CN202169443U - 混联五轴激光切割机 - Google Patents

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Inventor
周鹏飞
胡金龙
翟东升
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Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co Ltd
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Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co Ltd
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Abstract

混联五轴激光切割机。涉及并联、混联型五轴驱动机构激光切割机。结构更加灵巧、刚性更大、惯性更小、精度更高。包括机体、X向导轨、横梁、激光切割头和控制器，在横梁的侧面设有Y向导轨，激光切割头通过混联装置与所述横梁侧面的Y向导轨活动连接；混联装置包括Y托板机构、Z托板机构、驱动架、环形支撑架、一对驱动块机构和一对连杆。本实用新型通过混联装置实现常规激光切割头的五轴运动。构思精巧，各零部件结构灵巧，刚性大，惯性小，使得运动精度能得到保障。是机床技术、机器人技术以及数控技术相结合的产物，与传统串联机床相比，结构简单，数学运算复杂精准。具有刚度大、响应快、精度高、适应性强、技术附加值高等突出优点。

Description

混联五轴激光切割机
技术领域
本实用新型涉及激光切割机的驱动机构，尤其涉及一种并联、混联型五轴驱动机构的激光切割机。
背景技术
  激光切割工艺由于其速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割材料范围广等诸多优点，在很多领域应用越来越广。随着激光应用技术的发展，三维空间曲线的激光切割以其先进、灵活、适应性强等特点，在国外的汽车工业、航空航天工业等诸多领域都取得了广泛的应用。使用三维激光切割，不仅可以节省样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期。
   目前大多数三维激光切割机，主机传动机构均为串联方式。串联机构的切割头运动轨迹控制都是建立在笛卡尔坐标系中，动作控制过程的数学运算简单，但是机械结构复杂、笨重，设备动态响应速度差，零部件寿命低，无论光束以何种方式传输，都需要价格昂贵的三维激光切割头。
   实用新型内容
本实用新型针对以上问题，提供了一种结构更加灵巧、刚性更大、惯性更小、精度更高的混联五轴激光切割机。
本实用新型的技术方案是：所述激光切割机包括机体1、设在机体1上的X向导轨1a、与X向导轨1a活动连接的横梁2、激光切割头9和控制器，在所述横梁2的侧面设有Y向导轨2a，所述激光切割头9通过混联装置与所述横梁2侧面的Y向导轨2a活动连接；
所述混联装置包括Y托板3机构、Z托板4机构、驱动架7、环形支撑架8、一对驱动块5机构和一对连杆6；
所述Y托板3机构包括Y托板3和Y托板驱动电机；所述Y托板3的背面设一副Y向导轨槽3b、正面设一副Z向导轨3a；所述Y托板3通过所述一副Y向导轨槽3b与所述Y向导轨2a活动连接；所述Y托板驱动电机设在所述Y托板3上、驱动所述Y托板3相对于所述横梁2作Y向直线往复运动；
