CN107186338A - 激光切割头及三维激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光切割头及采用该激光切割头的三维激光切割装置，该激光切割头包括回转驱动机构、摆动驱动机构和随动驱动机构，回转驱动机构实现切割头的无限旋转切割，摆动驱动机构实现切割头的摆动切割，随动驱动机构可确保切割头本体到工件表面的距离恒定不变，聚焦进行切割；通过回转驱动机构、摆动驱动机构及随动驱动机构配合，可实现对工件如具有复杂曲面的航空航天零件及汽车覆盖件等的加工。上述三维激光切割装置，可实现对切割头本体的三维多自由度定位，保证激光切割头的加工精度及对不同工件表面的适应能力，可实现对三维工件的高质量、高精度、高效率切割，无需二次加工。

Description

激光切割头及三维激光切割装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光切割头及采用该激光切割头的三维激光切割装置。

背景技术

目前，国内航空航天、汽车制造、工程机械、轮船、五金、装饰、医疗器械、模具开发、家用电器制造、机械制造、健身器材等领域迅速发展，传统的加工方式很难满足当今要求。机器人三维切割以其先进、灵活、快速的柔性化加工特点可满足上述领域中精度和效率要求不高的加工工作，但对于精度和效率要求比较高的器件加工，尤其是对于具有复杂空间曲面的三维工件的切割加工，如航空航天及汽车覆盖件的切边和孔加工，机器人三维切割是无法满足要求的。

发明内容

本发明实施例涉及一种激光切割头及采用该激光切割头的三维激光切割装置，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种激光切割头，包括切割头本体，还包括回转驱动机构、摆动驱动机构和随动驱动机构；所述随动驱动机构包括具有一伸缩输出轴的随动驱动单元，所述伸缩输出轴的轴向与所述切割头本体的轴向平行，所述切割头本体连接于所述伸缩输出轴的输出端；所述摆动驱动机构包括用于驱动所述切割头本体绕一水平向轴线旋转的摆动驱动单元，所述随动驱动机构与所述摆动驱动单元的输出端连接；所述回转驱动机构包括用于驱动所述切割头本体绕一竖向轴线旋转的回转驱动单元，所述摆动驱动机构与所述回转驱动单元的输出端连接。

作为实施例之一，于所述回转驱动机构及所述摆动驱动机构中形成有用于将激光束导入所述切割头本体内的激光通道，所述激光通道包括形成于所述回转驱动机构内的入口段和形成于所述摆动驱动机构内的中间段。

作为实施例之一，所述回转驱动单元包括第一中空直线电机，所述第一中空直线电机的轴向为竖向，所述摆动驱动机构连接于所述第一中空直线电机的转子底端，所述第一中空直线电机的中空腔构成所述入口段；所述摆动驱动单元包括第二中空直线电机，所述第二中空直线电机的轴向为水平向，所述随动驱动机构与所述第二中空直线电机的转子的一端连接，所述第二中空直线电机的中空腔构成所述中间段。

作为实施例之一，该激光切割头还包括光栅尺，所述第一中空直线电机、所述第二中空直线电机及所述光栅尺均与激光切割中控系统电连接，并形成闭环运动控制回路。

作为实施例之一，所述第一中空直线电机的转子底端安装有转接座，所述转接座内形成有第一入射通道和第一出射通道，所述第一入射通道沿竖向延伸且与所述入口段连通，所述第一出射通道沿水平向延伸且与所述中间段连通，所述第一入射通道与所述第一出射通道相交导通且于相交处设有第一反射镜；所述随动驱动机构包括反射镜座，所述随动驱动单元安装于所述反射镜座上，所述反射镜座内形成有第二入射通道和第二出射通道，所述第二入射通道沿水平向延伸且与所述中间段连通，所述第二出射通道沿竖向延伸且与所述切割头本体同轴设置，所述第二入射通道与所述第二出射通道相交导通且于相交处设有第二反射镜。

作为实施例之一，所述第一反射镜及所述第二反射镜均为自适应聚焦镜。

作为实施例之一，该激光切割头还包括回转连接件，所述回转连接件包括回转柱环和用于连接激光光路组件的顶盖，所述顶盖盖合于所述回转柱环的顶端且与所述回转柱环滑动接触，所述顶盖上开设有通光孔，所述回转柱环与所述回转驱动单元连接且其内腔与所述入口段连通。

