CN109108838A - 水刀切割装置 - Google Patents

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Abstract

一种水刀切割装置，包含一个承座单元，及一个输出单元。该承座单元包括一个基座、一个设置于该基座上的第一马达、一个连接该第一马达的第一旋转座、一个设置于该第一旋转座上的第二马达，及一个连接该第二马达的第二旋转座。该输出单元包括一个气动阀、一个连通该气动阀的切割头、一个用以控制该第一马达及该第二马达的控制器，及一个可感测该切割头的倾斜角度的惯性量测组件。该惯性量测组件可实时感测到姿态与定位讯号并回授给该控制器，使该控制器控制该第一马达及该第二马达，进而使该切割头维持目标角度或实时补偿角度，以提高加工精密度。

Description

水刀切割装置
技术领域
本发明涉及一种水刀切割装置，特别是涉及一种具有惯性量测组件的水刀切割装置。
背景技术
水刀切割装置常用于精密加工制程，根据加工方式及动作自由度又可将切割装置分为许多类型，其中如图1所示的2.5D五轴加工水刀切割装置1是常见的类型，该水刀切割装置1包含一个第一旋转座11、一个枢接该第一旋转座11的第二旋转座12，及一个设置于该第二旋转座12上的切割头13。该第一旋转座11可被马达14或其他动力源带动，而以一个沿高度方向延伸的第一轴线A为轴心地旋转。该第二旋转座12也可被另一个马达15或动力源带动，而沿图1所示的以一个第二轴线B为轴心地旋转。而该第一轴线A及该第二轴线B的延伸线会相互交会且夹设出一个角度，透过该第一旋转座11及该第二旋转座12可带动该切割头13与垂直线产生一个倾角，以达到斜面的加工需求。
然而该切割头13在进行切割加工的过程中，容易因马达14、15结合机构的定位精度或磨料、水刀条件、运动条件、加工材料等因素影响，而使该切割头13的倾角长时间或短时间地偏离预设角度，造成加工失准，尤其是当该水刀切割装置1在高切割速度下，更是十分容易产生加工平面的真平度、或两平面的垂直度不符公差标准等情形，大幅降低了成品的精准度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实时补偿倾斜角度的水刀切割装置。
本发明水刀切割装置，其特征在于：该水刀切割装置包含一个承座单元，及一个输出单元，该承座单元包括一个基座、一个设置于该基座上的第一马达、一个连接该第一马达且可被该第一马达带动而以一个第一轴线为转轴地旋转的第一旋转座、一个设置于该第一旋转座上的第二马达，及一个连接该第二马达且可被该第二马达带动而以一个第二轴线为转轴地旋转的第二旋转座，该第一轴线及该第二轴线界定出一个夹角，该输出单元包括一个设置于该第二旋转座上的气动阀、一个连通该气动阀的切割头、一个用以控制该第一马达及该第二马达的控制器，及一个可感测该切割头的倾斜角度的惯性量测组件，该惯性量测组件感测到姿态与定位讯号并回授给该控制器，使该控制器控制该第一马达与该第二马达来进行角度补偿实时作业。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该承座单元还包括一个设置于该第一旋转座且界定出一个第一穿线孔的第一球窝轴承，该水刀切割装置还包含一个管线单元，该管线单元包括一个通过该第一穿线孔且连接该输出单元的切割头的高压进水管、一个通过该第一穿线孔且连通该气动阀的进气管，及一个通过该第一穿线孔且连通该切割头的磨料管。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该承座单元的第一球窝轴承具有一个固设于该第一旋转座上的外环部，及一个设置于该外环部内且界定出该第一穿线孔的内环部，该内环部可相对于该外环部同轴旋转及倾斜，该第一球窝轴承为球面轴承。
较佳地，前述水刀切割装置，其中在该第一轴线及该第二轴线的最佳动态定位精度为0.001°至0.05°。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该承座单元的第一马达及该第二马达为谐和式伺服马达。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该承座单元还包括一个设置于该第二旋转座上且界定出一个第二穿线孔的第二球窝轴承，该管线单元的高压进水管是依序穿过该第一马达、该第一球窝轴承的第一穿线孔、该第一旋转座、该第二马达及该第二球窝轴承的第二穿线孔，以连接该输出单元的切割头，该第二球窝轴承为球面轴承。