CN210413076U - 一种高精度石墨激光切割机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高精度石墨激光切割机，包括L型架体、大理石台面、左夹持件、右夹持件、激光头、压缩空气喷头、X轴直线电机导轨系统、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统、水平滑块、竖直滑块和控制器专门针对脆性管材如石墨管材等的加工，同时使用于高紧密管材的加工，本实用新型的石墨激光切割机，其根据激光头加工位置，具有将装夹支撑根据加工位置而自适应变为柔性支撑的功能，同时，通过简单的机械结构使得激光头可以动态的跟随待加工石墨管件的位移，进一步提高了激光切割的精度，该切割机自动化程度高，精度较高。

Description

一种高精度石墨激光切割机

技术领域

本实用新型涉及激光切割设备领域，尤其涉及一种高精度石墨激光切割机。

背景技术

在使用激光对金属管材，特别是石墨管材进行切割或加工时，由于激光产生的热量比较高，热效应非常明显，导致激光切割质量下降，现有技术中如专利文献1(CN1541801A)，其解决激光切割管材过热的问题采用的是在切割过程中，通过压缩空气喷嘴将压缩空气喷射到激光加工表面以达到降温的目的，但是，其在对管材进行加工的过程中由于需要喷射压缩空气，因此，其对管材的冲击较大，加工过程中管材一直会受到喷射力而产生弯曲变形，而产生的变形力不能很好的卸除，在工件内累积，影响管材加工精度；又如专利文献2

(CN207710110U)，其公开了用于光纤切割装置的夹具，该夹具能够对管材端部和内壁进行限位，从而夹紧管材进行切割工作，但是，其并未考虑到有些管材如石墨管材比较脆弱，采用该种夹具有可能会使得待加工的管材在夹紧时就由于装夹力度太大而发生碎裂；再如专利文献3(CN103817443A)，其公开了切割管材的激光切割设备，该切割设备中，对于管材使用导向机构2和辅助夹紧机构4对管材进行夹紧，但是该导向机构2和辅助夹紧机构4对管材进行装夹时，其是固定的，不能够进行转动，因此管材仅能单向装入，而不能适应不同方向的插入装夹；再如专利文献4(CN203124967U)，其公开了一种随动控制式圆管激光切割机，该切割机的切割头能够跟随管材的变形和摆动调整切割头，但是其使用感应装置14、15进行检测，同时将检测信号传送于数控系统，从而控制电机运动，该种方法由于需要传送信号，因此，电机运动一般都具有滞后性，随动效果不佳，同时，感应装置一般都采用传感器等，维护成本和价格都比较昂贵；又如专利文献5(CN200988130Y)，其公开了一种采用直线电机驱动的激光切割机，但是该切割机由于将直线电机安装于机架1的两端，因此，该切割机尺寸很大，同时设置了多处导轨，进一步增加了设备的复杂性；最后，如专利文献6(CN104308209A)，其公开了磁流变柔性夹具系统，该夹具系统使用磁流变液材料来吸收工件加工过程中的振动能量，改善工件受力，但是其结构复杂，同时，并未考虑到用于支撑方向的振动能量的吸收。

综上所述，现有技术中，均未提供一种具有柔性支撑夹具、专门针对脆性管材装夹、装夹工具能够转动以适应不同方向装夹管材、同时能够适应管材振动的高精度石墨激光切割机。因此，设计一种具有柔性支撑夹具、专门针对脆性管材装夹、装夹工具能够转动以适应不同方向装夹管材、同时能够适应管材振动的高精度石墨激光切割机就显得尤为重要了。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的提供一种高精度石墨激光切割机及其加工高精度石墨管材的方法，专门针对脆性管材如石墨管材等的加工，同时使用于高紧密管材的加工，根据激光头加工位置，具有将装夹支撑根据加工位置而自适应变为柔性支撑的功能，同时，通过简单的机械结构使得激光头可以动态的跟随待加工石墨管件的位移，进一步提高了激光切割的精度，切割机的自动化程度高，精度较高。本实用新型提供一种高精度石墨激光切割机，包括L型架体、大理石台面、左夹持件、右夹持件、激光头、压缩空气喷头、X轴直线电机导轨系统、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统、水平滑块、竖直滑块和控制器，压缩空气喷头固定设置于激光头上，L型架体包括底座和背支撑架，大理石台面固定设置于底座上，X轴直线电机导轨系统水平设置于背支撑架上，水平滑块滑动设置于X轴直线电机导轨系统上，水平滑块上设置有Z轴直线电机导轨系统，竖直滑块滑动设置于Z轴直线电机导轨系统上，竖直滑块上设置有Y轴直线电机导轨系统，激光头滑动设置于Y轴直线电机导轨系统上，左夹持件和右夹持件分别设置于大理石台面上，石墨管件分别通过左夹持件和右夹持件装夹于大理石台面上，左夹持件包括左底部滑块、左支撑杆和左顶部插入件，左顶部插入件通过左支撑杆设置于左底部滑块上，右夹持件包括右底部滑块、右支撑杆和右顶部夹持件，右顶部夹持件通过右支撑杆设置于右底部滑块上，左支撑杆和右支撑杆为圆柱状结构，左底部滑块和右底部滑块结构相同，均包括内壳体、外壳体、设置于内壳体上部的导向套筒、位于内壳体和外壳体之间的通电线圈、设置于内壳体内的内壳体磁流变液以及固定设置于内壳体底部的弹簧，左支撑杆和右支撑杆分别穿过导向套筒并能在导向套筒内进行上下滑动，左支撑杆和右支撑杆结构相同，在左支撑杆和右支撑杆下端均设置有上环体、下环状体，左支撑杆和右支撑杆下端分别伸入左底部滑块和右底部滑块的内壳体内，下端抵接弹簧，控制器设置于L型架体内，用于控制压缩空气喷头喷射压缩空气、X轴直线电机导轨系统、Z轴直线电机导轨系统和Y轴直线电机导轨系统的动作以及通电线圈。

