CN111098042A - 一种立体式三维五轴联动激光切割设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工技术领域，具体为一种立体式三维五轴联动激光切割设备，主要由两轴旋转模块、三坐标模组、主机架、移动工作台、激光发生器、输送带、双坐标模组和取件机构等构成，其中两轴旋转模块上设有激光切割头；激光发生器通过若干折射镜传输激光至激光切割头的聚焦镜片上；两轴旋转模块与三坐标模组结合使用能够实现五自由度的激光切割加工；工件固定放置在移动工作台上，在取件放件的位置与激光加工的位置之间来回移动；工件通过取件机械手取件放至输送带上。通过使用本发明，满足对具备三维轨迹曲线非金属加工件的激光切割加工，能够减少工序和装夹次数，进而提高了生产效率和保证加工品质。

Description

一种立体式三维五轴联动激光切割设备

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体为一种立体式三维五轴联动激光切割设备。

背景技术

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车工件的要求越来越高。为了使汽车工件达到更好的视觉效果和美观度，在设计汽车工件时设计师采用更多的曲线和复杂的线条进行设计，这为汽车工件这一类非金属加工件的加工带来更多的挑战。汽车工件在生产过程中多采用激光切割，但目前市面上缺乏能够实现三维五轴激光切割的设备，导致在汽车工件的生产加工过程中，需要设置更多的切割工序或更多的人工步骤，进而导致其生产效率低下同时不利于提高加工精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种，以解决上述背景技术中提出的针对现有技术无法解决的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种立体式三维五轴联动激光切割设备，包括主机架、三坐标模组和移动工作台，所述主机架顶部固定设置有三坐标模组和激光发生器，其中三坐标模组上设置有两轴旋转模块；所述移动工作台活动设置在主机架上，位于两轴旋转模块下方；

所述两轴旋转模块包括第一安装台，所述第一安装台底部设有可旋转的第二安装台与可轴向旋转的第二传动轴，且所述第二传动轴的其中一端固定设有第二折射镜与激光切割头；所述第二传动轴为空心轴，其空心区域由设置第二折射镜与激光切割头的一端延续至另一端，所述的激光切割头内设有聚焦镜片。

优选的，所述三坐标模组包括竖直方向Y轴、平行方向X轴和垂直方向Z轴，均为电动丝杆滑移机构；所述两轴旋转模块固定安装于Z轴；所述Z轴固定设置有第三折射镜，所述平行方向X轴固定设置有第四折射镜，所述激光发生器的激光发射口前方设有第五折射镜。

优选的，所述主机架设有直线导轨和丝杆，所述移动工作台通过底部设置的滑块活动安装在直线导轨上，且移动工作台底部与丝杆连接；所述移动工作台顶部还设有夹具。

优选的，所述主机架顶部设有由双坐标模组和取件机构构成的取件机械手，其中取件机构固定安装在双坐标模组上；所述双坐标模组与三坐标模组沿直线导轨长度方向相邻布置，双坐标模组在前侧，三坐标模组在后侧；所述主机架前方、取件机构下方设有输送带。

优选的，所述第一安装台顶部固定设有升降安装台，且该升降安装台与Z轴固定连接；所述三坐标模组与两轴旋转模块上方设有防护壳，侧面设有若干防护板。

优选的，所述两轴旋转模块还设有第一安装台、第三安装台和第一折射镜，且所述第二安装台通过连接机构可旋转地安装在第一安装台底部，所述第三安装台与第一折射镜固定设置于第二安装台底部。

优选的，所述连接机构为圆锥滚子轴承，其内圈顶部与第一安装台底部固定连接，外圈底部与第二安装台固定连接，且所述外圈顶部固定设有齿圈，两者为同轴关系；所述第一安装台顶部设有电机驱动模块，其输出端与齿圈连接，驱动第二安装台旋转。

优选的，所述第三安装台内嵌有可轴向旋转的第一传动轴并列平行，两者为连接关系；所述第一传动轴分别通过深沟球轴承内嵌安装于第三安装台，且第一传动轴的旋转轴线与第二安装台的旋转轴线相垂直。

