CN108500450A - 一种大幅面激光高速加工机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术，具体涉及一种大幅面激光高速加工机构，包括框架主体，所述框架主体上设有驱动步进电机、偏置曲柄滑块机构、直线差动行程倍增机构、激光加工头，所述偏置曲柄滑块机构包括与所述驱动步进电机连接的曲柄、与所述曲柄铰接的连杆，所述直线差动行程倍增机构包括固定设置的固定齿条、滑移齿条以及与所述固定齿条和滑移齿条分别啮合的滚轮，所述滚轮与所述连杆的端部连接，所述固定齿条和滑移齿条平行设置，所述滚轮设置在固定齿条和滑移齿条之间，所述滚轮相对所述固定齿条作往复直线运动，所述滑移齿条与激光加工头固定连接。本发明可实现对大幅面工件高速、高精度的批量焊接、切割以及刻痕，可显著提升激光加工效率。

Description

一种大幅面激光高速加工机构
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种大幅面激光高速加工机构。
背景技术
与传统加工技术相比，激光加工技术具有材料浪费少、在规模化生产中成本效应明显、对加工对象具有很强的适应性等优势特点。现已广泛的应用于微电子产业、汽车工业、船舶制造业中，尤其是激光加工的过程为非接触式且激光束运动可实现高精度控制等优点，使其非常适合用于对加工速度或效率有较高要求，且常规加工无法达到的场合。
要实现激光加工的高速化其运动控制结构显的尤为重要，目前常见的激光加工运动控制方式主要分为两种类型：光学反射式以及机械传动式。光学反射式通常采用振镜或特定形状的反射镜来对激光光束进行折射，但该方法受限于反射后激光光束的光学性质其加工幅面通常较小，难以胜任像是板材切割、大幅面激光雕刻等工业中的大幅面激光加工。而机械传动式则采用类似于数控机床的传动结构，通过丝杠传动或同步带传动等方式带动激光加工头进行相应的加工，该方式通过配合相应的导轨或丝杠可以较为方便的实现大幅面激光加工的要求。但是当进行大幅面加工时，机械传动式受限于较大的传动结构其加工效率的提升始终存在瓶颈，并且机械结构在高速运动时也会对其加工精度产生较大影响，因此虽然机械传动式虽然可以很好的胜任一些大幅面复杂激光加工，但对于一些加工方式较为简单但加工产量要求较高的批量加工场合无法很好的满足。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种大幅面激光高速加工机构。
本发明所采取的技术方案如下：一种大幅面激光高速加工机构，包括框架主体，所述框架主体上设有驱动步进电机、偏置曲柄滑块机构、直线差动行程倍增机构、激光加工头，所述偏置曲柄滑块机构包括与所述驱动步进电机连接的曲柄、与所述曲柄铰接的连杆，所述直线差动行程倍增机构包括固定设置的固定齿条、滑移齿条以及与所述固定齿条和滑移齿条分别啮合的滚轮，所述滚轮与所述连杆的端部连接，所述固定齿条和滑移齿条平行设置，所述滚轮设置在固定齿条和滑移齿条之间，所述滚轮相对所述固定齿条作往复直线运动，所述滑移齿条与激光加工头固定连接。
所述连杆的端部设有连接轴，所述连接轴与所述滚轮之间设有涨紧轴套并通过涨紧轴套连接。
所述滚轮与所述固定齿条和所述滚轮与所述滑移齿条之间为次摆线滚轮齿条传动结构。
所述框架主体上设有第一横梁，所述固定齿条固定在第一横梁上。
所述框架主体上固定设有上滚动直线导轨和下滚动直线导轨，所述滑移齿条与所述上滚动直线导轨滑移配合，所述激光加工头与下滚动直线导轨滑移配合。
所述框架主体上对应所述滑移齿条两端极限行程位置设置缓冲装置。
所述缓冲装置为缓冲油缸。
所述框架主体为铝型材装配而成。
本发明的有益效果如下：针对目前激光加工运动控制机构所存在的不足，通过设置直线差动程速倍增结构，实现滑移齿条相对于滚轮的速度及行程同时倍增的效果，通过偏置曲柄滑块机构其机构结构简洁可靠，加工效率高，机构动作运行流畅；可实现对大幅面工件高速、高精度的批量焊接、切割以及刻痕，可显著提升激光加工效率。
附图说明
图1为大幅面激光高速加工动作执行机构整体结构图。
图2为由偏置曲柄滑块机构驱动的直线差动程速倍增结构。
图3为销轴滚轮与连杆连接方式示意图。
图4为机构左右两极限位置的示意图，其中，A为左极限位置，B为右极限位置。
图5为直线差动程速倍增结构机构简图。
图6为次摆线滚轮齿条的主视图。
图7为次摆线滚轮齿条的侧视图。