进一步改进在于：左夹持件包括左底部滑块、左支撑杆和左顶部插入件，左顶部插入件通过左支撑杆设置于左底部滑块上，右夹持件包括右底部滑块、右支撑杆和右顶部夹持件，右顶部夹持件通过右支撑杆设置于右底部滑块上，左支撑杆和右支撑杆为圆柱状结构，左底部滑块和右底部滑块结构相同，均包括内壳体、外壳体、设置于内壳体上部的导向套筒、位于内壳体和外壳体之间的通电线圈、设置于内壳体内的内壳体磁流变液以及固定设置于内壳体底部的弹簧，左支撑杆和右支撑杆分别穿过导向套筒，左支撑杆和右支撑杆结构相同，在左支撑杆和右支撑杆下端均设置有上环体、下环状体，左支撑杆和右支撑杆下端分别伸入左底部滑块和右底部滑块的内壳体内，下端抵接弹簧，弹簧的偏置力在磁流变液为液体状态且支撑夹紧石墨管件后仍然能够使得上环体抵紧导向套筒的下端部。

进一步改进在于：所述左顶部插入件包括左顶部支撑座、左插入杆件和弹性体，左顶部支撑座与左支撑杆顶部固定连接，左插入杆件固定连接于左顶部支撑座上，弹性体设置于左插入杆件的外表面，左插入杆件包括锥形杆体和位于其表面的线圈，弹性体包括设置于锥形杆体外表面的弹性包裹膜，弹性包裹膜内填充有包裹膜磁流变液，弹性包裹膜外部设置有减震垫，当需要对石墨管件进行夹紧时，控制器对线圈进行通电，石墨管件内部插入左顶部插入件外。

进一步改进在于：右顶部夹持件包括左外支撑套、右外支撑套、支撑套铰轴、联动杆、左内夹管、右内夹管、张紧线和锁紧电机，左外支撑套和右外支撑套通过支撑套铰轴进行铰接，支撑套铰轴固定设置于右支撑杆顶部，左内夹管和右内夹管分别通过联动杆设置于左外支撑套和右外支撑套内部，左内夹管和右内夹管为半圆管结构，左外支撑套和右外支撑套与支撑套铰轴相对的另外一端通过张紧线进行张紧，张紧线一端固定于左外支撑套后穿过右外支撑套，然后再穿过左外支撑套，往返多次，锁紧电机固定于右外支撑套上，张紧线末端固定设置于锁紧电机上。

进一步改进在于：X轴直线电机导轨系统包括水平导轨、X轴直线电机定子和X轴直线电机动子，水平导轨固定设置于背支撑架上，X轴直线电机定子固定设置于水平导轨的上下两端，X轴直线电机动子设置于水平滑块上，且分别与X轴直线电机定子相对应，在水平滑块上还设置有水平滑块凹槽，水平导轨配合伸入水平滑块凹槽内；Z轴直线电机导轨系统包括Z轴直线电机动子、Z轴直线电机定子和竖直滑块凹槽，Z轴直线电机动子固定设置于竖直滑块上，Z轴直线电机定子固定设置于水平滑块上，水平滑块上设置有与竖直滑块上的竖直滑块凹槽配合的Z轴滑轨，Z轴滑轨配合伸入竖直滑块凹槽内，Y轴直线电机导轨系统包括Y轴直线电机定子和Y轴直线电机动子，Y轴直线电机定子设置于竖直滑块内，Y轴直线电机动子设置于激光头外， Y轴直线电机定子和Y轴直线电机动子相对设置。

进一步改进在于：竖直滑块为空心壳体结构，其包括竖直滑块主体、位于竖直滑块主体前端的凸出套筒，Z轴直线电机导轨系统位于竖直滑块主体的后端，竖直滑块主体内部固定设置有激光源。

进一步改进在于：激光头包括激光头主体、位于激光头主体下端的锥形套头和位于激光头侧端的激光头伸缩套，还包括反光镜、透光镜，透光镜设置于锥形套头内，激光头伸缩套能够滑动伸入凸出套筒内，从而实现激光头的Y轴位置调节，Y轴直线电机动子固定设置于激光头伸缩套外侧，Y轴直线电机定子固定设置于凸出套筒的内侧，激光源发射出激光后，经过反光镜反光后穿过透光镜后从锥形套头透出。