优选的，所述第二传动轴与第一传动轴的后侧，第二传动轴固定设有第二折射镜和激光切割头的一端位于第三安装台的前侧；所述第三安装台后侧设有与第一连接轴连接的伺服电机。

优选的，所述激光切割头与第二传动轴为垂直关系，且第二折射镜与第二传动轴和激光切割头均为45°关系；所述第第一折射镜通过折射镜支架布置于第二传动轴后侧，且与第二传动轴为45°关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过第一安装台、连接机构与第二安装台构成的第一级旋转机构，以及第三安装台、第一传动轴和第二传动轴构成的第二级旋转机构，使得激光切割头具备两个转动自由度；具备两个转动自由度的激光切割头结合可实现三个移动自由度的三坐标模组，使得激光切割头能够实现五自由度的运动，满足对具备多曲线和线条复杂的非金属加工件的激光切割加工，能够减少工序和装夹次数，进而提高了生产效率和保证加工品质。

附图说明

图1为本发明立体视角的除去防护罩的结构示意图；

图2为本发明图1中P处的放大视图；

图3为本发明图1中I处的放大视图；

图4为本发明三坐标模组与两轴旋转模块的立体视角的结构示意图；

图5为本发明图4中O处的放大视图；

图6为本发明垂直滑移模组与两轴旋转模块的立体视角的结构示意图；

图7为本发明立体视角的结构示意图；

图8为本发明两轴旋转模块的立体视角的结构爆炸视图；

图9为本发明两轴旋转模块的立体视角的内部结构示意图；

图10为本发明第二传动轴处的剖视图。

图中：1、两轴旋转模块；2、三坐标模组；3、主机架；4、移动工作台；5、激光发生器；6、输送带；7、双坐标模组；8、取件机构；9、第三折射镜；10、第四折射镜；11、第五折射镜；101、第一安装台；102、电机驱动模块；103、升降安装台；104、齿圈；105、连接机构；106、第二安装台；107、第三安装台；108、伺服电机；109、折射镜支架；110、第一传动轴；111、深沟球轴承；112、圆锥滚子轴承；113a、第一折射镜；113b、第二折射镜；114、第二传动轴；115、激光切割头；201、第一水平滑移模组；202、第二水平滑移模组；203、垂直滑移模组；301、直线导轨；401、滑块；402、夹具。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考附图1至附图6，本发明提供一种技术方案，一种立体式三维五轴联动激光切割设备，主要通过具备两个转动自由度的两轴旋转模块1和具备三个移动自由度的三坐标模组2组合使用，实现激光切割头的五自由度运动，进而实现三维五轴联动的激光切割功能；其次通过移动工作台4实现工件的输送和装夹，通过取件机械手实现工件的取放，进而实现工件的自动化激光切割流程。

参考附图中的坐标系，取件机械手的取件机构8通过双坐标模组7实现y轴方向的水平滑移以及z轴方向的垂直滑移；在取件机构8进行取件和放件的过程中需要精准的定位，双坐标模组7采用电动丝杆机构，能实现精准定位的要求，提高加工质量；取件机构8的主要工作过程是：首先移动至移动工作台4的夹具上方，下降至夹具处并拾取加工完成后的工件；然后上升朝向输送带6方向滑移；最后移动至输送带6上方，下降并将工件放置于输送带6上。

移动工作台4通过底部的滑块安装在直线导轨上，然后由丝杆驱动移动工作台4在两轴旋转模块1与取件机构8之间移动，实现工件的工位转换。

参考附图4、附图5和附图6，激光发生器5产生激光，通过第五折射镜11、第四折射镜10和第三折射镜9传输至两轴旋转模块1。由于两轴旋转模块1安装于三坐标模组2的垂直滑移模组，处于移动状态，因此固定安装在主机架3上激光发生器5需要通过安装在第二水平滑移模组的第四折射镜10和垂直滑移模组的第三折射镜9进行传输。

在第一水平滑移模组201驱动第二水平滑移模组202在x轴方向滑移时，第四折射镜10跟随第二水平滑移模组202移动，第四折射镜10与第五折射镜11的距离发生变动，但相对折射位置关系不变；在第二水平滑移模组202驱动垂直滑移模组203在y轴方向滑移时，第三折射镜9跟随垂直滑移模组203移动，第三折射镜9与第四折射镜10的距离发生变动，但相对折射位置关系不变；在垂直滑移模组203驱动两轴旋转模块1在z轴方向滑移时第三折射镜9与第二折射镜113b的距离发生变动，但相对折射位置关系不变。

