滑环（212），且在C轴外壳（202）上电气滑环（212）对应位置固定有滑环电刷（213）；所述滑环电刷（213）外固定有滑环外壳（214），且所述滑环外壳（214）下端固定有用于连接外部电缆的滑环旋转端接线座（207）；所述滑环旋转端接线座（207）下端固定有用于将芯轴传递下来的水、气介质分配到不同的位置经通用接头输出的分流块（208）；

所述上端盖（201）、C轴芯轴（203）和过渡芯轴（206）加工有与准直单元（1）输出光路匹配的光线传输管路。

7.根据权利要求1所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于所述摆头A轴单元（3）包括：加工为“L”字形的A轴单元外壳（301）、A轴芯轴（302）、A轴力矩电机定子（303）、A轴力矩电机转子（304）和密封端盖（305）；所述A轴单元外壳（301）加工有与摆头C轴单元（2）输出光路匹配的“L”字型光线传输管路，且在“L”字型光线传输管路转角处设置有用于反射光路转向的反射装置（306）；所述A轴芯轴（302）安装于A轴单元外壳（301）内部，且位于平直部分；所述A轴芯轴（302）后端通过轴承压盖（307）与轴承配合固定在A轴单元外壳（301）内，前端通过轴承组配合固定在A轴单元外壳（301）内部；所述A轴芯轴（302）中部套置固定有A轴力矩电机转子（304），且所述A轴单元外壳（301）与A轴力矩电机转子（304）对应位置安装有A轴力矩电机定子（303）；所述密封端盖（305）固定在A轴单元外壳（301）前端，且能够压紧密封A轴芯轴（302）前端组合轴承；

所述聚焦单元（4）通过法兰盘固定在A轴单元（3）前端。

8.根据权利要求5和6所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述摆头C轴单元（2）上端与准直单元（1）之间的连接法兰可采用一体式设计，即连接法兰与准直单元（1）的冷却外壳（104）为一体式设计。

9.根据权利要求6所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：所述分流块（208）外壁固定有用于辅助定位各线路的转接板（5）。

10.根据权利要求6和7所述的交流永磁同步力矩电机直驱式三维激光加工头，其特征在于：当摆头A轴单元（3）处规格比较大时，在摆头A轴单元（3）A轴外壳（301）或者A轴力矩电机定子（303）处设置有与摆头C轴单元（2）对应位置设置有相同的冷却系统。