作为实施例之一，所述回转柱环内设有管线安装件，所述管线安装件与所述回转柱环内壁固连。

本发明实施例涉及一种三维激光切割装置，包括激光切割头，所述激光切割头连接有用于定位其在三维空间内位置的X轴驱动机构、Y轴驱动机构及Z轴驱动机构，所述激光切割头采用如上所述的激光切割头。

本发明实施例至少具有如下有益效果：本发明提供的激光切割头中，回转驱动机构用于实现切割头的无限旋转切割，摆动驱动机构用于实现切割头的摆动切割，随动驱动机构用于调节切割头本体与工件表面之间的相对距离，确保切割头本体到工件表面的距离恒定不变，聚焦进行切割；通过回转驱动机构、摆动驱动机构及随动驱动机构配合，可实现对工件如具有复杂曲面的航空航天零件及汽车覆盖件等的加工。而采用该激光切割头的三维激光切割装置，其X轴驱动机构、Y轴驱动机构、Z轴驱动机构与上述的回转驱动机构、摆动驱动机构及随动驱动机构配合，实现对切割头本体的三维多自由度定位，保证激光切割头的加工精度及对不同工件表面的适应能力，可实现对三维工件的高质量、高精度、高效率切割，无需二次加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的激光切割头的结构示意图；

图2为图1中的激光切割头的第一中空直线电机与回转连接件装配的结构示意图；

图3为图1中的激光切割头的转接座的结构示意图；

图4为图1中的激光切割头的随动驱动机构的装配结构示意图；

图5为图1中的激光切割头的防碰撞机构的结构示意图；

图6为图1中的激光切割头的切割头本体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1，本发明实施例提供一种激光切割头，包括切割头本体9、回转驱动机构、摆动驱动机构和随动驱动机构；所述随动驱动机构包括具有一伸缩输出轴的随动驱动单元7，所述伸缩输出轴的轴向与所述切割头本体9的轴向平行，所述切割头本体9连接于所述伸缩输出轴的输出端；所述摆动驱动机构包括用于驱动所述切割头本体9绕一水平向轴线旋转的摆动驱动单元6，所述随动驱动机构与所述摆动驱动单元6的输出端连接；所述回转驱动机构包括用于驱动所述切割头本体9绕一竖向轴线旋转的回转驱动单元3，所述摆动驱动机构与所述回转驱动单元3的输出端连接。上述的回转驱动机构用于实现切割头的无限旋转切割，上述的摆动驱动机构用于实现切割头的摆动切割，其摆角优选为控制在±135°范围内，上述的随动驱动机构用于调节切割头本体9与工件表面之间的相对距离，确保切割头本体9到工件表面的距离恒定不变，聚焦进行切割；通过上述的回转驱动机构、摆动驱动机构及随动驱动机构配合，实现对工件如具有复杂曲面的航空航天零件及汽车覆盖件等的加工。

上述的切割头本体9可自行连接激光光纤等，回转驱动机构、摆动驱动机构及随动驱动机构仅用于实现切割头本体9的空间定位功能即可，本实施例中，为进一步简化该激光切割头的结构，避免光纤等线路在切割头本体9回转、摆动及调焦等运动中发生卷绕等问题而造成设备的损坏，采用如下优选方案：于所述回转驱动机构及所述摆动驱动机构中形成有用于将激光束导入所述切割头本体9内的激光通道，所述激光通道包括形成于所述回转驱动机构内的入口段和形成于所述摆动驱动机构内的中间段；即激光光束可在回转驱动机构及摆动驱动机构中传输，避免光纤或光学设备等于上述各驱动机构的相关设备发生干涉。