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该管线单元还包括一个设置于该承座单元的第一马达上且供该高压进水管穿设的第一旋转接头，该第一旋转接头可以该第一轴线为自身转轴地相对于该第一马达旋转。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该管线单元还包括一个设置于该承座单元的第二马达上且供该高压进水管穿设的第二旋转接头，及一个穿设该第一旋转座并供该高压进水管通过的适配器，该第二旋转接头概呈L字形，且可以该第二轴线为自身转轴地相对于该第二马达旋转。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该管线单元的进气管是依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔以连接该气动阀，该磨料管是依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔以连接该切割头。
较佳地，前述水刀切割装置，其中该管线单元还包括一个依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔以连接该惯性量测组件的第一电线、一个依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔，并绕过该第一旋转座以连接该第二马达的第二电线，及一个连接该第一马达且与该第一电线及该第二电线电性连接的第三电线。
本发明的有益效果在于：该惯性量测组件可实时监控该切割头的倾斜角度，以使该切割头维持目标角度，此外，也可同时执行不同切割动作所合适的补偿角度作业，使得该惯性量测组件可根据排程的动作实时补偿角度，进而使该切割头最后能以理想的倾角对对象进行加工，以提高加工精密度。
附图说明
图1是一个侧视图，说明一个现有的水刀切割装置；
图2是一个部分剖视图，说明本发明水刀切割装置的一个实施例；
图3是一个不完整的示意图，说明本实施例未绘示一个管线单元的态样；
图4是一个不完整的立体图，说明本实施例中的第一球窝轴承；及
图5是一个立体图，说明现有WaterJetSweden的2.5D切割装置所加工出的加工面特征。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图2及图3，本发明水刀切割装置的一个实施例，包含一个承座单元2、一个设置于该承座单元2上的输出单元3，及一个连接该承座单元2及该输出单元3的管线单元4(未显示于图3中)。
该承座单元2包括一个用以连接其他装置(图未示)的基座21、一个立设于该基座21上的第一马达22、一个连接该第一马达22而可被该第一马达22带动旋转的第一旋转座23、一个嵌设于该第一旋转座23上的第一球窝轴承24、一个设置于该第一旋转座23上的第二马达25、一个连接该第二马达25且可被该第二马达25带动旋转的第二旋转座26，及一个嵌设于该第二旋转座26上的第二球窝轴承27。在本实施例中，该第一球窝轴承24及该第二球窝轴承27皆为球面轴承，当然，视实际需求及配置也可使该第二球窝轴承27为单列深沟球轴承。
该基座21具有一个供该第一马达22部分伸置，以透过多个连接件28将该第一马达22与该第一旋转座23连接的第一开槽211。该第一旋转座23具有一个平行于该基座21且供该第一球窝轴承24设置并连接该第一马达22的安装部231、一个由该安装部231向下延伸的延伸部232，及一个由该延伸部232底端倾斜地向下延伸并供该第二马达25设置的倾斜部233。该倾斜部233具有一个供该第二马达25部分伸置，以透过多个固定件29将该第二马达25与该第二旋转座26连接的第二开槽234。定义一个沿高度方向延伸的第一轴线C，该第一轴线C通过该第一马达22及该第一球窝轴承24的轴心。该第一球窝轴承24具有一个固设于该第一旋转座23的安装部231上的外环部241，及一个设置于该外环部241内且界定出一个第一穿线孔242的内环部243。该内环部243可相对于该外环部241同轴旋转，也可以相对于该外环部241倾斜。
该第二旋转座26具有一个平行于该第一旋转座23的倾斜部233且连接该第二马达25的斜板部261，及一个连接该斜板部261且平行于该第一旋转座23的安装部231的平板部262。定义一个与该第一轴线C界定出一个夹角D的第二轴线E，该第一轴线C及该第二轴线E相交于一个交点F，该第二轴线E通过该第二马达25及该第二球窝轴承27的轴心，在本实施例中，该夹角D为60度。该第二球窝轴承27界定出一个朝向该倾斜部233的第二开槽234的第二穿线孔271。在本实施例中，该第一马达22及该第二马达25皆为谐和式伺服马达(Harmonic Drive)。