为保证激光切割的加工精准度，三坐标模组2同样采用电动丝杆机构。

参考附图8与附图9，两轴旋转模块1主要包括第一安装台101、电机驱动模块102、连接机构105、第二安装台106、第三安装台107、第一传动轴110、第二传动轴114、第一折射镜113a、第二折射镜113b和激光切割头115。第一安装台101与第二安装台106通过连接机构105连接，连接机构105为圆锥滚子轴承，采用该类型轴承作为连接机构105的目的是承受第二安装台106以及安装于第二安装台106底部的各个零部件的重量，同时使得第二安装台106相对第一安装台101具备z轴转动自由度。

上述圆锥滚子轴承的内圈固定连接第一安装台101底部，外圈固定连接第二安装台106的顶部，且外圈顶部与齿圈104顶部固定连接；电机驱动模块102的输出轴穿过第一安装台101与齿圈104连接，进而驱动第二安装台106相对第一安装台101旋转。第一安装台101顶部固定设置的升降安装台103，主要是用于将机构整体安装在其他机构上。

参考附图8和附图9，第三安装台107通过螺纹紧固件固定安装在第二安装台106底部；第一传动轴110与第二传动轴111为平行并列设置，通过轴承安装在第三安装台107。由于激光传输的需要，第二传动轴114需要设计成空心轴结构，让激光能够从第二传动轴114的外部传输至第二折射镜113b，进而传输至激光切割头115。

伺服电机108难以直接连接第二传动轴114进行驱动，因此设计了第一传动轴110作为传动连接的中间部件，实现伺服电机108与第二传动轴114的传动连接。伺服电机108输出端直接嵌入第一传动轴110，通过键连接，也可通过花键等方式连接；第二传动轴114与第一传动轴110可通过齿轮机构实现传动连接，带传动机构或链传动机构同样能够实现传动连接，但在技术效果上齿轮机构更佳。因为采用齿轮机构进行传动能够实现更高的控制精度，这样有利于保证激光切割的加工精度。

第一传动轴110对轴承产生的负载绝大部分为径向载荷，因此选用深沟球轴承111进行安装；第二传动轴114其中一端安装有第二折射镜113b和激光切割头115，具有一定的倾覆力矩，对轴承产生的负载既有径向载荷又有轴向载荷，因此选用圆锥滚子轴承112。

参照附图中的坐标轴，第二传动轴114相对第二安装台106具备x轴转动自由度，因此第二传动轴114相对第一安装台101具备z轴和x轴的转动自由度。

参考附图10，激光沿z轴方向传输，从第一安装台101上方向下传输，依次通过第一安装台101的通孔、连接机构105和第二安装台106的通孔，到达第一折射镜113a。第一折射镜113a通过折射镜支架109固定安装在第二安装台106底部；激光经由第一折射镜113a折射后,传输方向改变了90°，变为沿x轴传输，进而进入第二传动轴114，并传输至第二折射镜113b；激光经由第二折射镜113b折射后，传输方向改变了90°，进入激光切割头115。

参照附图中的坐标轴，第二安装台106沿z轴旋转，不改变激光与第一折射镜113a的角度关系；第二传动轴114沿x轴旋转，不改变激光与第二折射镜113b的角度关系；因此不论第二安装台106与第二传动轴114旋转至何种角度，激光均可传输至激光切割头115。

通过结合具备两个转动自由度的两轴旋转模块1和具备三个移动自由度的三坐标模组2，实现激光切割头115的五自由度运动，进而满足对具备多曲线和线条复杂的汽车工件的激光切割加工，能够减少工序和装夹次数，进而提高了生产效率和保证加工品质。

参考附图7，为保证激光切割加工的正常进行，在旋转激光切割模组1与三坐标模组2的上方设置防护罩，防止因意外或工作人员误操作，导致有异物闯入工作区域，影响加工甚至损坏加工设备。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替代，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种立体式三维五轴联动激光切割设备，包括主机架（3）、三坐标模组（2）和移动工作台（4），其特征在于：所述主机架（3）顶部固定设置有三坐标模组（2）和激光发生器（5），其中三坐标模组（2）上设置有两轴旋转模块（1）；所述移动工作台（4）安装在主机架（3）上，位于两轴旋转模块（1）下方；