优化上述激光切割头的结构，如图1和图2，所述回转驱动单元3包括第一中空直线电机301，所述第一中空直线电机301的轴向为竖向，所述摆动驱动机构连接于所述第一中空直线电机301的转子底端，所述第一中空直线电机301的中空腔构成所述入口段。中空直线电机是现有技术，上述的第一中空直线电机301可由市面购得，其具体结构是本领域技术人员易于确定的，此处从略。该第一中空直线电机301带动摆动驱动机构、随动驱动机构及切割头本体9等作无限回转运动。该第一中空直线电机301的转动上端可连接光路部分，光路部分的激光可传输进入至该第一中空直线电机301的中空腔内，同时，宜避免光路部分的相应光学器件等随该第一中空直线电机301回转，因此，优选地：如图1和图2，该激光切割头还包括回转连接件2，所述回转连接件2包括回转柱环202和用于连接激光光路组件的顶盖201，所述顶盖201盖合于所述回转柱环202的顶端且与所述回转柱环202滑动接触，所述顶盖201上开设有通光孔，所述回转柱环202与所述回转驱动单元3连接且其内腔与所述入口段连通。具体地，该回转柱环202与上述的第一中空直线电机301的转子同轴连接，该回转柱环202的内腔与该转子的中空腔导通，激光光束可由上述的通光孔进入该回转柱环202的内腔再传输至该转子的中空腔内；如图1，在顶盖201上可安装QBH准直镜1，将激光光束转成平行光束后，再在回转柱环202及后续的激光通道内传输，由于顶盖201与回转柱环202之间为滑动接触，回转柱环202随第一中空直线电机301作无限回转运动时，该顶盖201不随之运动，则QBH准直镜1等光学元件也不会随之运动。另外，上述回转驱动单元3还设有回转制动器302，以保证断电时第一中空直线电机301可及时停止回转运动；现有技术中用于对回转运动进行制动的制动设备均可使用于本实施例中，如可通过回转制动器302对该第一中空直线电机301的转子进行制动，如图2，本实施例中，回转制动器302安装于上述的回转柱环202上，通过对回转柱环202制动进而控制第一中空直线电机301停止回转运动，该回转制动器302可采用气动控制制动螺钉伸出或缩回的方式实现对回转柱环202的制动与否，该制动螺钉上可穿设弹簧，施加一定的预紧力，保证其伸出的及时性。

进一步优化上述激光切割头的结构，如图1，所述摆动驱动单元6包括第二中空直线电机6，所述第二中空直线电机6的轴向为水平向，所述随动驱动机构与所述第二中空直线电机6的转子的一端连接，所述第二中空直线电机6的中空腔构成所述中间段。该第二中空直线电机6的结构可参见上述第一中空直线电机301的结构，此处不再赘述。同样地，该摆动驱动机构还设有摆动制动器(未图示)，以保证断电时第二中空直线电机6可及时停止运动，该摆动制动器的具体结构及安装结构此处不再赘述，这是本领域技术人员易于实现的。

当然，上述的回转驱动机构及摆动驱动机构并不限于上述的结构形式，如可采用电机减速机组件通过传动机构驱动中空旋转平台转动的方式实现上述功能，但本实施例中所采用的中空直线电机不采用传动机构，可有效提高切割头本体9的运动精度，且没有反向运动间隙，因而可有效提高加工精度。无疑义地，上述的第一中空直线电机301及第二中空直线电机6均为环状/管状的直线电机；本实施例中，上述的第一中空直线电机301及第二中空直线电机6均优选为采用力矩电机，定位精度更高。

进一步地，该激光切割头还包括光栅尺，所述第一中空直线电机301、所述第二中空直线电机6及所述光栅尺均与激光切割中控系统电连接，并形成闭环运动控制回路。光栅尺与直线电机配合实现被驱动对象的精确定位是常用技术，本领域技术人员根据现有技术易于实现，具体结构此处不再赘述。本实施例通过光栅尺与第一中空直线电机、所述第二中空直线电机配合，可实现对切割头本体的空间位置精确定位，保证定位精度和加工效率及效果。

由于激光光束需要从第一中空直线电机301的中空腔中传输至第二中空直线电机6的中空腔内，而两个中空直线电机的轴向互为正交，因此，需改变激光光束的传输方向。具体地，如图1和图3，所述第一中空直线电机301的转子底端安装有转接座5，所述转接座5内形成有第一入射通道和第一出射通道，所述第一入射通道沿竖向延伸且与所述入口段连通，所述第一出射通道沿水平向延伸且与所述中间段连通，所述第一入射通道与所述第一出射通道相交导通且于相交处设有第一反射镜501。激光光束经第一中空直线电机301的中空腔传输进入该第一入射通道内，经第一反射镜501反射后进入第一出射通道内，再进入第二中空直线电机6的中空腔内；上述第一反射镜501的反射面与水平方向的夹角优选为45°。进一步地，如图1和图4，所述随动驱动机构包括反射镜座8，所述随动驱动单元7安装于所述反射镜座8上，所述反射镜座8内形成有第二入射通道和第二出射通道，所述第二入射通道沿水平向延伸且与所述中间段连通，所述第二出射通道沿竖向延伸且与所述切割头本体9同轴设置，所述第二入射通道与所述第二出射通道相交导通且于相交处设有第二反射镜801。上述的第一中空直线电机301的中空腔、第一入射通道、第一反射镜501、第一出射通道、第二中空直线电机6的中空腔、第二入射通道、第二反射镜801与第二出射通道依次连通，即构成上述的激光通道。