进一步改进在于：锥形杆体通过铰接轴转动设置于左顶部支撑座上，实现锥形杆体能够绕着Y轴转动，支撑套铰轴与右支撑杆也为铰接连接，实现右顶部夹持件能够绕着Y轴转动。

进一步改进在于：所述随动装置套设于石墨管件和激光头上，且激光头中的激光头伸缩套可相对于竖直滑块的凸出套筒转动，从而使得激光头可以随着石墨管件的位移变化而相对转动。

进一步改进在于：使得上环体和下环体的直径不同，从而使得在夹持件变为柔性支撑结构后，能够通过上环体和下环体的结构形状来进一步增加磁流变液的阻尼作用。

进一步改进在于：随动装置包括工件锁紧套、连接杆和激光头锁紧套，连接杆为L型结构，工件锁紧套和激光头锁紧套分别设置于连接杆的两端，工件锁紧套套在石墨管件外部，激光头锁紧套为由两半圆环铰接而成的套状结构，且在激光头锁紧套末端设置有锁紧头。

本实用新型还提供一种高精度石墨激光切割机加工高精度石墨管材的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：石墨管材夹紧：转动右夹持件到合适工位，将石墨管材穿过右夹持件内，然后转动右夹持件回复到原来工位，继续穿入石墨管材，直到左夹持件穿入石墨管材左端，夹紧左夹持件和右夹持件，完成石墨管材夹紧；

步骤二：激光头调整：通过控制器分别控制X轴直线电机导轨系统、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统动作，调整激光头的中轴线与石墨管材的中轴线相交，共同形成XZ平面，完成激光头位置的调整；

步骤三：喷射压缩空气：通过控制器控制压缩空气喷头持续喷射压缩空气；

步骤四：控制夹持件在刚性支撑状态、柔性支撑状态间进行切换：控制器记录激光头的加工位置为P，实时获得激光头距离左夹持件支撑石墨管件的位置O的距离OP，右夹持件支撑石墨管件的位置为Q，控制器实时计算OP距离x并且判断OP与PQ的距离L是否满足条件，当满足上述条件时，使得左夹持件的左支撑杆为柔性支撑，可以上下轴向运动，释放石墨管件的弯曲变形；而右夹持件的右支撑杆仍然为刚性支撑；当x≥L/2时，使得右夹持件的右支撑杆为柔性支撑，可以上下轴向运动，释放石墨管件的弯曲变形，而左夹持件的左支撑杆仍然为刚性支撑；经过一定时间使得左夹持件、右夹持件达到稳定的动态支撑；

步骤五：开启激光源进行切割：控制器控制激光源启动，激光源发射出激光后，经过反光镜反光后穿过透光镜后从锥形套头透出，照射到待加工工件上，实现激光切割；

步骤六：完成管材加工。

进一步改进在于：所述步骤一中，石墨管材夹紧步骤中使用随动装置，在夹持好石墨管件之前将随动装置的锁紧套工件先套入石墨管件外，然后在步骤二激光头调整步骤后，将随动装置的激光头锁紧套卡在激光头上。

本实用新型有益效果：考虑了激光切割机在加工过程中，由于压缩空气在对管材进行冷却过程中对管材造成的激振，使用柔性支撑对管材进行支撑，释放管材由于激振产生的弯曲变形，将管材所受的内应力释放，减少由于内应力而产生的周期震动对加工精度的影响，进一步提高激光切割机加工精度；包括柔性的左支撑定位架和右支撑定位架，通过判断激光头(即激振源)距离左支撑定位架和右支撑定位架的距离，在激光头离左支撑定位架较近时，将距离较远的右支撑定位架设定为柔性支撑，左支撑定位架还是刚性支撑，此种设计方式，考虑到通过选择远离激光头的支撑定位架的移位来释放加工管材的弯曲变形，可以使得支撑定位架的移位很小就能达到释放该弯曲变形的效果；考虑到对于易碎管材如石墨管材的夹持，通过在两端分别设计一插入管材内部的插入件结构和一夹紧管材外部的夹持件结构共同实现管材夹紧，同时，将插入件设计为锥形结构、锥形结构外端设置有装入包裹膜磁流变液的弹性包裹膜，在需要对不同尺寸管件进行装夹时，通电，将包裹膜磁流变液变为液体流动状态，插入管件，从而可以适应不同直径的管材装夹，另外一边的夹持件结构包括内筒和外筒，内筒和外筒通过联动杆连接，当需要对插入夹持件结构的管材进行夹紧定位时，通过拉紧外筒上的张紧线，拉紧的张紧线使得外筒夹紧，夹紧的外筒通过联动杆将夹紧力传递给待夹紧管材，通过此种间接夹紧方式，进一步保障了易碎管材的夹紧；支撑杆为可转动结构，当需要加工的管材需要从面向操作者的工位进行输送时，可以先将夹持件结构转动到面向操作者的方向，插入管材后，在旋转支撑杆到夹持工位，更加增加了操作的方便性；使用磁流变液作为滑动底座内吸收管材的弯曲变形，在通常装夹状态，其为固态，从而保证通常装夹时支撑杆能够旋转，而在激光头加工过程中，其又通电变为液体流动状态，从而使得支撑杆可以上下移动，同时配合支撑杆下部的弹簧，释放管材的弯曲变形；支撑杆伸入滑动底座的下端设置有凸起环结构，该凸起环结构能保证磁流变液在固体状态下，支撑杆仅能沿支撑杆轴线转动，而不能沿着支撑杆轴线上下滑动，并且，该凸起环结构能够在磁流变液为液体状态下时作为阻尼结构，进一步增加柔性支撑的减震能力；在滑动底座上部设置有导向套筒，支撑杆穿过导向套筒在导向套筒的导向下进行上下移动，同时，导向套筒下端抵接支撑杆上的凸起环结构，弹簧的偏置力使得在夹持有管件后凸起环仍然抵接该导向套筒，通过导向套筒与弹簧共同配合以柔性支撑管材，同时，导向套筒设置有螺纹结构，通过旋转该导向套筒可以调整弹簧的偏置力大小，更进一步提高设备的便利性；使用直线电机作为驱动移动构件，更加提高了加工精度，同时，将竖直滑块做成空心结构，将激光源设置于竖直滑块内，进一步减小了切割机尺寸，同时，能够保护激光源；使用结构简单的机械随动装置结构来实现激光头适应管材的移动，进一步提高了激光切割机的加工精度；高精度石墨管材加工方法，工艺步骤合适，通过增加左、右夹持件柔性支撑、刚性支撑切换的步骤，使得石墨管材加工更加精确，加工出的管材精度高。