该输出单元3包括一个设置于该第二旋转座26的平板部262上的气动阀31、一个立设于该平板部262上且连通该气动阀31的切割头32、一个用以控制该第一马达22及该第二马达25的控制器(图未示)，及一个设置于该气动阀31上的惯性量测组件33。在本实施例中，该控制器为CNC控制器，该切割头32最末端的刀尖点恰好位于该交点F上。该管线单元4包括一个可以该第一轴线C为自身转轴地枢设于该承座单元2的第一马达22上且概呈I形的第一旋转接头41、一个可以该第二轴线E为自身转轴地透过支架等组件(图未示)枢设于该第二马达25上且概呈L字形的第二旋转接头42、一个沿水平方向穿设该第一旋转座23的延伸部232的适配器43、一个连通该输出单元3的切割头32的高压进水管44、一个连通该输出单元3的进气阀的进气管45、一个连通该切割头32的磨料管46、一个电性连接该惯性量测组件33的第一电线47、一个电性连接该第二马达25的第二电线48，及一个电性连接该第一马达22、该第一电线47及该第二电线48的第三电线49。需要特别说明的是，为了图式的简洁，该管线单元4仅绘示于图2中，且以较粗的实线表示该高压进水管44、以细链线表示该进气管45、以圆点虚线表示该磨料管46，并以一点链线表示该第一电线47、第二电线48及第三电线49。该高压进水管44是如图2所示地依序穿过该第一旋转接头41、该第一马达22、该第一球窝轴承24的第一穿线孔242、该适配器43、该第二旋转接头42、该第二马达25，及该第二球窝轴承27的第二穿线孔271，从而连接该切割头32。该进气管45、该磨料管46及该第一电线47是依序穿过该第一马达22及该第一球窝轴承24的第一穿线孔242后，分别连接该气动阀31、该切割头32及该惯性量测组件33。该第二电线48是依序穿过该第一马达22及该第一球窝轴承24的第一穿线孔242，并绕过该第一旋转座23的延伸部232以连接该第二马达25。
该第一马达22可带动该第一旋转座23以该第一轴线C为转轴地旋转，进而带动使该切割头32旋转。该第二马达25可带动该第二旋转座26以该第二轴线E为转轴地旋转，进而使该切割头32相对于垂直轴线倾斜而产生一个倾斜角度。在加工制程中，该惯性量测组件33、该气动阀31及该切割头32与该第二旋转座26同步旋转及摆动，而本实施例中，该惯性量测组件33(Inertial measurement unit，IMU)为可侦测姿态的陀螺仪，故其能进行三轴感测以监测该切割头32保持合适的倾斜角度，并交由该控制器对该第一马达22及该第二马达25进行动态控制，进而使该切割头32能以正确的角度进行切割。此外，该惯性量测组件33还可根据应用场景或动作预先设定补偿角度，使得其可对应应用场景或动作以最适合的补偿角度来调整该切割头32，譬如一般的水刀切割装置在切割速度较快时，容易使加工切削面产生波纹状之锥(斜)面(Taper)，造成加工平面不够平整，或两平面间的垂直度不符公差规范，而本实施例可透过事先所建立的加工切削运动速度与补偿角度的对照表，使该惯性量测组件33可根据切割运动速度与工件厚度等参数来调变出最佳补偿角度，进而同时消除波纹及锥(斜)面(Taper)，以使成品的真平度及垂直度符合公差规范，提高加工精度。
参阅图2、图3及图4，本实施例的高压进水管44为了要能承受较强的水压，因此多为金属制的特殊硬管，而一般的水刀装置若使用此种高压进水管44，则易因加工过程时的旋转摆动造成该高压进水管44产生连续弯折或扭转与表面应力，进而产生多个反曲点，这使得该高压进水管44进水不顺，也易因应力集中、压力脉动等原因而发生疲劳破坏。本实施例的第一旋转接头41及该第二旋转接头42可分别沿该第一轴线C及该第二轴线E旋转，避免加工过程中该高压进水管44因自由度不足而扭转受损。该第一球窝轴承24的内环部243可相对于该外环部241微幅摆动，使得该高压进水管44能进行微角度偏摆，此种设计可吸收加诸于该高压进水管44上的部分应力，进而提升该高压进水管44的耐用度，同样的，该第二球窝轴承27也可达到此种功效。需要特别说明的是，在该高压进水管44旋转时，该进气管45、该磨料管46、该第一电线47、该第二电线48及该第三电线49等柔性管是可绕着该高压进水管44旋转，而在旋转至角度极限后亦可透过反转等反复作动来配合该控制器的指令运动。