接续上述随动驱动机构的结构，如图4，本实施例中，上述随动驱动单元7采用丝杆机构驱动的方式，其包括电机减速机组件701、丝杆702、螺母座703及导轨704，电机减速机组件701可通过支架安装在反射镜座8上，丝杆702与该电机减速机组件701连接，且螺接穿设于该反射镜座8上，螺母座703螺接于该丝杆702上且位于反射镜座8下方，切割头本体9安装于该螺母座703上，该丝杆702即构成上述的伸缩输出轴，导轨704设置于反射镜座8上，对螺母座703的直线运动进行导向。当然，也可采用气缸、电动推杆等直接与该切割头本体9连接，具体安装结构此处从略。

作为本实施例的优选方案之一，该第一反射镜501及第二反射镜801均优选为采用自适应聚焦镜501，可进一步提高加工效率；自适应聚焦镜是本领域常用技术，其可由市面购得；例如：该自适应聚焦镜501可通过电压改变其镜面形状，从而改变光斑的发散角来实现对焦点的控制，进而提高加工效率；可配置光敏传感器检测反射光的强弱，从而指导该第一反射镜501与第二反射镜801的聚焦行为。其中，进一步优选地，第二反射镜801还连接有高度调节机构，以适应由于上述随动驱动机构调节造成的切割头本体9(切割头本体9内的光学镜件)与该第二反射镜801之间的动态距离变化，该第二反射镜801优选为与上述的随动驱动机构随动连接，具体地，上述第二反射镜801与随动头之间设置电容组件，由于电容效应使得第二反射镜801与随动头随动，即可保证该第二反射镜801与切割头本体9之间的相对距离恒定。

进一步优选地，可设置一水平调节座4，保证上述的第一中空直线电机301的轴向为竖向，该水平调节座4可与该第一中空直线电机301固连，且与该第一中空直线电机301的中轴线垂直，如图1和图2，本实施例中，该水平调节座4上表面与第一中空直线电机301的底端固连，下表面与上述转接座5固连。

进一步优选地，该激光切割头还包括有防碰撞机构，切割头本体9与该防碰撞机构连接，实现切割过程中碰撞停机，保护设备安全。现有技术中常用的防碰撞机构均适用于本实施例中，以下列举一具体实施例：如图5，该防碰撞机构包括聚焦镜1001、磁铁1005、下连接板1004、上连接板1003和镜座1002，聚焦镜1001安装于该镜座1002内，镜座1002可与上述的螺母座703连接，上连接板1003与镜座1002连接，下连接板1004与切割头本体9连接，可在两连接板内分别安装有多个磁铁1005(或磁铁1005与其它铁磁性件配合)，上连接板1003内的磁铁1005与下连接板1004内的磁铁1005相互吸引从而将上连接板1003与下连接板1004堆叠吸附在一起，在其中一连接板内设置感应件(如接近开关或磁感应传感器等)，当切割头与其它设备发生碰撞时，上连接板1003与下连接板1004脱开，感应件发送信号反馈给控制计算机，进行相应操作。进一步地，为防止两连接板脱开后造成相应零件及设备的损坏，可设置弹簧，对应在上连接板1003和下连接板1004的侧壁上安装螺栓，该弹簧的上下两端分别固定在两螺栓上。

接续上述随动驱动机构的结构，例举一具体实施例对切割头本体9的结构进行说明，但并不限于该实施例的具体结构：如图6，上述切割头本体9包括保护镜901、保护镜抽屉902、调光装置903及高度传感器904，保护镜901收容于保护镜抽屉902中，保护镜抽屉902上端与上述的下连接板1004固连，下端与调光装置903连接，高度传感器904用于检测该切割头本体9与工件表面之间的相对距离，以指导上述随动驱动机构工作。该切割头本体9的具体结构是本领域技术人员易于确定的，此处不再赘述。