所述Z托板4机构包括Z托板4和Z托板驱动电机；所述Z托板4的背面设一副Z向导轨槽4b、正面设Y向副导轨4a和支架4c；所述Z托板4通过所述一副Z向导轨槽4b与所述一副Z向导轨3a活动连接；所述Z托板驱动电机设在所述Z托板4上、驱动所述Z托板4相对于所述Y托板3作Z向直线往复运动；
所述一对驱动块5机构包括一对驱动块5和驱动块驱动电机；所述驱动块5设有Y向副导轨槽；所述驱动块5通过所述Y向副导轨槽与所述Y向副导轨4a活动连接；所述驱动块驱动电机设在所述驱动块5上、驱动所述驱动块5相对于所述Z托板4做Y向往复直线运动；
所述环形支撑架8的Y方向的两侧端分别设有铰销一8a、X方向的两侧端分别设有销孔8b，所述环形支撑架8通过所述铰销一8a与所述支架4c活动连接；
所述驱动架7整体呈L状，底部设用于安装激光切割头的环形连接座，所述环形连接座X方向的两侧端分别设有铰销二7b；所述铰销二7b与所述销孔8b活动连接；
所述一对连杆6的一端通过万向铰结构与所述驱动块5活动连接，另一端通过万向铰机构连接在所述驱动架7顶部Y方向的侧面；
所述Y托板驱动电机、Z托板驱动电机和一对驱动块驱动电机分别连接控制器。
所述万向铰机构为球头铰接头或虎克铰接头。
所述横梁2沿X向导轨1a的X向运动为所述激光切割头的X轴向基本运动；
所述Y轴托板3沿Y向导轨2a的Y向运动为所述激光切割头的Y轴向基本运动；
所述Z轴托板4沿Z向导轨3a的Z向运动为所述激光切割头的Z轴向基本运动；
所述X、Y、Z三个轴向基本运动构成所述激光切割头的串联运动形式；
所述环形支撑架8围绕所述支架4c上铰销一8a轴心的旋转运动为所述激光切割头的C轴向运动；
所述驱动架7围绕所述环形支撑架8上铰销二7b轴心的旋转运动为所述激光切割头的A轴向运动；
所述激光切割头9的A、C轴向运动是由所述一对驱动块5通过各自连杆驱动驱动架7实现的；所述A、C轴向运动构成所述激光切割头的并联运动形式；
使得所述激光切割头9在所述X、Y、Z轴向的串联运动形式与A、C轴向的并联运动形式共同构成的运动环境中实现混联五轴运动。
 本实用新型通过混联装置实现常规激光切割头的五轴运动 (其中的X、Y、Z轴驱动采用串联机构方式，而A、C轴采用并联机构驱动) 。其中横梁相对于机身的运动实现基本X向运动；Y托板实现基本Y向运动；Z托板实现基本Z向运动；一对驱动块各自运动能够通过其各自的连杆驱动驱动架（绕A、C轴）做±90°范围内的全方向的转动(以实现下半个球面空间的切割)；进而实现五轴运动。本实用新型的构思精巧，各零部件结构灵巧，刚性大，惯性小，使得运动精度能得到保障。本实用新型是机床技术、机器人技术以及数控技术相结合的产物，与传统的串联机床相比，结构简单，数学运算复杂精准。它具有刚度大、响应快、精度高、适应性强、技术附加值高等突出优点。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图，
图2是本实用新型激光头部分的放大剖视图，
图3是本实用新型中混联装置的结构示意图，
图4是本实用新型使用状态参考图一，
图5是本实用新型使用状态参考图二，　
图6是本实用新型使用状态参考图三，
图7是本实用新型A轴逆运动仿真示意图，
图8是本实用新型C轴逆运动仿真示意图；
图1中标示了X、Y、Z三直线运动方向示意，图3中标示了A、C两旋转方向运动方向示意；
图中1是机身，1a是X向导轨，2是横梁，2a是Y向导轨，3是Y托板，3a是Z向导轨，3b是Y向导轨槽，4是Z托板，4a是Y向副导轨，4b是Z向导轨槽，4c是支架，5是驱动块，5a是球窝一，6是连杆，7是驱动架，7a是球窝二，7b是铰销二，8是环形支撑架，8a是铰销一，8b是销孔，9是激光切割头，10是工件，10a是孔一，10b是孔二，10c是孔三。
具体实施方式