图中，1，框架主体；101，铝型材；102，驱动步进电机；103，上滚动直线导轨；104，下滚动直线导轨；105，缓冲装置；106，横梁；2，偏置曲柄滑块机构；201，曲柄；202，连杆；203，连接槽螺母；3，直线差动滚轮齿条机构；301，固定齿条；302，滚轮；303，滑移齿条；304，涨紧轴套；305，连接轴；4，激光加工头。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式，可以更好地说明本发明。
如图1所示，一种大幅面激光高速加工机构，包括框架主体1，所述框架主体1上设有驱动步进电机102、偏置曲柄滑块机构2、直线差动行程倍增机构3、激光加工头4，由于激光加工是非接触式加工，对机构刚性要求不高，从节省成本以及装置的轻量化方面考虑，整体机构的框架主体1由铝型材101装配而成。
如图2所示，偏置曲柄滑块机构2包括与所述驱动步进电机102连接的曲柄201、连杆202，所述曲柄201与所述连杆202之间通过连接槽螺母203铰接，所述直线差动行程倍增机构3包括固定设置的固定齿条301、滑移齿条303以及与所述固定齿条301和滑移齿条303分别啮合的滚轮302，所述滚轮302与所述连杆202的端部连接，所述滚轮302相对所述固定齿条301作往复直线运动，所述固定齿条301和滑移齿条303平行设置，所述滚轮302设置在固定齿条301和滑移齿条303之间。偏置曲柄滑块机构2将驱动步进电机102输出的回转运动转化为往复的直线运动。
如图3所示，所述连杆202的端部设有连接轴305，所述连接轴305与所述滚轮302之间设有涨紧轴套304并通过涨紧轴套304连接。连接结构简单，安装方便。
如图4所示，在所述曲柄201周向旋转过程中，当曲柄201与连杆202为重叠共线时，滑移齿条303为左极限位置，当曲柄201与连杆202为拉直共线时，滑移齿条303为右极限位置。
其机构简图如图5所示，所述框架主体1上设有横梁106，横梁106可以上下位移且具有锁定结构，所述固定齿条301固定在横梁106上。所述框架主体1上固定设有上滚动直线导轨103和下滚动直线导轨104，所述滑移齿条303与所述上滚动直线导轨103滑移配合，所述激光加工头4与下滚动直线导轨104滑移配合。偏置曲柄滑块机构将驱动步进电机102输入的动力传递至滚轮302上，使其沿固定齿条301作往复啮合直线运动，而滚轮30同时又与滑移齿条303相啮合；因此当滚轮302与固定齿条301作啮合运动时，就会对与上滚动直线导轨103相连的滑移齿条303产生推动作用，其推动距离与曲柄滑块机构的滑块移动距离——即滚轮302的移动距离相同；同时当滚轮302滚动时，由于滑移齿条303同样与其啮合，其二者间还存在相对啮合运动，使滑移齿条303相对与滚轮302同样存在直线运动。推动作用与啮合运动相结合使得机构能够实现对原有曲柄滑块机构输入行程的放大。并且可以图5的机构见图中看出主动齿轮与滑移齿条的速度瞬心P点圆周速度VP与主动齿轮中心速度VO其分别为：
VP＝2πDn＝4πrn (1)
VO＝2πrn (2)
将(1)式代入(2)式可得：
VP＝2(2πrn)＝2VO (3)
由公式(3)可见滑移齿条303与滚轮302的速度瞬心点P的圆周速度Vp是滚轮302其自身的移动速度的两倍。这样达到了滑移齿条303相对于滚轮302的速度及行程同时倍增的效果；此时通过将滑移齿条303与安装于下直线导轨104上激光加工头4相连，即可实现激光加工头的高速直线运动。
在滑移齿条两端极限行程位置设置了缓冲装置105，减少滑移齿条303在高速往复运动中产生的交变载荷冲击，达到缓冲目的。缓冲装置105优选小型缓冲油缸。
实际设计时，根据激光加工需要的最大行程设计固定齿条301和滑移齿条303的长度，固定齿条301和滑移齿条303等长，固定齿条301的长度仅需要满足滚轮302的最大行程，在滚轮302为左右极限位置时为啮合即可，滚轮302的最大行程为二分之一激光加工需要的最大行程。
在实际生产过程中，固定齿条301和滑移齿条303为相同形状，通过一个模具成型，然后分别固定在横梁106和上滚动直线导轨103上，然后安装驱动步进电机102和偏置曲柄滑块机构2，将滚轮302放置在滑移齿条303使两者啮合，向下移动横梁106使固定齿条301与滚轮302啮合然后锁定固定横梁106的位置。