需要特别说明的是，本实施例在该第一轴线C及该第二轴线E相交的交点F处的静态定位精度(Accuracy of Position)范围为0.0001°～0.1°间，最佳动态定位精度(Transmission Accuracy)操作在0.001°～0.05°间，下表一为本实施例与其他水刀切割装置大厂的静态定位精度比较，下表二为本实例与其他水刀切割装置大厂的动态定位精度比较。图5为WaterJetSweden的2.5D切割装置对工件加工后，工件的最终加工成果。虽然该工件的加工面(如图5中的圈示处)呈现不错的效果，但该2.5D切割装置仍无法进行角度补偿作业，来提升加工面质量。而本实施例可透过该惯性量测组件33进行角度补偿作业，进而可克服此种问题而提升加工面质量。
表一：
厂商名称 静态定位精度
本实施例 0.0001°～0.1°
WARDJET 0.0167°(1arcmin)
OMAX 0.09°(6arcmin)
Resato 0.1°
表二：
厂商名称 动态定位精度
本实施例 0.001°～0.05°
WaterJetSweden 0.0167°(1arcmin)
综上所述，该惯性量测组件33可对该切割头32进行实时姿态与定位校正，并进行角度补偿作业，进而提升加工精准度，而该第一球窝轴承24使该高压进水管44可微角度摆动，从而可降低加工时的冲击及吸收部分应力，提升该高压进水管44的耐用度，故确实能达成本发明的目的。

Claims (10)

1.一种水刀切割装置，其特征在于：该水刀切割装置包含一个承座单元，及一个输出单元，该承座单元包括一个基座、一个设置于该基座上的第一马达、一个连接该第一马达且可被该第一马达带动而以一个第一轴线为转轴地旋转的第一旋转座、一个设置于该第一旋转座上的第二马达，及一个连接该第二马达且可被该第二马达带动而以一个第二轴线为转轴地旋转的第二旋转座，该第一轴线及该第二轴线界定出一个夹角，该输出单元包括一个设置于该第二旋转座上的气动阀、一个连通该气动阀的切割头、一个用以控制该第一马达及该第二马达的控制器，及一个可感测该切割头的倾斜角度的惯性量测组件，该惯性量测组件感测到姿态与定位讯号并回授给该控制器，使该控制器控制该第一马达与该第二马达来进行角度补偿实时作业。
2.根据权利要求1所述的水刀切割装置，其特征在于：该承座单元还包括一个设置于该第一旋转座且界定出一个第一穿线孔的第一球窝轴承，该水刀切割装置还包含一个管线单元，该管线单元包括一个通过该第一穿线孔且连接该输出单元的切割头的高压进水管、一个通过该第一穿线孔且连通该气动阀的进气管，及一个通过该第一穿线孔且连通该切割头的磨料管。
3.根据权利要求2所述的水刀切割装置，其特征在于：该承座单元的第一球窝轴承具有一个固设于该第一旋转座上的外环部，及一个设置于该外环部内且界定出该第一穿线孔的内环部，该内环部可相对于该外环部同轴旋转及倾斜，该第一球窝轴承为球面轴承。
4.根据权利要求1所述的水刀切割装置，其特征在于：在该第一轴线及该第二轴线的最佳动态定位精度为0.001°至0.05°。
5.根据权利要求3所述的水刀切割装置，其特征在于：该承座单元的第一马达及该第二马达为谐和式伺服马达。
6.根据权利要求5所述的水刀切割装置，其特征在于：该承座单元还包括一个设置于该第二旋转座上且界定出一个第二穿线孔的第二球窝轴承，该管线单元的高压进水管是依序穿过该第一马达、该第一球窝轴承的第一穿线孔、该第一旋转座、该第二马达及该第二球窝轴承的第二穿线孔，以连接该输出单元的切割头，该第二球窝轴承为球面轴承。
7.根据权利要求6所述的水刀切割装置，其特征在于：该管线单元还包括一个设置于该承座单元的第一马达上且供该高压进水管穿设的第一旋转接头，该第一旋转接头可以该第一轴线为自身转轴地相对于该第一马达旋转。
8.根据权利要求7所述的水刀切割装置，其特征在于：该管线单元还包括一个设置于该承座单元的第二马达上且供该高压进水管穿设的第二旋转接头，及一个穿设该第一旋转座并供该高压进水管通过的适配器，该第二旋转接头概呈L字形，且可以该第二轴线为自身转轴地相对于该第二马达旋转。
9.根据权利要求8所述的水刀切割装置，其特征在于：该管线单元的进气管是依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔以连接该气动阀，该磨料管是依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔以连接该切割头。
10.根据权利要求1所述的水刀切割装置，其特征在于：该管线单元还包括一个依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔以连接该惯性量测组件的第一电线，一个依序穿过该第一马达及该第一球窝轴承的第一穿线孔，并绕过该第一旋转座以连接该第二马达的第二电线，及一个连接该第一马达且与该第一电线及该第二电线电性连接的第三电线。
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