CN205111073U - 切割头随动调高装置及激光切割机 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开一种切割头随动调高装置，包括检测器、控制器及驱动器，其中：检测器，用于检测并输出表征激光切割头的割嘴与工件之间距离的检测信号；控制器，接收检测信号，并根据预设算法输出控制指令，以便控制驱动器的动作；驱动器，为滑动连接于安装壳体且与激光切割头固连的音圈电机，音圈电机根据上述控制指令，驱动激光切割头朝接近或远离工件方向运动。本实用新型实施例还公开一种激光切割机，其具有双摆头的B轴摆头上安装激光切割头及上述的切割头随动调高装置。通过音圈电机直接带动切割头运动，可实现更大的加速度，提高了响应速度与精度；同时，也有利于减轻质量，降低价格及提高产品可靠性。

Description

切割头随动调高装置及激光切割机

技术领域

本实用新型涉及激光切割技术，尤其涉及三维多轴数控激光切割技术，更具体来说是一种切割头随动调高装置及激光切割机。

背景技术

激光切割技术具有切割尺寸精度高、切口无毛刺、切缝不变形、切割速度快且不受加工形状限制等特点，目前已越来越多地应用于机械加工领域。三维激光切割更是以其先进、灵活、快速的特点，在航空航天、汽车工业等领域中得到了广泛的应用。使用三维激光切割技术，不仅可以节省样板及工装设备，还可以大大缩短生产准备周期。

为了保证切割质量，三维激光切割机应满足以下要求：其一，是激光束始终和被切割工件的切割曲线保持垂直；其二，是激光束焦点和工件表面的相对位置保持不变，即割嘴和工件表面的距离始终保持一致；其三，是简单快捷地反映三维曲线的特征并将其转换为激光切割数据。这不仅是三维激光切割设计必须解决的重要问题，也是三维激光切割技术在实际应用中最复杂的一步。

三维激光切割机一般采用飞行光路设计，即加工过程中工件不动，靠激光切割头运动来完成。典型的激光切割头是三维五轴联动的，各轴之间的关系如图1所示：激光切割头除相对于工件坐标系X、Y、Z轴快速相对运动外，还有C轴摆臂的旋转、B轴摆头的摆动及激光切割头的法向(A轴)随动。当旋转C轴或B轴时，割嘴中心点在工件坐标系的坐标应保持不变，即：割嘴中心不动，激光切割头围绕割嘴中心运动；移动割嘴中心时，激光切割头才可以相应进行运动。由于激光切割头涉及多种运动，其运动控制较为复杂，需要采用十分复杂的算法才可以满足要求。

参见图2，为一种现有激光切割机的结构示意图。该激光切割机具有安装于双摆头上的激光切割头，其包括C轴电机01、C轴镜座02、配重体03、B轴电机04、B轴镜座05、防碰撞装置06和切割头07等部件：C轴电机01和B轴电机04均为DD电机(DirectDriver，直接驱动电机)，其中C轴电机01用于驱动C轴旋转，B轴电机04用于驱动B轴摆动；配重体03用于平衡切割头07在B轴的偏转力矩。通过C轴的旋转及B轴的摆动，切割头07可以加工0-45度范围的各种单边V型和I型坡口。该激光切割头装置存在明显的缺陷：例如，旋转C轴时，B轴会联动，使得切割头07的割嘴方位发生移动，重新找准十分困难，由此影响切割效率与切割质量；再如，调整切割头07割嘴与工件之间的距离时需要整体移动C轴与B轴，因质量大，导致切割头07随动响应慢、效率低；又如，C轴电机01和B轴电机04需要采用中空电机，其价格较高。

由前文可知，激光切割过程中需要对激光切割头的方位、角度以及激光切割头割嘴与工件之间的距离进行调整，其中：激光切割头的方位及角度角度调整是通过C轴的旋转与B的轴摆动来实现的；激光切割头割嘴与工件之间的距离的调整则过是切割头随动调高装置来实现的，其基本要求是响应快、精度高，但现有技术并不能总是很好地满足要求。

在现有激光切割机产品中，切割头随动调高装置采用伺服电机和直线模组来驱动激光切割头运动的方式：伺服电机的旋转运动转换成模组的直线运动，切割头随着模组直线运动而运动，由此实现随动调高。这存在较大的缺陷：一方面，伺服电机与直线模组存在运动的转换，即将伺服电机死亡旋转运动转换成直线模组的直线运动，中间存在运动形式转换的环节，因而难以实现高加速度随动；另一方面，这种切割头随动调高装置除配置伺服电机除伺服电机外，还增加了直线模组等元件，由于部件较多，导致整体质量较大，不利于提高随动调高装置的响应速度与精度。

有鉴于此，有必要研发一种新型的切割头随动调高装置，以更好地满足三维激光切割机总体设计的要求。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型实施例的目的在于提供一种高加速度、质量较轻的切割头随动调高装置及激光切割机。

为解决以上技术问题，本实用新型实施例提供一种切割头随动调高装置，包括检测器、控制器及驱动器，其中：

检测器，用于检测并输出表征激光切割头的割嘴与工件之间距离的检测信号；

控制器，接收所述检测信号，并根据预设算法输出控制指令，以便控制驱动器的动作；

驱动器，为滑动连接于安装壳体且与激光切割头固连的音圈电机，所述音圈电机根据上述控制指令，驱动激光切割头朝接近或远离工件方向运动。

较优地，所述安装壳体开设壳体开口，所述壳体开口的两侧设置安装壳体导轨，所述音圈电通过导轨滑块安装于所述安装壳体导轨。

较优地，所述导轨滑块之间通过滑块连杆连为一体。

较优地，激光切割头的顶端设有激光切割头连接套，所述激光切割头连接套伸入所述壳体开口，与所述音圈电机连接为一体。

较优地，所述检测器为电容传感器，所述电容传感器设置于所述激光切割头的割嘴底端，以检测并输出激光切割头的割嘴与工件之间的距离信号。

在此基础上，本实用新型实施例还提供一种激光切割机，其具有双摆头，所述双摆头包括可绕第一方向旋转的C轴摆臂和可绕第二方向旋转的B轴摆头，所述B轴摆头上安装激光切割头及上述的切割头随动调高装置。