附图说明

图1为本实用新型的高精度石墨激光切割机主视图。

图2为图1中的A-A视图。

图3为图1中的B-B视图。

图4为图1中的C-C视图。

图5为图1中的D-D视图。

图6为图5的E-E视图。

图7为图1的F-F视图。

图8为图3中的G-G视图。

图9为高精度石墨激光切割机原理说明示意图。

图10为左插入杆件铰接连接示意图。

图11为增加了随动装置的切割机主视图。

图12为随动装置在激光头轴线与石墨管材轴线相交所在平面上的剖视图。

图13为加工高精度石墨管材的方法的工作原理图。

其中：1、L型架体；1-1、底座；1-2、背支撑架；2、大理石台面；3、石墨管材；4、左夹持件；5、右夹持件；6、激光头；7、水平滑块； 8、竖直滑块；9、X轴直线电机导轨系统；10、水平导轨；11、X轴直线电机定子；12、X轴直线电机动子；13、水平滑块凹槽；14、Z 轴直线电机动子；15、竖直滑块凹槽；16、左底部滑块；17、左支撑杆；18、左顶部支撑座；19、左插入杆件；20、弹性体；21、弹性包裹膜；22、包裹膜磁流变液；23、线圈；24、锥形杆体；25、减震垫； 26、右底部滑块；27、右支撑杆；28、右顶部夹持件；29、左外支撑套；30、右外支撑套；31、支撑套铰轴；32、左内夹管；33、右内夹管；34、张紧线；35、锁紧电机；36、联动杆；37、通电线圈；38、内壳体磁流变液；39、内壳体；40、外壳体；41、导向套筒；42、上环体；43、下环体；44、弹簧；45、竖直滑块主体；46、凸出套筒； 47、Y轴直线电机定子；48、Y轴直线电机动子；49、激光源；50、激光头主体；51、激光头伸缩套；52、激光头伸缩套限位环；53、反光镜；54、透光镜；55、锥形套头；56、铰接轴；57、随动装置；58、连接杆件；59、工件锁紧套；60、激光头锁紧套；61、锁紧头；62、左顶部插入件；63、压缩空气喷头。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。

本实施例提供一种高精度石墨激光切割机，包括L型架体1、大理石台面2、左夹持件4、右夹持件5、激光头6、压缩空气喷头63、X 轴直线电机导轨系统9、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统、水平滑块7、竖直滑块8和控制器，压缩空气喷头63固定设置于激光头6上，L型架体1包括底座1-1和背支撑架1-2，大理石台面2固定设置于底座1-1上，X轴直线电机导轨系统9水平设置于背支撑架1-2上，水平滑块7滑动设置于X轴直线电机导轨系统9上，水平滑块7上设置有Z轴直线电机导轨系统，竖直滑块8滑动设置于 Z轴直线电机导轨系统上，竖直滑块8上设置有Y轴直线电机导轨系统，激光头6滑动设置于Y轴直线电机导轨系统上，左夹持件4和右夹持件5分别设置于大理石台面2上，石墨管件3分别通过左夹持件4和右夹持件5装夹于大理石台面2上，控制器设置于L型架体1内，用于控制压缩空气喷头63喷射压缩空气、X轴直线电机导轨系统9、 Z轴直线电机导轨系统和Y轴直线电机导轨系统，从而调整激光头6 的加工位置，如图9所示，记左夹持件4支撑石墨管件3的位置为O，右夹持件5支撑石墨管件3的位置为Q，激光头6的加工位置为P，记PQ距离为L，控制器实时计算OP距离x并且判断是否满足x≥L/2，当满足上述条件时，说明激光头6距离右夹持件5距离较近，此时，控制器控制右夹持件5还继续为刚性支撑，而使得左夹持件4变为竖直方向可动的柔性支撑，通过该柔性支撑从而释放石墨管材3由于压缩空气喷头63喷射压缩空气而发生的弯曲变形，同时，由于此时激光头6远离左夹持件4，因此通过杠杆原理分析可知，柔性的左夹持件4仅要进行很小的竖向位移变化即可释放石墨管材3发生的弯曲变形，保证了石墨管材的加工精度。