作为优选的方案，所述回转柱环202内设有管线安装件，所述管线安装件与所述回转柱环202内壁固连。激光加工中涉及用水、用气、用电等方面，将水管线、气管线及电管线等安装于该回转柱环202内，随该回转柱环202作无限回转运动，可避免线路缠绕的问题出现，实现回转驱动单元3、摆动驱动单元6、随动驱动单元7及切割头本体9上的用水、用气、用电安全。

实施例二

本实施例涉及一种三维激光切割装置，包括激光切割头，所述激光切割头连接有用于定位其在三维空间内位置的X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及Z轴驱动机构，所述激光切割头采用上述实施例一所提供的激光切割头。上述X轴驱动机构、Y轴驱动机构及Z轴驱动机构是本领域常规技术手段，常用的有龙门式吊架等，具体结构此处不再赘述。该X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及Z轴驱动与上述的回转驱动机构、摆动驱动机构及随动驱动机构配合，实现对切割头本体9的三维多自由度定位，保证激光切割头的加工精度及对不同工件表面的适应能力，可实现对三维工件的高质量、高精度、高效率切割，无需二次加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光切割头，包括切割头本体，其特征在于：还包括回转驱动机构、摆动驱动机构和随动驱动机构；所述随动驱动机构包括具有一伸缩输出轴的随动驱动单元，所述伸缩输出轴的轴向与所述切割头本体的轴向平行，所述切割头本体连接于所述伸缩输出轴的输出端；所述摆动驱动机构包括用于驱动所述切割头本体绕一水平向轴线旋转的摆动驱动单元，所述随动驱动机构与所述摆动驱动单元的输出端连接；所述回转驱动机构包括用于驱动所述切割头本体绕一竖向轴线旋转的回转驱动单元，所述摆动驱动机构与所述回转驱动单元的输出端连接。

2.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于：所述回转驱动机构及所述摆动驱动机构中形成有用于将激光束导入所述切割头本体内的激光通道，所述激光通道包括形成于所述回转驱动机构内的入口段和形成于所述摆动驱动机构内的中间段。

3.如权利要求2所述的激光切割头，其特征在于：所述回转驱动单元包括第一中空直线电机，所述第一中空直线电机的轴向为竖向，所述摆动驱动机构连接于所述第一中空直线电机的转子底端，所述第一中空直线电机的中空腔构成所述入口段；

所述摆动驱动单元包括第二中空直线电机，所述第二中空直线电机的轴向为水平向，所述随动驱动机构与所述第二中空直线电机的转子的一端连接，所述第二中空直线电机的中空腔构成所述中间段。

4.如权利要求3所述的激光切割头，其特征在于：还包括光栅尺，所述第一中空直线电机、所述第二中空直线电机及所述光栅尺均与激光切割中控系统电连接，并形成闭环运动控制回路。

5.如权利要求3或4所述的激光切割头，其特征在于：所述第一中空直线电机的转子底端安装有转接座，所述转接座内形成有第一入射通道和第一出射通道，所述第一入射通道沿竖向延伸且与所述入口段连通，所述第一出射通道沿水平向延伸且与所述中间段连通，所述第一入射通道与所述第一出射通道相交导通且于相交处设有第一反射镜；

所述随动驱动机构包括反射镜座，所述随动驱动单元安装于所述反射镜座上，所述反射镜座内形成有第二入射通道和第二出射通道，所述第二入射通道沿水平向延伸且与所述中间段连通，所述第二出射通道沿竖向延伸且与所述切割头本体同轴设置，所述第二入射通道与所述第二出射通道相交导通且于相交处设有第二反射镜。

6.如权利要求5所述的激光切割头，其特征在于：所述第一反射镜及所述第二反射镜均为自适应聚焦镜。

7.如权利要求2至4中任一项所述的激光切割头，其特征在于：还包括回转连接件，所述回转连接件包括回转柱环和用于连接激光光路组件的顶盖，所述顶盖盖合于所述回转柱环的顶端且与所述回转柱环滑动接触，所述顶盖上开设有通光孔，所述回转柱环与所述回转驱动单元连接且其内腔与所述入口段连通。

8.如权利要求7所述的激光切割头，其特征在于：所述回转柱环内设有管线安装件，所述管线安装件与所述回转柱环内壁固连。

9.一种三维激光切割装置，包括激光切割头，所述激光切割头连接有用于定位其在三维空间内位置的X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及Z轴驱动机构，其特征在于：所述激光切割头采用如权利要求1至8中任一项所述的激光切割头。