较优地，所述C轴摆臂的旋转轴包括一级C轴输入轴，所述B轴摆头的旋转轴包括一级B轴输入轴和两级B轴传动轴，所述C轴输入轴连接至C轴驱动电机的C轴减速机，所述B轴输入轴连接至B轴驱动电机的B轴减速机，所述B轴输入轴与首级B轴传动轴之间、首级B轴传动轴和末级B轴传动轴之间通过螺旋锥齿轮副啮合，末级B轴传动轴连接所述B轴摆头；所述C轴摆臂设有中空腔体，所述C轴输入轴、所述B轴输入轴、所述首级B轴传动轴及所述末级B轴传动轴各级B轴传动轴均设有轴向空腔，所述B轴输入轴套装于所述C轴输入轴，所述首级B轴传动轴及所述末级B轴传动轴安装于所述C轴摆臂的中空腔体内，以构成具有中空轴结构的双摆头。

较优地，所述C轴驱动电机为谐波减速机，所述B轴驱动电机为差动谐波减速机；所述谐波减速机的钢轮安装有C轴驱动齿轮，所述C轴驱动齿轮与安装于所述C轴输入轴的C轴输入齿轮啮合；所述差动谐波减速机的一个钢轮安装有B轴驱动齿轮，另一个钢轮安装有B轴解耦齿轮，所述B轴驱动齿轮与安装于所述B轴输入轴的B轴输入齿轮啮合，所述B轴解耦齿轮与所述C轴输入齿轮啮合，以便所述B轴解耦齿轮传递的所述C轴输入齿轮的转速与所述B轴驱动齿轮传递的所述B轴输入齿轮的转速进行抵消。

较优地，所述双摆头设置齿轮箱，其中：所述C轴驱动电机和所述B轴驱动电机分别通过驱动电机支撑座安装于所述齿轮箱的顶盖；所述C轴输入轴和所述B轴输入轴部分伸入并支撑于所述齿轮箱的箱体；所述C轴输入齿轮及所述B轴输入齿轮、所述谐波减速机及上面的所述C轴驱动齿轮、所述差动谐波减速机及上面的所述B轴驱动齿轮及所述B轴解耦齿轮均安装于所述齿轮箱的箱体内。

较优地，所述激光切割机的光路设置有四级激光反射镜片，其中：第一级激光反射镜片安装于所述C轴摆臂上所述B轴输入轴和所述首级B轴传动轴的交会位置，且所述第一级激光反射镜片的反射面垂直于所述B轴输入轴和所述首级B轴传动轴的轴线夹角平分线；第二级激光反射镜片安装于所述C轴摆臂上所述首级B轴传动轴的所述末级B轴传动轴的交会位置，且所述第二级激光反射镜片的反射面垂直于所述首级B轴传动轴的所述末级轴传动轴的轴线夹角平分线；第三级激光反射镜片安装于所述B轴摆头底壁上接近所述末级B轴传动轴的出口位置；第四级激光反射镜片安装于所述B轴摆头顶壁上所述第三级激光反射镜片反射激光束的到达位置，且所述第四级激光反射镜片可反射激光束至所述激光切割头的割嘴。

与现有技术相比，本实用新型实施例采用音圈电机来实现切割头的随动调高功能，因而具有随动加速度高、质量轻、价格低、可靠性好等明显的技术优势：一方面，音圈电机直接带动切割头，无中间传动环节，可以实现更大的加速度，有利于提高响应速度与精度；其二，用音圈电机替代伺服电机与直线模组，部件大大减少，不仅质量明显减轻，也有利于降低价格及提高产品可靠性。

特别地，本实用新型实施例采用电容传感器及音圈电机来实现切割随动调高的功能，可以进一步改善产品性能，具体而言：用电容传感器来感知激光切割头的割嘴与工件之间的距离，可以较好地测量慢变化或微小量，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等优点，这有利于控制器优化输出控制指令，从而更精确、快速地调节音圈电机行程，最终更好地实现切割头随动调高功能。

附图说明

图1为三维五轴激光切割机的坐标轴示意图；

图2为一种现有激光切割机的示意图；

图3为本实用新型实施例激光切割机的结构示意图，其中示出具有中空轴结构的双摆头及激光切割头跟随调高装置；

图4为图3所示双摆头的三维图；

图5为图3所示双摆头拆去C轴摆臂封板后的示意图；

图6为图5所示双摆头一个视角的三维图；

图7为图5所示双摆头另一个视角的三维图；

图8为图3所示双摆头拆去齿轮箱体后的示意图；

图9为图8所示双摆头的三维图；

图10为图8所示双摆头拆去C轴摆臂封板后的示意图；

图11为图10所示双摆头一个视角的三维图；

图12为图10所示双摆头另一个视角的三维图；

图13为图3中的A-A视图；

图14为图3中的B-B视图；

图15为图3中的C-C视图；

图16为图15中差动谐波减速机的结构示意图；

图17为图16所示差动谐波减速机的工作原理图；

图18为图13中的光路示意图；

图19为图3中切割头随动调高装置的结构示意图；

图20为图19的左视图；

图21为图19的右视图；

图22为图19中心对称面的剖视图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型实施例的技术原理及工作过程，以下结合附图及具体实施例来进一步对本实用新型进行详细描述。

同时参见图3-图22，为本实用新型实施例激光切割机的部分结构示意图，其中主要示出具有中空轴结构的双摆头S1和切割头随动调高装置S2；其它部分的结构从略，具体请参见习知技术的有关文献，不再赘述。