现结合附图4-7具体分析左夹持件4和右夹持件5的结构，如图1所示，左夹持件4包括左底部滑块16、左支撑杆17和左顶部插入件62，左顶部插入件62通过左支撑杆17设置于左底部滑块16上，右夹持件5包括右底部滑块26、右支撑杆27和右顶部夹持件28，右顶部夹持件28通过右支撑杆27设置于右底部滑块26上，左支撑杆17和右支撑杆27为圆柱状结构，左底部滑块16和右底部滑块26结构相同，均包括内壳体39、外壳体40、设置于内壳体39上部的导向套筒41、位于内壳体39和外壳体40之间的通电线圈37、设置于内壳体39内的磁流变液38以及固定设置于内壳体39底部的弹簧44，左支撑杆 17和右支撑杆27分别穿过导向套筒41并能在导向套筒41内进行上下滑动，优选地，内壳体39和外壳体40均为方形结构；左支撑杆 17和右支撑杆27结构相同，在其下端均设置有上环体42、下环状体 43，左支撑杆17和右支撑杆27下端分别伸入左底部滑块16和右底部滑块26的内壳体39内，下端抵接弹簧44，且弹簧44的偏置力在内壳体磁流变液为液体状态且支撑夹紧石墨管件3后仍然能够使得上环体42抵紧导向套筒41的下端部；优选地，为了提高系统的适应力和通用性，使得导向套筒41螺纹连接于内壳体39的上端，从而可以调整导向套筒41伸入内壳体39的尺寸，从而可以根据石墨管件3 的加工精度、加工难度以及重量调整柔性支撑力度。这样，通过弹簧 44、上环体42、内壳体磁流变液38、导向套筒41、通电线圈37共同组成了本申请的左夹持件4、右夹持件5变为竖直方向可动的柔性支撑的结构，具体的，在控制器判断出x≥L/2后，控制器通过向左夹持件4内部的通电线圈37通电，从而使得内壳体磁流变液38变为液体形态，解除固态内壳体磁流变液对上环体42、下环体43的轴向限位作用，从而使得左支撑杆17可以上下滑动，最后由弹簧44吸收释放石墨管件3的弯曲变形，实现了左夹持件4变为柔性支撑结构。优选地，使得上环体42和下环体43的直径不同，从而使得在夹持件变为柔性支撑结构后，能够通过上环体42和下环体43的结构形状来进一步增加内壳体磁流变液的阻尼作用。

如图1、4所示，左顶部插入件62包括左顶部支撑座18、左插入杆件19和弹性体20，左顶部支撑座18与左支撑杆17顶部固定连接，左插入杆件19固定连接于左顶部支撑座18上，弹性体20设置于左插入杆件19的外表面，左插入杆件19包括锥形杆体24和位于其表面的线圈23，弹性体20包括设置于锥形杆体24外表面的弹性包裹膜21，弹性包裹膜21内填充有包裹膜磁流变液22，弹性包裹膜21 外部设置有减震垫25，当需要对石墨管件3进行夹紧时，控制器对线圈23进行通电，使得包裹膜磁流变液22变为液体形态，石墨管件 3内部插入左顶部插入件62外，弹性包裹膜21适应石墨管件3的内管形状而变形，插入合适位置夹紧后，控制器控制线圈23断电，包裹膜磁流变液又变为固态结构，此时通过减震垫25防止石墨管件3 开裂，同时，由于弹性包裹膜21内包裹有包裹膜磁流变液，其可以适应不同尺寸的石墨管件3夹紧，同时在装配过程中左顶部插入件62外的弹性体20为液态，能够在装配中保证石墨管件3不发生碎裂。如图1、5-6所示，右顶部夹持件28包括左外支撑套29、右外支撑套30、支撑套铰轴31、联动杆36、左内夹管32、右内夹管33、张紧线 34和锁紧电机35，左外支撑套和右外支撑套30通过支撑套铰轴31 进行铰接，支撑套铰轴31固定设置于右支撑杆27顶部，左内夹管 32和右内夹管33分别通过联动杆36设置于左外支撑套29和右外支撑套30内部，左内夹管32和右内夹管33为半圆管结构，左外支撑套29和右外支撑套30与支撑套铰轴31相对的另外一端通过张紧线 34进行张紧，张紧线一端固定于左外支撑套29后穿过右外支撑套30，然后再穿过左外支撑套29，以此类推，锁紧电机35固定于右外支撑套30上，张紧线末端固定设置于锁紧电机35上，通过锁紧电机35 实现张紧线34的锁紧。锁紧后的外支撑套通过联动杆将夹紧力传递到左内夹管32和右内夹管33，从而夹紧石墨管材3，通过此种间接夹紧方式，防止在装夹时对石墨管件3的过度压紧而造成管件的碎裂。