本实用新型如图1-3所示，所述激光切割机包括机体1、设在机体1上的X向导轨1a、与X向导轨1a活动连接的横梁2、激光切割头9和控制器，在所述横梁2的侧面设有Y向导轨2a，所述激光切割头9通过混联装置与所述横梁2侧面的Y向导轨2a活动连接；
所述混联装置包括Y托板3机构、Z托板4机构、驱动架7、环形支撑架8、一对驱动块5机构和一对连杆6（一对连杆等长）；
所述Y托板3机构包括Y托板3和Y托板驱动电机；所述Y托板3的背面设一副Y向导轨槽3b、正面设一副Z向导轨3a；所述Y托板3通过所述一副Y向导轨槽3b与所述Y向导轨2a活动连接；所述Y托板驱动电机设在所述Y托板3上、驱动所述Y托板3相对于所述横梁2作Y向直线往复运动；
所述Z托板4机构包括Z托板4和Z托板驱动电机；所述Z托板4的背面设一副Z向导轨槽4b、正面设Y向副导轨4a和支架4c；所述Z托板4通过所述一副Z向导轨槽4b与所述一副Z向导轨3a活动连接；所述Z托板驱动电机设在所述Z托板4上、驱动所述Z托板4相对于所述Y托板3作Z向直线往复运动；
所述一对驱动块5机构包括一对驱动块5和驱动块驱动电机；所述驱动块5设有Y向副导轨槽；所述驱动块5通过所述Y向副导轨槽与所述Y向副导轨4a活动连接；所述驱动块驱动电机设在所述驱动块5上、驱动所述驱动块5相对于所述Z托板4做Y向往复直线运动；
所述环形支撑架8的Y方向的两侧端分别设有铰销一8a、X方向的两侧端分别设有销孔8b，所述环形支撑架8通过所述铰销一8a与所述支架4c活动连接；
所述驱动架7整体呈L状，底部设用于安装激光切割头的环形连接座，所述环形连接座X方向的两侧端分别设有铰销二7b；所述铰销二7b与所述销孔8b活动连接；
所述一对连杆6的一端通过万向铰结构与所述驱动块5活动连接，另一端通过万向铰结构连接在所述驱动架7顶部Y方向的侧面；
所述Y托板驱动电机、Z托板驱动电机和一对驱动块驱动电机分别连接控制器。
所述万向铰结构为球头铰接头或虎克铰接头。
所述横梁2沿X向导轨1a的X向运动为所述激光切割头的X轴向基本运动；
所述Y轴托板3沿Y向导轨2a的Y向运动为所述激光切割头的Y轴向基本运动；
所述Z轴托板4沿Z向导轨3a的Z向运动为所述激光切割头的Z轴向基本运动；
所述X、Y、Z三个轴向基本运动构成所述激光切割头的串联运动形式；
所述环形支撑架8围绕所述支架4c上铰销一8a轴心的旋转运动为所述激光切割头的C轴向运动；
所述驱动架7围绕所述环形支撑架8上铰销二7b轴心的旋转运动为所述激光切割头的A轴向运动；
所述激光切割头9的A、C轴向运动是由所述一对驱动块5通过各自连杆驱动驱动架7实现的；所述A、C轴向运动构成所述激光切割头的并联运动形式；
使得所述激光切割头9在所述X、Y、Z轴向的串联运动形式与A、C轴向的并联运动形式共同构成的运动环境中实现混联五轴运动。
如图4-6所示，以加工工件10为例，该工件具有多个处于两个相交面的孔以及处于平面的孔（需要对空间曲线进行切割）。其中孔一10a位于工件前端、处于两个相交面上；孔二10b位于工件中部，处于顶（平）面上；孔三10c位于工件后端、处于两个相交面上。进行三维切割原理，1. 通过五轴联动来实现切割头与切割曲面的的法向平行；2. 通过闭环的随动控制方法，来使得切割头上割嘴与切割曲面间的距离保持恒定，称之为随动技术。随动的运动也是通过五轴联动来实现的。
图4是加工孔一10a时的状态；五轴联动的混联装置驱动驱动架7上激光切割头实现对孔一的加工。
图5是加工孔二10b时的状态；与二维切割相同，仅需要X、Y轴联动，Z轴随动控制。
图6是加工孔三10C的状态；基本同加工孔一10a的模式。