以下结合图3-图22，详细地对双摆头S1、切割头随动调高装置S2的结构、工作原及工作过程进行说明。

1、双摆头S1

请参见图3-图18，该双摆头S1为中空旋转轴结构。该双摆头S1包括两个旋转轴，使得双摆头S1一方面可绕C轴旋转，另一方面可绕B轴摆动，由此来调整激光切割头18的切割方位及倾角。两个旋转轴的具体定义可参照图1的坐标系：其一，为第一方向的C轴，通常为平行于工件加工表面的法线方向；其二，为第二方向的B轴，通常与工件加工表面平行或成锐角。

本实施例中，双摆头S1具有C轴摆臂6和B轴摆头16，它们分别由电机驱动，其中：C轴摆臂6装于机架(图未标示)，可绕第一方向的C轴旋转；B轴摆头16装于C轴摆臂6，可绕第二方向的B轴摆动；切割头随动调高装置S2装于B轴摆头16，可使得激光切割头18沿工件加工表面的法线方向即A轴运动。这样，激光切割头18除了随机架相对工件的X、Y、Z轴运动外，还可以实现两个方向的转动和一个方向的平移。

本实施例中，双摆头S1的运动过程为：C轴摆臂6旋转时，带动B轴摆头16及其上面的切割头随动调高装置S2旋转，由此调整激光头18相对于工件加工表面的方位；B轴摆头16旋转时，带动切割头随动调高装置S2摆动，由此调整激光头18相对于工件表面的加工表面的倾角；而切割头随动调高装置S2随动时，带动激光切割头18沿工件加工表面的法线方向运动，由此可以调整激光头18相对于工件表面的加工表面的距离。

按照上述结构，激光切割机可以较好地实现多轴联动，其不仅可以使激光切割头18随机架相对工件的X、Y、Z轴运动，还可以通过C轴摆臂6的旋转、B轴摆头16的摆动及切割头随动调高装置S2的随动，来灵活地调整激光切割头18与工件加工表面的姿态，从而较好地适用了不同表面形状工件的加工。

本实施例中，C轴摆臂6和B轴摆头16要实现的功能有所不同，因而它们的形状有较大的差别，两者大致成三角形，其中C轴摆臂6的规格大于B轴摆头16的规格。两者的旋转轴也呈现不同的结构方式：C轴摆臂6的旋转轴为一级直线形，B轴摆头16的旋转轴为多级折线形，以下进一步描述。

上述的C轴摆臂6的旋转轴为一级，即为直线型的C轴输入轴5，该C轴输入轴5连接至C轴驱动电机19的谐波减速机22。C轴驱动电机19启动后，经过谐波减速机22减速，动力传输至C轴输入轴5，由此带动C轴摆臂6绕C轴旋转。C轴摆臂6旋转后，则可以相应地带动B轴摆头16及其上面安装的切割头随动调高装置S2旋转，由此调整激光切割头18在工件加工表面的方位。

上述的B轴摆头16的旋转轴为多级折线形，各级旋转轴之间按照一定角度配置成折线轴，它们之间的夹角以保证激光束沿预设光路前行为准。为方便起见，将B轴摆头16的旋转轴中的第一级简称为B轴输入轴4，它与B轴驱动电机24的B轴减速机28连接；其它各级称为B轴传动轴，它们安装于C轴摆臂6的中空腔体内，可以优化各部件的空间布局。特别地，B轴输入轴4与首级B轴传动轴之间、相邻的各级B轴传动轴之间通过螺旋锥齿轮副啮合，由此使得B轴输入轴4通过各级B轴传动轴连接至B轴摆头16，传动结构十分紧凑。当B轴驱动电机24输出的动力在经B轴减速机减速后，再经由B轴输入轴4、各级B轴传动轴传输至B轴摆头16，最终驱使B轴摆头16绕B轴摆动。

本实施例中的双摆头为中空轴结构，具体而言：C轴输入轴5、B轴输入轴4及各级B轴传动轴均设有轴向空腔，且B轴输入轴4套装于C轴输入轴5内。这种中空结构的好处在于：电缆、气流、光等均可以从中空结构通过，由此达到优化布局、简化结构的目的。

但是，应用上述中空轴的结构形式会受到某些条件的限制。就本实施例而言，C轴与B轴两者之间的运动耦合因素是一个需要重点考虑的问题，以下进行分析。

若C轴驱动电机19、谐波减速机22、B轴驱动电机24、B轴减速机28及编码器等均配置为中空器件，则可以将这些器件安装在同一轴线上，C轴输入轴5与谐波减速机22之间、B轴输入轴4与B轴减速机28之间均可以直接连接，之间没有更多的传动元件。当C轴转动时，B轴因惯量等原因而产生跟随运动，即C轴与B轴之间存在运动耦合，但这种耦合运动几乎不会对B轴驱动电机24造成影响。这样，两个中空电机可以独立地进行控制，不需要考虑运动耦合因素。如前所述，定制这些中空器件的成本太高，对于本实施例来说不太适宜。

若C轴驱动电机19和B轴驱动电机24均为普通电机时，它们不能与C轴和B轴安装在同一轴线上，即：两个驱动电机需要偏心安装，且两个驱动电机与两个旋转轴之间还需要设置一定的传动器件，惯量耦合因素与传导耦合因素等的影响都比较大，因此不能忽略C轴与B轴之间的运动耦合问题。当C轴不动时，C轴和B轴之间没有耦合运动。当C轴旋转时，B轴产生跟随运动，两者之间的运动存在比较明显的耦合关系；此时，B轴输入轴4上的B轴输入齿轮1将转速传导到B轴减速机28的B轴驱动齿轮27，进而使得B轴驱动电机24的B轴电机驱动轴26旋转，造成B轴驱动电机24产生转动，这对于B轴驱动电机24而言十分不利，因而需要进行有效的解耦。

总之，在采用普通电机驱动C轴摆臂6和B轴摆头16时，必须有效、可靠地对C轴和B轴之间的耦合运动进行解耦，否则将会对双摆头S1的控制造成不利影响。也就是说，在使用普通电机的前提下，只有克服C轴和B轴之间的运动耦合，才能够采用上述结构的双摆头S1；否则，难以实现中空轴结构。