如图1-3、8所示，X轴直线电机导轨系统9包括水平导轨10、X轴直线电机定子11和X轴直线电机动子12，水平导轨10固定设置于背支撑架1-2上，X轴直线电机定子11固定设置于水平导轨10的上下两端，X轴直线电机动子12设置于水平滑块7上，且分别与X轴直线电机定子11相对应，在水平滑块7上还设置有水平滑块凹槽13，水平导轨10配合伸入水平滑块凹槽13内；Z轴直线电机导轨系统包括Z轴直线电机动子14、Z轴直线电机定子和竖直滑块凹槽15，Z轴直线电机动子固定设置于竖直滑块8上，Z轴直线电机定子固定设置于水平滑块7上，水平滑块7上设置有与竖直滑块8上的竖直滑块凹槽15配合的Z轴滑轨，Z轴滑轨配合伸入竖直滑块凹槽15内；Y轴直线电机导轨系统包括Y轴直线电机定子47和Y轴直线电机动子48， Y轴直线电机定子47设置于竖直滑块8内，Y轴直线电机动子48设置于激光头6外，Y轴直线电机定子47和Y轴直线电机动子48相对设置。

如图1、3、8所示，竖直滑块8为空心壳体结构，其包括竖直滑块主体45、位于竖直滑块主体45前端的凸出套筒46，Z轴直线电机导轨系统位于竖直滑块主体45的后端，竖直滑块主体45内部固定设置有激光源49；激光头6包括激光头主体50、位于激光头主体50下端的锥形套头55和位于激光头6侧端的激光头伸缩套51，还包括反光镜 53、透光镜54，透光镜54设置于锥形套头55内，激光头伸缩套51 能够滑动伸入凸出套筒46内，从而实现激光头6的Y轴位置调节，Y 轴直线电机动子48固定设置于激光头伸缩套51外侧，Y轴直线电机定子47固定设置于凸出套筒46的内侧；优选地，为了限制激光头 6Y轴方向的移动，在激光头伸缩套51的末端设置有激光头伸缩套限位环52。激光源49发射出激光后，经过反光镜53反光后穿过透光镜54后从锥形套头55透出，实现激光切割。

优选地，如图10-12所示，为了适应左夹持件4和右夹持件5在变为柔性支撑进行竖直滑移吸收石墨管件3弯曲变形时，伸入石墨管件3 的左顶部插入件62和夹持石墨管件3外部的右顶部夹持件28能够适应石墨管件3的微小转动运动而不会在夹持部发生碎裂，使得锥形杆体24通过铰接轴56转动设置于左顶部支撑座18上，实现锥形杆体 24能够绕着Y轴转动；同时，支撑套铰轴31与右支撑杆27也为铰接连接，从而实现右顶部夹持件28能够绕着Y轴转动。

优选地，为了提高石墨管件3的加工精度，使得激光头6能够适应石墨管件3的位移，切割机还包括随动装置57，该随动装置57套设于石墨管件3和激光头6上，且激光头伸缩套51可相对于凸出套筒46 转动，从而使得激光头6可以随着石墨管件3的位移变化而相对转动，从而进一步提高激光头加工精度。

优选地，随动装置57包括工件锁紧套59、连接杆58和激光头锁紧套60，连接杆58为L型结构，工件锁紧套59和激光头锁紧套60分别设置于连接杆58的两端，工件锁紧套59套在石墨管件3外部，激光头锁紧套60为由两半圆环铰接而成的套状结构，且在激光头锁紧套60末端设置有锁紧头61，当将激光头锁紧套60套入激光头6后，锁紧该锁紧头61实现紧固。

本实用新型的高精度石墨激光切割机具体使用方法如下：使得待加工的石墨管件3从右夹持件5内穿过，若是石墨管件3需要穿过的工位位于切割机前端，即Y轴，则用手转动右夹持件5上的右顶部夹持件 28到合适角度，然后将石墨管件3穿入右顶部夹持件28，穿入一定长度后，使得右夹持件5复位，继续穿入石墨管件3，控制器控制左夹持件4内的线圈23通电，使得弹性包裹膜21呈柔软状态，石墨管件3继续伸入，直到石墨管件3抵靠在减震垫25的合适位置，调整好后，控制器控制线圈23断电，弹性包裹膜21呈坚硬状态，同时，控制器控制锁紧电机35动作，拉紧张紧线34从而完成石墨管件3的夹持固定；控制器通过控制X轴直线电机导轨系统9、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统调整激光头6加工位置，优选使得，激光头6的中轴线与石墨管材3的中轴线相交，共同形成XZ平面，若是需要使用随动装置57则在夹持好石墨管件3之前将锁紧套工件 59先套入石墨管件3外，在调整好激光头6加工位置后，将激光头锁紧套60卡在激光头6上；然后，控制器控制压缩空气喷头持续喷出压缩空气，记录激光头6的加工位置为P，实施获得激光头6距离左夹持件4支撑石墨管件3的位置O的距离OP，右夹持件5支撑石墨管件3的位置为Q，控制器实时计算OP距离x并且判断OP与PQ 的距离L是否满足x≥L/2，当满足时，控制左夹持件4内的通电线圈 37通电，使得内壳体磁流变液为流体状态，从而使得左支撑杆为柔性支撑，可以上下轴向运动，释放石墨管件3的弯曲变形；当x<L/2，控制右夹持件5内的通电线圈37通电，使得内壳体磁流变液为流体状态，从而使得右支撑杆为柔性支撑，可以上下轴向运动，释放石墨管件3的弯曲变形，而左支撑杆仍为刚性支撑；同时，开启激光源 49，开始进行激光切割。可以通过在各构件之间加入位移传感器或者是GPS定位器等结构来获得各位置及距离信息，为本领域所常用的结构，此处不再做过多介绍。