所述两轴旋转模块（1）包括第一安装台（101），所述第一安装台（101）底部设有可旋转的第二安装台（106）与可轴向旋转的第二传动轴（114），且所述第二传动轴（114）的其中一端固定设有第二折射镜（113b）与激光切割头（115）；所述第二传动轴（114）为空心轴，其空心区域由设置第二折射镜（113b）与激光切割头（115）的一端延续至另一端，所述的激光切割头（115）内设有聚焦镜片。

2.根据权利要求1所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述三坐标模组（2）包括竖直方向Y轴（201）、平行方向X轴（202）和垂直方向Z轴（203），均为丝杆滑动机构；所述两轴旋转模块（1）固定安装于Z轴上（203）；所述Z轴（203）固定设置有第三折射镜（9），所述平行方向X轴上（202）固定设置有第四折射镜（10），所述激光发生器（5）的激光发射口前方设有第五折射镜（11）。

3.根据权利要求1所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于： 所述主机架（3）设有直线导轨（301）和丝杆，所述移动工作台（4）通过底部设置的滑块（401）活动安装在直线导轨（301）上，且移动工作台（4）底部与丝杆连接；所述移动工作台（4）顶部还设有夹具（402）。

4.根据权利要求3所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述主机架（3）顶部设有由双坐标模组（7）和取件机构（8）构成的取件机械手，其中取件机构（8）固定安装在双坐标模组（7）上；所述双坐标模组（7）与三坐标模组（2）沿直线导轨（301）长度方向相邻布置，双坐标模组（7）在前侧，三坐标模组（2）在后侧；所述主机架（3）前方、取件机构（8）下方设有输送带（6）。

5.根据权利要求2所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述第一安装台（101）顶部固定设有升降安装台（103），且该升降安装台（103）与Z轴（203）固定连接；所述三坐标模组（2）与两轴旋转模块（1）上方设有防护壳，侧面设有若干防护板。

6.根据权利要求1所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述两轴旋转模块（1）还设有第一安装台（101）、第三安装台（107）和第一折射镜（113a），且所述第二安装台（106）通过连接机构（105）可旋转地安装在第一安装台（101）底部，所述第三安装台（107）与第一折射镜（113a）固定设置于第二安装台（106）底部。

7.根据权利要求6所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述连接机构（105）为圆锥滚子轴承，其内圈顶部与第一安装台（101）底部固定连接，外圈底部与第二安装台（106）固定连接，且所述外圈顶部固定设有齿圈（104），两者为同轴关系；所述第一安装台（101）顶部设有电机驱动模块（102），其输出端与齿圈（104）连接，驱动第二安装台（106）旋转。

8.根据权利要求7所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述第三安装台（107）内嵌有可轴向旋转的第一传动轴（110)，且所述第一传动轴（110)与第二传动轴（114）并列平行，两者为连接关系；所述第一传动轴（110)与第二传动轴（114）分别通过深沟球轴承（111)和圆锥滚子轴承（112）内嵌安装于第三安装台（107），且第一传动轴（110)与第二传动轴（114）的旋转轴线与第二安装台（106）的旋转轴线相垂直。

9.根据权利要求8所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述第二传动轴（114）与第一传动轴（110)通过齿轮结构连接，连接位置位于第三安装台（107）的后侧，第二传动轴（114）固定设有第二折射镜（113b）和激光切割头（115）的一端位于第三安装台（107）的前侧；所述第三安装台（107）后侧设有与第一连接轴连接的伺服电机（108）。

10.根据权利要求9所述的一种立体式三维五轴联动激光切割设备，其特征在于：所述激光切割头（115）与第二传动轴（114）为垂直关系，且第二折射镜（113b）与第二传动轴（114）和激光切割头（115）均为45°关系；所述第第一折射镜（113a）通过折射镜支架（109）布置于第二传动轴（114）后侧，且与第二传动轴（114）为45°关系。

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