针对C轴和B轴之间的运动耦合，可以考虑用电气控制的方式来进行解耦，但其算法较为复杂，也不够经济。为此，本实施例特别地构思了一种纯机械的解耦方式，以下详细进行描述。

如图8-图15所示，C轴输入轴5固定安装有C轴输入齿轮2，谐波减速机22上固定安装C轴驱动齿轮23，该C轴驱动齿轮23与C轴输入齿轮1啮合，即C轴的旋转通过驱动C轴输入齿轮2来实现。B轴输入轴4上固定安装有B轴输入齿轮1，B轴减速机28上固定安装有B轴驱动齿轮27，该B轴驱动齿轮27与B轴输入齿轮1啮合，即B轴的旋转通过驱动B轴输入齿轮1来实现。

由于C轴输入轴5与C轴输入齿轮2固接，B轴输入轴4与B轴输入齿轮1固接，故C轴与B轴的运动也可以通过C轴输入齿轮2和B轴输入齿轮1的运动来进行表征。在C轴和B轴之间存在耦合运动时，如能有效地将B轴输入齿轮1的转速和C轴输入齿轮2的转速同时传递到B轴减速机28上并进行抵消，则有可能对B轴与C轴之间的耦合运动进行解耦。

基于传递B轴输入齿轮转速、C轴输入齿轮2转速并抵消的设想，本实施例通过在B轴减速机28上设置B轴解耦齿轮29来对B轴与C轴之间的耦合运动进行解耦。具体结构为：B轴减速机28安装有B轴驱动齿轮27和B轴解耦齿轮29，其中：B轴驱动齿轮27与B轴输入齿轮1啮合，B轴解耦齿轮29与C轴输入齿轮2啮合。其中的B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27应成差动式安装，以便将B轴解耦齿轮29传递的C轴输入齿轮2的转速与B轴驱动齿轮27传递的B轴输入齿轮11的转速进行抵消，这样可以对B轴与C轴之间的耦合运动进行解耦。

当C轴输入齿轮2不动时，B轴解耦齿轮29保持不动，B轴减速机24由B轴驱动齿轮27输出转速，进而带动B轴输入齿轮1转动。当C轴旋转时，B轴产生跟随运动；B轴输入齿轮1的转速输入至B轴驱动齿轮27，而B轴解耦齿轮29同时输入了C轴输入齿轮2的反向转速。这时，B轴减速机24同时存在两个输入转速，这两个转速可以对冲，最后使得B轴减速机24的输出转速减小甚至为0，由此消除了加入到B轴电机驱动轴26上的转速，使得B轴驱动电机24保持不动，最终实现对B轴和C轴之间耦合运动进行解耦的目的。

可以理解的是：解耦的效果由C轴输入齿轮2、B轴解耦齿轮29、B轴驱动齿轮27、B轴输入齿轮1之间的齿数比确定；如能恰当配置它们之间的齿数比，则可以实现完全的解耦。关于各个齿轮之间的齿数比配置请根据具体产品设计要求计算，在此不再赘述。

如前所述，本实施例中的B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27之间的差动式安装结构可有不同方式。例如，B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27不是同轴安装，而是在两者之间设置传动机构，这也可以反向传递C轴输入齿轮2的转速。再如，也可以通过电气控制系统来控制B轴解耦齿轮29是否反馈C轴输入齿轮2的转速。这些方案可以实现前述差动式安装结构的效果，但结构相对复杂，且成本较高。

为此，本实施例巧妙构思了一种采用全机械方式来使实现上述解耦效果，具体是通过差动谐波减速机来实现B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27之间的差动式安装，以下进一步结合有关附图进一步详细描述。

为了便于理解，先对图16-图17示出的差动谐波减速机的结构及工作原理进行说明。

如图16所示，本实施例中的谐波减速机28为差动谐波减速机。该差动谐波减速机包括波发生器28-1(含波发生器凸轮28-1、波发生器轴承28-1-2、轴承保持架及加压器28-1-3等部件)、柔轮28-2、第一钢轮28-3(又称钢轮S)、第二钢轮28-4(又称钢轮D)、滚珠轴承28-5、孔用C型卡环28-6、机壳28-7、内六角螺栓28-8等部件。该差动谐波减速机具有一个波发生器、一个柔轮和两个钢轮，其中的两个钢轮共用一个波发生器和一个柔轮，其在功能上相当于以特别方式安装的两个谐波减速机。

在该差动谐波减速机中：刚轮S、钢轮D为带有内齿圈的刚性齿轮，相当于行星系中的中心轮；柔轮28-2为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其带有外齿圈，相当于行星齿轮；波发生器28-1，是一个杆状部件，其两端装有滚珠轴承28-5以构成滚轮，相当于行星架。该柔轮28-2的内孔直径略小于波发生器28-1的总长，故波发生器28-1装入柔轮28-2后，可迫使柔轮28-2的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮S、钢轮D的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿则处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器28-1连续转动时，柔轮28-2的变形不断改变，使柔轮28-2与刚轮S、钢轮D的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现柔轮28-2相对刚轮S和钢轮D沿波发生器28-1相反方向的缓慢旋转。

本实施例中，钢轮D与柔轮28-2齿数相同，作用相当于柔轮28-2；钢轮S比柔轮28-2多出两个齿，相当于普通谐波减速机的钢轮。这样，因为钢轮S和钢轮D的齿数不同，它们的转速也不相同，从而有助于实现B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27的差动式安装。具体安装时，将B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27分别与钢轮S和钢轮D中的一个固定，就可以实现前述的差动式安装方案。

可以理解的是，差动谐波减速机的波发生器28-1、柔轮28-2及钢轮S和钢轮D可采用固定不同元件的组合方式来实现特定的输入输出要求。考虑到安装的方便，本实施例以固定柔轮28-2的方式来进行输入输出，其工作原理请参见图17所述：