本实施例还提供一种高精度石墨激光切割机加工高精度石墨管材的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：石墨管材夹紧：转动右夹持件到合适工位，将石墨管材穿过右夹持件内，然后转动右夹持件回复到原来工位，继续穿入石墨管材，直到左夹持件穿入石墨管材左端，夹紧左夹持件和右夹持件，完成石墨管材夹紧；

步骤二：激光头调整：通过控制器分别控制X轴直线电机导轨系统、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统动作，调整激光头的中轴线与石墨管材的中轴线相交，共同形成XZ平面，完成激光头位置的调整；

步骤三：喷射压缩空气：通过控制器控制压缩空气喷头持续喷射压缩空气；

步骤四：控制夹持件在刚性支撑状态、柔性支撑状态间进行切换：控制器记录激光头的加工位置为P，实时获得激光头距离左夹持件支撑石墨管件的位置O的距离OP，右夹持件支撑石墨管件的位置为Q，控制器实时计算OP距离x并且判断OP与PQ的距离L是否满足条件，当满足上述条件时，使得左夹持件的左支撑杆为柔性支撑，可以上下轴向运动，释放石墨管件的弯曲变形；而右夹持件的右支撑杆仍然为刚性支撑；当x≥L/2时，使得右夹持件的右支撑杆为柔性支撑，可以上下轴向运动，释放石墨管件的弯曲变形，而左夹持件的左支撑杆仍然为刚性支撑；经过一定时间使得左夹持件、右夹持件达到稳定的动态支撑；

步骤五：开启激光源进行切割：控制器控制激光源启动，激光源发射出激光后，经过反光镜反光后穿过透光镜后从锥形套头透出，照射到待加工工件上，实现激光切割；

步骤六：完成管材加工。

所述步骤一中，石墨管材夹紧步骤中使用随动装置，在夹持好石墨管件之前将随动装置的锁紧套工件先套入石墨管件外，然后在步骤二激光头调整步骤后，将随动装置的激光头锁紧套卡在激光头上。

本实用新型的激光切割机，其根据激光头加工位置，具有将装夹支撑根据加工位置而自适应变为柔性支撑的功能，同时，通过简单的机械结构使得激光头可以动态的跟随待加工石墨管件的位移，进一步提高了激光切割的精度，该切割机自动化程度高，精度较高，适合航天、航空等制造领域。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高精度石墨激光切割机，包括L型架体(1)、大理石台面(2)、石墨管件(3)、左夹持件(4)、右夹持件(5)、激光头(6)、压缩空气喷头(63)、X轴直线电机导轨系统(9)、Z轴直线电机导轨系统、Y轴直线电机导轨系统、水平滑块(7)、竖直滑块(8)和控制器，所述压缩空气喷头(63)固定设置于激光头(6)上，L型架体(1)包括底座(1-1)和背支撑架(1-2)，大理石台面(2)固定设置于底座(1-1)上，其特征在于：X轴直线电机导轨系统(9)水平设置于背支撑架(1-2)上，水平滑块(7)滑动设置于X轴直线电机导轨系统(9)上，水平滑块(7)上设置有Z轴直线电机导轨系统，竖直滑块(8)滑动设置于Z轴直线电机导轨系统上，竖直滑块(8)上设置有Y轴直线电机导轨系统，激光头(6)滑动设置于Y轴直线电机导轨系统上，左夹持件(4)和右夹持件(5)分别设置于大理石台面(2)上，石墨管件(3)分别通过左夹持件(4)和右夹持件(5)装夹于大理石台面(2)上，左夹持件(4)包括左底部滑块(16)、左支撑杆(17)和左顶部插入件(62)，左顶部插入件(62)通过左支撑杆(17)设置于左底部滑块(16)上，右夹持件(5)包括右底部滑块(26)、右支撑杆(27)和右顶部夹持件(28)，右顶部夹持件(28)通过右支撑杆(27)设置于右底部滑块(26)上，左支撑杆(17)和右支撑杆(27)为圆柱状结构，左底部滑块(16)和右底部滑块(26)结构相同，均包括内壳体(39)、外壳体(40)、设置于内壳体(39)上部的导向套筒(41)、位于内壳体(39)和外壳体(40)之间的通电线圈(37)、设置于内壳体(39)内的内壳体磁流变液(38)以及固定设置于内壳体(39)底部的弹簧(44)，左支撑杆(17)和右支撑杆(27)分别穿过导向套筒(41)并能在导向套筒(41)内进行上下滑动，左支撑杆(17)和右支撑杆(27)结构相同，在左支撑杆(17)和右支撑杆(27)下端均设置有上环体(42)、下环状体(43)，左支撑杆(17)和右支撑杆(27)下端分别伸入左底部滑块(16)和右底部滑块(26)的内壳体(39)内，下端抵接弹簧(44)，控制器设置于L型架体(1)内，用于控制压缩空气喷头(63)持续喷射压缩空气、X轴直线电机导轨系统(9)、Z轴直线电机导轨系统和Y轴直线电机导轨系统的动作以及通电线圈(37)的工作。

2.如权利要求1所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述弹簧(44)的偏置力在磁流变液为液体状态且支撑夹紧石墨管件(3)后仍然能够使得上环体(42)抵紧导向套筒(41)的下端部。