如图6和图7所示，所述滚轮302与所述固定齿条301和所述滚轮302与所述滑移齿条303之间为次摆线滚轮齿条传动结构，所述固定齿条301和所述滑移齿条303表面的齿形为次摆线齿形，所述滚轮302上安装若干对应的滚柱。使用次摆线滚轮齿条传动结构是因为考虑到在大批量生产加工过程中加工头运行速度较高，在高速往复运动的工况条件下如采用传统的齿轮齿条结构势必会造成机构运动噪音极大，构件间磨损加剧甚至造成卡齿等不良情况的发生。而如图6和图7所示的次摆线滚轮齿条传动结构相较于传统的齿轮齿条结构来说通过以轴承支撑的滚销代替齿轮轮齿，以次摆线齿条代替传统直齿廓齿条的方式，将带有冲击载荷的轮齿啮合接触转变为较圆滑的滚动接触，降低了机构高速运行时的震动、噪音、发热以及磨损，这就使次摆线滚轮齿条非常适合用于长距离，高速度的直线传动，可显著改善机构在高速往复运动的工况条件下的性能。
次摆线的齿形方程为
其中，z为滚轮滚柱数；m为模数；Cy为齿条齿廓偏移系数；Cf滚柱直径系数。
当加工过程为往复式时，可以配合偏置曲柄滑块机构的机构急回特性，将激光加工的空行程设置在连杆机构的急回段，将进一步提高机构的动作执行效率。可以将通过Matlab、ADAMS等软件中建立偏置曲柄滑块的模型，输入曲柄的长度和转速、连杆的长度、旋转轴心的位置、滑块也就是滚轮302的左右极限位置，获得滚轮302的运动学数据，包括滚轮302的位移和速度，激光加工头在不同时刻的位移和速度为对应时刻的滚轮302两倍的位移和速度。激光加工头可以根据对应的位移速度和对应位置所需要的加工量调整激光的输出功率。可以设置一个激光加工控制系统，激光加工系统包括储存模块、功率计算模块、驱动模块，储存模块储存有激光加工头在不同时刻的位移和速度、对应位置的输出功率密度，所述功率计算模块将速度乘以输出功率密度就得到对应时刻、对应位置的输出功率，驱动模块根据计算得到的输出功率发出激光束。
以上所述仅为本发明的一种实施例，并非用来限制本发明的保护范围；本发明的保护范围由权利要求书中的权利要求限定，并且凡是依发明所作的等效变化与修改，都在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大幅面激光高速加工机构，包括框架主体(1)，其特征在于：所述框架主体(1)上设有驱动步进电机(102)、偏置曲柄滑块机构(2)、直线差动行程倍增机构(3)、激光加工头(4)，所述偏置曲柄滑块机构(2)包括与所述驱动步进电机(102)连接的曲柄(201)、与所述曲柄铰接的连杆(202)，所述直线差动行程倍增机构(3)包括固定设置的固定齿条(301)、滑移齿条(303)以及与所述固定齿条(301)和滑移齿条(303)分别啮合的滚轮(302)，所述滚轮(302)与所述连杆(202)的端部连接，所述固定齿条(301)和滑移齿条(303)平行设置，所述滚轮(302)设置在固定齿条(301)和滑移齿条(303)之间，所述滚轮(302)相对所述固定齿条(301)作往复直线运动，所述滑移齿条(303)与激光加工头(4)固定连接。
2.根据权利要求1所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述连杆(202)的端部设有连接轴(305)，所述连接轴(305)与所述滚轮(302)之间设有涨紧轴套(304)并通过涨紧轴套(304)连接。
3.根据权利要求1所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述滚轮(302)与所述固定齿条(301)和所述滚轮(302)与所述滑移齿条(303)之间为次摆线滚轮齿条传动结构。
4.根据权利要求1所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述框架主体(1)上设有横梁(106)，所述固定齿条(301)固定在横梁(106)上。
5.根据权利要求1所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述框架主体(1)上固定设有上滚动直线导轨(103)和下滚动直线导轨(104)，所述滑移齿条(303)与所述上滚动直线导轨(103)滑移配合，所述激光加工头(4)与下滚动直线导轨(104)滑移配合。
6.根据权利要求1所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述框架主体(1)上对应所述滑移齿条(303)两端极限行程位置设置缓冲装置(105)。
7.根据权利要求6所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述缓冲装置(105)为缓冲油缸。
8.根据权利要求1所述的大幅面激光高速加工机构，其特征在于：所述框架主体(1)为铝型材(101)装配而成。
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