情形①——输入：钢轮D；输出：钢轮S；固定：波发生器。此时，减速比为若钢轮D输入转速N_D，则钢轮S输出转速

情形②——输入：波发生器；输出：钢轮S；固定：钢轮D。此时，减速比为若波发生器输入转速N_D，则钢轮S输出转速

情形③——合成①和②，则钢轮S输出转速其中：“+”表示波发生器与钢轮D旋转方向相同；“-”表示波发生器与钢轮D旋转方向相反。

根据上述原理，在差动谐波减速机上安装B轴解耦齿轮29，可以实现C轴与B轴之间的运动解耦，进一步说明如下：

如图15所示，本实施例中的B轴减速机28为差动谐波减速机，其中：波发生器28-1为输入，其连接B轴驱动电机24的B轴电机驱动轴26；柔轮28-2固定；第一钢轮28-3即刚轮S，固连有B轴驱动齿轮27；第二刚轮28-4即钢轮D，固连有B轴解耦齿轮29。这样，B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27差动式安装到B轴减速机28上，由此可将B轴解耦齿轮29传递的C轴输入齿轮2的转速与B轴驱动齿轮27传递的B轴输入齿轮1的转速进行抵消。

本实施例通过采用固定柔轮28-2，并在钢轮S上加装B轴驱动齿轮27、在钢轮D上加装B轴解耦齿轮29的安装方式,来实现C轴运动与B轴运动的解耦，进一步说明如下：

C轴驱动电机19固定不动时，C轴驱动齿轮23及C轴输入齿轮2均不动，此时B轴解耦齿轮29没有输入而被固定，其相当于图17中的情形②。此时，B轴驱动电机24输入转速，然后经过差动谐波减速机的钢轮S减速输出，并由此使得B轴输入齿轮1转动，最终通过B轴输入轴4带动整个的B轴旋转轴转动。

当C轴驱动电机19旋转时，C轴驱动电机19经过谐波减速机22减速后，由C轴驱动齿轮23带动带动C轴输入轴5旋转，其相当于C轴输入齿轮2运动。C轴一旦旋转，会导致B轴跟着一起运动，相当于B轴输入齿轮1也会一起运动，由此产生了耦合运动，需要采用B轴解耦齿轮29和差动谐波减速机来解耦。此时的工作方式，相当于图17中的情形①。

C轴转动时，C轴输入齿轮5运动，并由此带动B轴输入齿轮4运动。B轴输入齿轮4运动时，相当于差动谐波减速机同时有了输入和输出。通过一定的减速比换算，就可以使得这个输入和输出正好如图17中情形①所示，即使得B轴解耦齿轮29传递的C轴输入齿轮2的转速与B轴驱动齿轮27传递的B轴输入齿轮1的转速抵消。由此保持B轴驱动电机24不运动，最终实现B轴和C轴之间的运动解耦。

本实施例中，B轴减速机28为差动谐波减速机，其用来差动式安装B轴解耦齿轮29和B轴驱动齿轮27。作为谐波减速机，该B轴减速机28具有传动速比大、承载能力强、传动精度好、传动效率高、运动平稳等优点。类似地，谐波减速机22也采用谐波减速机，该谐波减速机的波发生器连接C轴驱动电机19，该谐波减速机的柔轮固定，谐波减速机的刚轮固连有C轴驱动齿轮23。本实施例中，谐波减速机22、B轴减速机28均采用谐波减速机，传动特性十分优良，对于提高激光切割头的控制精度十分有利。

参见图3～图15，本实施例中的双摆头S1用齿轮箱来安装有关动力装置及附件，具体包括：C轴输入轴5、C轴输入齿轮2、C轴驱动电机19、谐波减速机22、C轴驱动齿轮23、B轴输入轴4、B轴输入齿轮1、B轴驱动电机24、B轴减速机28、B轴驱动齿轮27、B轴解耦齿轮29等，其结构十分紧凑。齿轮箱中涉及的各主要部件的安装方式如下所述。

如图13所示，C轴输入轴5和B轴输入轴4和均有部分容纳于齿轮箱体3内，以便安装相应的输入齿轮。C轴输入轴5在齿轮箱体3内的部分安装C轴输入齿轮2，其与同样在齿轮箱体3内的C轴驱动齿轮23及B轴解耦齿轮29啮合；该C轴输入轴5与齿轮箱体3之间的连接部件上安装轴承，以便支撑C轴摆臂6旋转。B轴输入轴4的一端用轴承4-1支撑于齿轮箱体3，另一端用轴承4-2支撑于C轴摆臂6，这样B轴输入轴4可以相对于C轴摆臂6转动；该B轴输入轴4在齿轮箱体3内的部分安装B轴输入齿轮1，其与同样在齿轮箱体3内的B轴驱动齿轮23啮合。

如图14所示，C轴驱动电机19通过C轴驱动电机支撑座20安装于齿轮箱顶盖12；C轴电机驱动轴21通过联轴器21-1与谐波减速机22的波发生器连接，该谐波减速机22的柔轮固定，钢轮22-1上安装C轴驱动齿轮23，该C轴驱动齿轮23的齿轮轴通过轴承23-1支撑于齿轮箱体3，使得谐波减速机22及上面安装的C轴驱动齿轮23整体容纳于齿轮箱体3内。

如图15所示，B轴驱动电机24通过B轴驱动电机支撑座25安装于齿轮箱顶盖12；B轴电机驱动轴26上安装B轴减速机28，该B轴减速机28的波发生器连接B轴电机驱动轴26，柔轮固定，钢轮28-3上安装B轴驱动齿轮27，钢轮28-4上安装B轴解耦齿轮29；该B轴电机驱动轴26与B轴减速机28的波发生器之间设有轴套26-2、26-4，与齿轮箱体3之间用轴承26-1、26-3支撑，使得电机驱动轴26及其上面的B轴减速机28、B轴驱动齿轮27及B轴解耦齿轮29整体容纳于齿轮箱体3内。