图7、8为本实用新型的逆运动仿真曲线图：X、Y、Z轴无需仿真，因为其传动方式与传统机床无任何区别。图7为A轴匀速270°/s的速度转动时的两个直线驱动装置的速度时间变化曲线；图8为c轴匀速270°/s的速度转动时的两个直线驱动装置的速度时间变化曲线；图中Vy1和Vy2分别标示图1中两个直线驱动块5的运动速度。

Claims (3)

1.混联五轴激光切割机，所述激光切割机包括机体（1）、设在机体（1）上的X向导轨（1a）、与X向导轨（1a）活动连接的横梁（2）、激光切割头（9）和控制器，在所述横梁（2）的侧面设有Y向导轨（2a），其特征在于，所述激光切割头（9）通过混联装置与所述横梁（2）侧面的Y向导轨（2a）活动连接；
所述混联装置包括Y托板（3）机构、Z托板（4）机构、驱动架（7）、环形支撑架（8）、一对驱动块（5）机构和一对连杆（6）；
所述Y托板（3）机构包括Y托板（3）和Y托板驱动电机；所述Y托板（3）的背面设一副Y向导轨槽（3b）、正面设一副Z向导轨（3a）；所述Y托板（3）通过所述一副Y向导轨槽（3b）与所述Y向导轨（2a）活动连接；所述Y托板驱动电机设在所述Y托板（3）上、驱动所述Y托板（3）相对于所述横梁（2）作Y向直线往复运动；
所述Z托板（4）机构包括Z托板（4）和Z托板驱动电机；所述Z托板（4）的背面设一副Z向导轨槽（4b）、正面设Y向副导轨（4a）和支架（4c）；所述Z托板（4）通过所述一副Z向导轨槽（4b）与所述一副Z向导轨（3a）活动连接；所述Z托板驱动电机设在所述Z托板（4）上、驱动所述Z托板（4）相对于所述Y托板（3）作Z向直线往复运动；
所述一对驱动块（5）机构包括一对驱动块（5）和驱动块驱动电机；所述驱动块（5）设有Y向副导轨槽；所述驱动块（5）通过所述Y向副导轨槽与所述Y向副导轨（4a）活动连接；所述驱动块驱动电机设在所述驱动块（5）上、驱动所述驱动块（5）相对于所述Z托板（4）做Y向往复直线运动；
所述环形支撑架（8）的Y方向的两侧端分别设有铰销一（8a）、X方向的两侧端分别设有销孔（8b），所述环形支撑架（8）通过所述铰销一（8a）与所述支架（4c）活动连接；
所述驱动架（7）整体呈L状，底部设用于安装激光切割头的环形连接座，所述环形连接座X方向的两侧端分别设有铰销二（7b）；所述铰销二（7b）与所述销孔（8b）活动连接；
所述一对连杆（6）的一端通过万向铰结构与所述驱动块（5）活动连接，另一端通过万向铰机构连接在所述驱动架（7）顶部Y方向的侧面；
所述Y托板驱动电机、Z托板驱动电机和一对驱动块驱动电机分别连接控制器。
2.根据权利要求1所述的混联五轴激光切割机，其特征在于，所述万向铰机构为球头铰接头或虎克铰接头。
3.根据权利要求1或2所述的混联五轴激光切割机，其特征在于，
所述横梁（2）沿X向导轨（1a）的X向运动为所述激光切割头的X轴向基本运动；
所述Y轴托板（3）沿Y向导轨（2a）的Y向运动为所述激光切割头的Y轴向基本运动；
所述Z轴托板（4）沿Z向导轨（3a）的Z向运动为所述激光切割头的Z轴向基本运动；
所述X、Y、Z三个轴向基本运动构成所述激光切割头的串联运动形式；
所述环形支撑架（8）围绕所述支架（4c）上铰销一（8a）轴心的旋转运动为所述激光切割头的C轴向运动；
所述驱动架（7）围绕所述环形支撑架（8）上铰销二（7b）轴心的旋转运动为所述激光切割头的A轴向运动；
所述激光切割头（9）的A、C轴向运动是由所述一对驱动块（5）通过各自连杆驱动驱动架（7）实现的；所述A、C轴向运动构成所述激光切割头的并联运动形式；
使得所述激光切割头（9）在所述X、Y、Z轴向的串联运动形式与A、C轴向的并联运动形式共同构成的运动环境中实现混联五轴运动。
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