3.如权利要求1所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述左顶部插入件(62)包括左顶部支撑座(18)、左插入杆件(19)和弹性体(20)，左顶部支撑座(18)与左支撑杆(17)顶部固定连接，左插入杆件(19)固定连接于左顶部支撑座(18)上，弹性体(20)设置于左插入杆件(19)的外表面，左插入杆件(19)包括锥形杆体(24)和位于其表面的线圈(23)，弹性体(20)包括设置于锥形杆体(24)外表面的弹性包裹膜(21)，弹性包裹膜(21)内填充有包裹膜磁流变液(22)，弹性包裹膜(21)外部设置有减震垫(25)，当需要对石墨管件(3)进行夹紧时，控制器对线圈(23)进行通电，石墨管件(3)内部插入左顶部插入件(62)外。

4.如权利要求1所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述右顶部夹持件(28)包括左外支撑套(29)、右外支撑套(30)、支撑套铰轴(31)、联动杆(36)、左内夹管(32)、右内夹管(33)、张紧线(34)和锁紧电机(35)，左外支撑套(29)和右外支撑套(30)通过支撑套铰轴(31)进行铰接，支撑套铰轴(31)固定设置于右支撑杆(27)顶部，左内夹管(32)和右内夹管(33)分别通过联动杆(36)设置于左外支撑套(29)和右外支撑套(30)内部，左内夹管(32)和右内夹管(33)为半圆管结构，左外支撑套(29)和右外支撑套(30)与支撑套铰轴(31)相对的另外一端通过张紧线(34)进行张紧，张紧线一端固定于左外支撑套(29)后穿过右外支撑套(30)，然后再穿过左外支撑套(29)，往返多次，锁紧电机(35)固定于右外支撑套(30)上，张紧线末端固定设置于锁紧电机(35)上。

5.如权利要求1所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述X轴直线电机导轨系统(9)包括水平导轨(10)、X轴直线电机定子(11)和X轴直线电机动子(12)，水平导轨(10)固定设置于背支撑架(1-2)上，X轴直线电机定子(11)固定设置于水平导轨(10)的上下两端，X轴直线电机动子(12)设置于水平滑块(7)上，且分别与X轴直线电机定子(11)相对应，在水平滑块(7)上还设置有水平滑块凹槽(13)，水平导轨(10)配合伸入水平滑块凹槽(13)内；Z轴直线电机导轨系统包括Z轴直线电机动子(14)、Z轴直线电机定子和竖直滑块凹槽(15)，Z轴直线电机动子固定设置于竖直滑块(8)上，Z轴直线电机定子固定设置于水平滑块(7)上，水平滑块(7)上设置有与竖直滑块(8)上的竖直滑块凹槽(15)配合的Z轴滑轨，Z轴滑轨配合伸入竖直滑块凹槽(15)内，Y轴直线电机导轨系统包括Y轴直线电机定子(47)和Y轴直线电机动子(48)，Y轴直线电机定子(47)设置于竖直滑块(8)内，Y轴直线电机动子(48)设置于激光头(6)外，Y轴直线电机定子(47)和Y轴直线电机动子(48)相对设置。

6.如权利要求1或5所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述竖直滑块(8)为空心壳体结构，其包括竖直滑块主体(45)、位于竖直滑块主体(45)前端的凸出套筒(46)，Z轴直线电机导轨系统位于竖直滑块主体(45)的后端，竖直滑块主体(45)内部固定设置有激光源(49)。

7.如权利要求1所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述激光头(6)包括激光头主体(50)、位于激光头主体(50)下端的锥形套头(55)和位于激光头(6)侧端的激光头伸缩套(51)，还包括反光镜(53)、透光镜(54)，透光镜(54)设置于锥形套头(55)内，激光头伸缩套(51)能够滑动伸入凸出套筒(46)内，从而实现激光头(6)的Y轴位置调节，Y轴直线电机动子(48)固定设置于激光头伸缩套(51)外侧，Y轴直线电机定子(47)固定设置于凸出套筒(46)的内侧，激光源(49)发射出激光后，经过反光镜(53)反光后穿过透光镜(54)后从锥形套头(55)透出。

8.如权利要求3所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述锥形杆体(24)通过铰接轴(56)转动设置于左顶部支撑座(18)上，实现锥形杆体(24)能够绕着Y轴转动，支撑套铰轴(31)与右支撑杆(27)也为铰接连接，实现右顶部夹持件(28)能够绕着Y轴转动。

9.如权利要求1所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述石墨管件(3)和激光头(6)上套设有随动装置(57)，激光头(6)中的激光头伸缩套(51)可相对于竖直滑块(8)的凸出套筒(46)转动。

10.如权利要求9所述的一种高精度石墨激光切割机，其特征在于：所述随动装置(57)包括工件锁紧套(59)、连接杆(58)和激光头锁紧套(60)，连接杆(58)为L型结构，工件锁紧套(59)和激光头锁紧套(60)分别设置于连接杆(58)的两端，工件锁紧套(59)套在石墨管件(3)外部，激光头锁紧套(60)为由两半圆环铰接而成的套状结构，且在激光头锁紧套(60)末端设置有锁紧头(61)。

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