通过上述安装方式，齿轮箱可为主要动力装置及附件提供支撑，这样简化了结构，减小了部件占用空间。

以上对基于差动解耦的双摆头S1进行了详细的描述，其通过机械式解耦后，可以通过使用普通电机来实现中空轴结构。这种双摆头并不仅紧限于在激光切割机中使用；实际上，对于需要控制两个旋转轴运动的设备(如机械手)中，也可以采用上述的双摆头结构。本实施例主要对激光切割机的应用场景进行说明，对于其他的应用场景不再展开说明。

如图3～图22，本实施例应用于激光切割机时，其双摆头S1的B轴摆头16设置有激光切割头18；齿轮箱顶盖12上通过激光传导管安装座35安装激光传导管34，B轴输入轴4与该激光传导管34连通，以便接收进入的激光束；激光束进入到激光传导管34空腔后，将会沿着设计好的光路前行，最终传输至激光切割头18的割嘴，来对工件进行切割。

为了保证激光束到达激光切割头18的割嘴，需要合理地设计光路。参见图18，B轴输入轴4与首级B轴传动轴7之间、相邻的各级B轴传动轴之间通过螺旋锥齿轮副啮合；并且，B轴输入轴4与首级B轴传动轴7之间、相邻的各级B轴传动轴之间、末级B轴传动轴与B轴摆头16之间的交会位置分别设置有激光反射镜；这些激光反光镜按照一定的角度配置，使得激光束连续地反射到激光切割头18的割嘴，以便对工件进行切割。

本实施例中，转动B轴输入轴4及各B轴传动轴时，激光束的聚焦位置会保持不变，这对于激光切割头18的运行控制十分方便。为了达到此目的，需要特别地设计光路。

一种简单、有效的方案是：B轴摆头16的旋转轴分为三级，即：B轴输入轴(第一级B轴旋转轴)4，一端用轴承4-1支撑于齿轮箱体3，另一端用轴承4-2支撑于C轴摆臂6的空腔内；首级B轴传动轴(第二级B轴旋转轴)7，通过轴承7-1及轴承7-2支撑于C轴摆臂6的空腔内；末级B轴传动轴(第三级B轴旋转轴)10，通过轴承10-1及轴承10-2支撑于C轴摆臂6的空腔内；B轴输入轴4与首级B轴传动轴7之间以螺旋锥齿轮副13啮合、首级B轴传动轴7和末级B轴传动轴10之间以螺旋锥齿轮副9啮合，该末级B轴传动轴10与B轴摆头连接座16-1固连。当旋转B轴输入轴4时，通过系列B轴传动轴的动力传输，来实现B轴摆头16绕B轴的摆动。

本实施例中，C轴摆臂6和B轴摆头16均可由主体及封板组装而成，C轴摆臂6和B轴摆头16的主体均具有空腔，这样可以用来安装中空的各级B轴旋转轴及各级激光反射镜组件。其中，C轴摆臂6的主体在一些地方设置可拆卸的镜座安装盖6-1，这样既便于安装各级B轴旋转轴，也便于调整激光反射镜组件的安装参数。

具体的安装方式如下：激光切割机的光路设置有四级激光反射镜片，其中：第一级激光反射镜片14安装于C轴摆臂6上B轴输入轴4和首级B轴传动轴7的交会位置，且它的反射面垂直于B轴输入轴4和首级B轴传动轴7的轴线夹角平分线；第二级激光反射镜片8安装于C轴摆臂6上首级B轴传动轴7的末级B轴传动轴10的交会位置，且它的反射面垂直于首级B轴传动轴7的末级轴传动轴10的轴线夹角平分线；第三级激光反射镜片11安装于B轴摆头16底壁上接近末级B轴传动轴10的出口位置；第四级激光反射镜片15安装于B轴摆头16顶壁上第三级激光反射镜片11反射激光束的到达位置，且第四级激光反射镜片15可反射激光束至激光切割头18的割嘴。这种光路，可保证激光束到达激光切割头18的割嘴，在C轴旋转及B轴摆动时，激光束的聚集位置不会改变。

上述光路中，各级反射镜的安装夹角可根据B旋转轴的设置状况确定。一种较优的光路结构如下：B轴输入轴4和首级B轴传动轴7之间的轴线交会角α＝45°；首级B轴传动轴7和末级B轴传动轴10之间的轴线交会角β＝90°；C轴摆臂6在B轴输入轴4和首级B轴传动轴7交会的位置设置第一级反射镜座14-1，上面安装第一级激光反射镜片14，它的法线与B轴输入轴4和首级B轴传动轴7的轴线共面，且激光入射角、出射角为45°；C轴摆臂6在首级B轴传动轴7和末级B轴传动轴10之间交会的位置设置第二级反射镜座8-1，上面安装第二级激光反射镜片8，它的法线与首级B轴传动轴7和末级B轴传动轴10的轴线共面，且激光入射角、出射角为22.5°；B轴摆头16的底壁设置第三级反射镜座11-1，其位于末级B轴传动轴10的出口位置，其中第三级反射镜片11的法线与末级B轴传动轴和激光切割头18的轴线共面，且激光入射角、出射角为45°；B轴摆头16的顶壁设置第四级反射镜座15-1，其位于激光切割头18上方，其中的第四级反射镜片15的法线与第三级反射镜片11的法线和激光切割头18的轴线共面，其入射角、反射角为45°。这样，激光束进入B轴输入轴的空腔后，将可沿光路顺利地汇入到激光切割头18上方的汇光管18-2中，之后再经激光切割头18聚焦到工件表面进行切割作业。

上述光路可以保证双摆头旋转及摆动时，激光束的聚焦位置不发生改变。这种光路涉及的部件较少，光程较短，十分简单、实用。可以理解的是，本实施例中的光路还可以采用其它设计方式，在此不再展开说明。

以上对一种具有中空轴结构的双摆头进行了详细描述，其有利于实现中空轴结构。采用这种双摆头的激光切割机，具有以下突出特点：

1、采用点对点的结构，通过两个旋转轴的运动可以灵活地调节刀具空间的法向矢量，而不会影响切割点的三维坐标，一方面易于实现运动控制，另一方面也更易于规划刀具路径。

2、双摆头上的激光切割头运动方式比较灵活，可以快捷、精准地到达预定位置，之后可以按照设定的方位、角度、距离来对工件表面进行切割，适应于多种工件形式的加工。

3、易于实现中空旋转轴多通道集成的结构，激光切割头所需要的电缆、气流、光等均可以从中空结构通过，有助于优化部件布局，使得产品结构更为紧凑。

4、采用普通电机即可驱动双摆头的两个旋转轴运动，并较好地消除了两个旋转轴之间的耦合效应，因不需要采用特殊定制的电机、减速机及编码器等部件，器件价格相抵较低，这有利于降低成本。

应用上述双摆头S1来激光切割头18方位及角度的调整外，还需要调整激光切割头18与工件之间的距离，这样才能较好地保证切割质量。在本实施例是通过切割头随动调高装置S2来对激光切割头18与工件之间的距离调高的，以下具体说明。

2、切割头随动调高装置S2

本实施例中，激光切割头18的安装方式比较紧凑。请见图19-图22，同时参考图3～图18。B轴摆头16一侧壁上的B轴摆头安装座16-1与末级B轴传动轴10连接，由此B轴摆头16可绕B轴摆动。B轴摆头16的底壁安装第三激光反射镜片11，B轴摆头16的顶壁安装第四激光反射镜片15。第四激光反射镜片15位于激光切割头18上方，将激光束反射入激光切割头18顶端的广口汇光管18-2内，再经过激光切割头18的锥形管传输，聚焦后进行切割工件。

如图3-图22所示，本实施例中激光切割机具有光切割头随动调高装置S2，其通过检测激光切割头18的割嘴与工件之间的距离，由控制器(图未示出)生成相应控制指令来驱动激光切割头移动。

该切割头随动调高装置S2主要包括检测器、控制器及驱动器等组成部分：

检测器，用于检测并输出到激光切割头18的割嘴与工件之间的距离信号；

控制器，接收上述检测信号，并根据预设算法输出控制指令，以便控制驱动器的动作；

驱动器，根据上述控制指令，驱动激光切割头18朝接近或远离工件方向运动。

具体地，切割头随动调高装置S2启动后：当检测到切割头18的割嘴与工件之间的距离大于预设距离时，控制器输出第一控制指令(缩小间距驱动指令)，由此使得光切割头随动调高装置S2的驱动器来驱动激光切割头18超接近工件方向运动；当检测到激光切割头18的割嘴与工件之间的距离小于预设距离时，控制器输出第二控制指令(增大间距驱动指令)，由此使得光切割头随动调高装置S2的驱动器来驱动激光切割头18超远离工件方向运动。

上述切割头随动调高装置S2中：检测器可采用涡流式位置传感器等，检测出来的激光切割头18的割嘴与工件之间的距离转换为电信号输出；控制器可为PLC或嵌入芯片，可以按照预设算法输出控制指令，这些控制指令可为PWM(脉冲宽度调制)信号；驱动器通常为电机其传动机构，一般采用伺服电机和直线模组的组合方式，通过将伺服电机的旋转运动转换成模组的直线运动，使得激光切割头18随着模组直线运动而运动，由此实现随动调高。

对于激光切割机而言，激光切割头18的随动响应速度要快。若采用电机与直线模组存在运动的转换，旋转运动转换成直线运动，难以实现高加速度随动；又因为这种结构的部件较多，导致随动系统整体质量较大，不利于提高随动速度。为此，本实施例特别地进行改进，由此得到下述的高加速度、质量较轻的切割头随动调高装置S2。

参见图19～图22，本实施例切割头随动调高装置的检测器为电容传感器30，该电容传感器设置于激光切割头18的割嘴底端，以便来检测并输出激光切割头18的割嘴与工件之间的距离信号。这种电容传感器可以测量慢变化或微小量，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等优点，对于提高本实施例的切割头随动调高装置的性能十分有利。

如图19～图22所示，本实施例切割头随动调高装置S2采用音圈电机(VoiceCoilActuator/Motor)17，其作为驱动器来驱动激光切割头18运动。这种音圈电机利用来自永久磁钢的磁场与通电线圈导体产生的磁场中磁极间的相互作用产生有规律的运动，来将电能转化为机械能，可以实现直线型及有限摆角的运动。这种音圈电机是一种非换流型动力装置，其定位精度完全取决于反馈及控制系统，与音圈电机本身无关。采用合适的定位反馈及感应装置时，其定位精度可以轻易达到10NM，加速度可达300g，这对于本实施例切割头随动调高装置的高加速度、轻质量的设计要求是较为有利的。

本实施例中，音圈电机17与激光切割头18直接连接在一起，可以在安装壳体31上滑动。如图19-图22所示，激光切割头18固连于音圈电机17，该音圈电机17通过导轨滑块33安装于B轴摆头16的安装壳体导轨32，以便驱动激光切割头18沿安装壳体导轨32运动，具体安装方式进一步如下所述。

如图19-图22所示，双摆头16的底壁开孔供激光切割头18与音圈电机17通过；双摆头16的一个侧壁作为音圈电机17的安装壳体31，该安装壳体31上开设壳体开口31-1，其两侧设置安装壳体导轨32；音圈电机17由两个导轨滑块33上装配到安装壳体导轨32上，两个导轨滑块33之间以滑块连杆32-1连为一体，以便使音圈电机17在壳体导轨32运行平稳；激光切割头18的顶端设有L形的激光切割头连接套18-1，该激光切割头连接套18-1伸入壳体开口31-1，并将激光切割头18与音圈电机17连接为一体。这样，音圈电机17上下运动时驱动激光切头18一起运动，由此调整激光切割头18的割嘴与工件之间的距离。这种安装方式十分紧凑，可以保证激光切割头18随音圈电机17快速平稳地运动。

上述实施例中使用电容传感器30及音圈电机17来实现激光切割头18的随动调高的功能，其通过电容传感器30来感知切割头与切割工件之间的距离，通过控制器来调节音圈电机17行程，从而调整激光切割头18的割嘴与工件之间的距离，实现切割随动调高功能。

以上实施例的激光切割机使用了电容传感器+音圈电机的随动调高装置，其主要优点包括但不限于以下方面：

1、随动加速度高。音圈电机直接带动切割头，可以实现更大的加速度；

2、质量轻。采用音圈电机替代了伺服电机与直线模组，部件大大减少，质量减少明显。

3、价格低。采用音圈电机替代了伺服电机与直线模组，部件减少，有利于降低价格。

4、可靠性高。部件减少，故障率减低，这有利于提高可靠性。

以上实施例对本实用新型激光切割机进行了说明，其中重点对具有中空轴结构的双摆头及切割头随动调高装置两部分进行了详细的说明。采取上述改进措施后，激光切割机的性能得以较大改善，其产品性能优越，可靠性高，价格较低，具有较好的市场前景。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种切割头随动调高装置，其特征在于，包括检测器、控制器及驱动器，其中：

检测器，用于检测并输出表征激光切割头的割嘴与工件之间距离的检测信号；

控制器，接收所述检测信号，并根据预设算法输出控制指令，以便控制驱动器的动作；

驱动器，为滑动连接于安装壳体且与激光切割头固连的音圈电机，所述音圈电机根据上述控制指令，驱动激光切割头朝接近或远离工件方向运动。

2.如权利要求1所述的切割头随动调高装置，其特征在于，所述安装壳体开设壳体开口，所述壳体开口的两侧设置安装壳体导轨，所述音圈电通过导轨滑块安装于所述安装壳体导轨。

3.如权利要求2所述的切割头随动调高装置，其特征在于，所述导轨滑块之间通过滑块连杆连为一体。

4.如权利要求2所述的切割头随动调高装置，激光切割头的顶端设有激光切割头连接套，所述激光切割头连接套伸入所述壳体开口，与所述音圈电机连接为一体。

5.如权利要求1-4任一项所述的切割头随动调高装置，所述检测器为电容传感器，所述电容传感器设置于所述激光切割头的割嘴底端，以检测并输出激光切割头的割嘴与工件之间的距离信号。

6.一种激光切割机，其具有双摆头，所述双摆头包括可绕第一方向旋转的C轴摆臂和可绕第二方向旋转的B轴摆头，其特征在于，所述B轴摆头上安装激光切割头及如权利要求1-5任一项的切割头随动调高装置。

7.如权利要求6所述的激光切割机，其特征在于，所述C轴摆臂的旋转轴包括一级C轴输入轴，所述B轴摆头的旋转轴包括一级B轴输入轴和两级B轴传动轴，所述C轴输入轴连接至C轴驱动电机的C轴减速机，所述B轴输入轴连接至B轴驱动电机的B轴减速机，所述B轴输入轴与首级B轴传动轴之间、首级B轴传动轴和末级B轴传动轴之间通过螺旋锥齿轮副啮合，末级B轴传动轴连接所述B轴摆头；所述C轴摆臂设有中空腔体，所述C轴输入轴、所述B轴输入轴、所述首级B轴传动轴及所述末级B轴传动轴各级B轴传动轴均设有轴向空腔，所述B轴输入轴套装于所述C轴输入轴，所述首级B轴传动轴及所述末级B轴传动轴安装于所述C轴摆臂的中空腔体内，以构成具有中空轴结构的双摆头。

8.如权利要求7所述的激光切割机，其特征在于，所述C轴驱动电机为谐波减速机，所述B轴驱动电机为差动谐波减速机；所述谐波减速机的钢轮安装有C轴驱动齿轮，所述C轴驱动齿轮与安装于所述C轴输入轴的C轴输入齿轮啮合；所述差动谐波减速机的一个钢轮安装有B轴驱动齿轮，另一个钢轮安装有B轴解耦齿轮，所述B轴驱动齿轮与安装于所述B轴输入轴的B轴输入齿轮啮合，所述B轴解耦齿轮与所述C轴输入齿轮啮合，以便所述B轴解耦齿轮传递的所述C轴输入齿轮的转速与所述B轴驱动齿轮传递的所述B轴输入齿轮的转速进行抵消。

9.如权利要求8所述的激光切割机，其特征在于，所述双摆头设置齿轮箱，其中：所述C轴驱动电机和所述B轴驱动电机分别通过驱动电机支撑座安装于所述齿轮箱的顶盖；所述C轴输入轴和所述B轴输入轴部分伸入并支撑于所述齿轮箱的箱体；所述C轴输入齿轮及所述B轴输入齿轮、所述谐波减速机及上面的所述C轴驱动齿轮、所述差动谐波减速机及上面的所述B轴驱动齿轮及所述B轴解耦齿轮均安装于所述齿轮箱的箱体内。

10.如权利要求7所述的激光切割机，其特征在于，所述激光切割机的光路设置有四级激光反射镜片，其中：第一级激光反射镜片安装于所述C轴摆臂上所述B轴输入轴和所述首级B轴传动轴的交会位置，且所述第一级激光反射镜片的反射面垂直于所述B轴输入轴和所述首级B轴传动轴的轴线夹角平分线；第二级激光反射镜片安装于所述C轴摆臂上所述首级B轴传动轴的所述末级B轴传动轴的交会位置，且所述第二级激光反射镜片的反射面垂直于所述首级B轴传动轴的所述末级轴传动轴的轴线夹角平分线；第三级激光反射镜片安装于所述B轴摆头底壁上接近所述末级B轴传动轴的出口位置；第四级激光反射镜片安装于所述B轴摆头顶壁上所述第三级激光反射镜片反射激光束的到达位置，且所述第四级激光反射镜片可反射激光束至所述激光切割头的割嘴。