CN210848792U - 一种三维五轴激光切割机床 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种三维五轴激光切割机床，其特征在于包括：工作台面(1)、平动机构、转动机构、机床激光切割头(7)、程序控制模块组；所述工作台面(1)用于支撑并安装固定所述平动机构、所述转动机构、所述机床激光切割头(7)和所述程序控制模块组；所述程序控制模块组给予所述平动机构和所述转动机构驱动信号，驱动所述平动机构和所述转动机构按照指定程序工作运行；所述平动机构驱动所述机床激光切割头(7)平移运动；所述转动机构驱动所述机床激光切割头(7)旋转运动；所述机床激光切割头(7)用于对待加工材料进行切割工作。
Description
技术领域
本实用新型属于自动化加工机床技术领域，具体涉及一种三维五轴激光切割机床。
背景技术
现有技术中激光切割机采用三维五轴激光切割，其优越性表现为具有柔性好、切割质量高、效率高等优点，不仅可以应用于对金属材料的切割，还可以对有机玻璃、陶瓷灯非金属材料等进行切割，因此非常广泛的应用于自动化加工领域中。
以往三维五轴激光切割机床的核心控制技术被国外垄断，但是随着科技的发展，其核心控制技术逐渐被我国科研人员所掌握。在此基础上逐步衍生并研发出了国产的三维五轴激光切割机床。但是对三维五轴激光切割机床对零部件加工后的后处理以及切割轨迹生成然后研究的比较少，因此不可避免的存在如下技术问题：(1)国内外的CAM软件大多不能切口特征自动识别和选取，而采用手工选取方式。这种方式在零部件切割面上存在大量不规则切口特征时，费时费力，容易发生错误。(2)现行的激光切割软件都依赖其他商业软件的二次开发平台，但这些商用软件本身价格非常昂贵，因而不利于激光切割软件的推广和普及。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种三维五轴激光切割机床，以解决现有技术中存在的因国内外的CAM软件大多不能切口特征自动识别和选取，导致零部件切割面上存在大量不规则切口特征时，费时费力，容易发生错误；以及激光切割软件都依赖二次开发平台，价格昂贵，不利于激光切割软件的推广和普及。
为了更好的解决上述问题，本实用新型涉及一种三维五轴激光切割机床，其特征在于包括：工作台面、平动机构、转动机构、机床激光切割头、程序控制模块组；
所述工作台面用于支撑并安装固定所述平动机构、所述转动机构、所述机床激光切割头和所述程序控制模块组；
所述程序控制模块组给予所述平动机构和所述转动机构驱动信号，驱动所述平动机构和所述转动机构按照指定程序工作运行；
所述平动机构驱动所述机床激光切割头平移运动；所述转动机构驱动所述机床激光切割头旋转运动；所述机床激光切割头用于对待加工材料进行切割工作。
进一步，所述平动机构包括：带动机床激光切割头沿Y方向往复平移的第一平动机构，带动机床激光切割头沿Z方向往复平移的第二平动机构和带动机床激光切割头沿X方向往复平移的第三平动机构；
所述转动机构包括：带动机床激光切割头绕Z轴做圆周旋转的第一转动机构和带动机床激光切割头绕Y轴做圆周旋转的第二转动机构。
进一步，所述程序控制模块组包括：数据输入模块、数据识别模块、数据分析模块和程序生成模块：
所述数据输入模块通过采用STL文件输入所述程序控制模块组以表达实体表面信息；
所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息提出了STL模型的切口线的自动识别分析算法；
所述数据分析模块通过数据识别模块的分析计算，得到所述机床激光切割头进行材料切割的末端激光切割点所在的位姿；
所述程序生成模块在所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，用于生成对机床各轴电机进行精度运动控制的NC程序。
进一步，所述STL文件是采用三角形面片表达实体表面数据的文件格式，通过三角形面片用三角形的三个顶点和指向模型外部的法向量表示，其包含点、线、面的几何信息，能够完整表达实体表面信息。
进一步，所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息，结合所述三维五轴激光切割机床加工工艺特性提出了STL模型的切口线的自动识别算法；根据读入STL数据中是否存在只与一个三角面片连接的单边来判别模型的类别，判断模型的类别优选为曲面模型或实体模型。
进一步，所述数据分析模块通过数据识别模块的自动识别分析算法进行分析计算，可以自动生成切口线，在切口线中可以得到机床激光切割头在加工切割点处的位置(pxpy pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学问题进行分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的角度。
进一步，所述程序生成模块所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，根据末端激光切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的转动角度，根据各个时刻机床各轴电机的角度信息，从而生成三维五轴机床NC程序，并由NC程序驱动数控系统，实现对伺服电机高精度运动的控制。
本实用新型的有益效果为：本实用新型对三维五轴机床进行了运动学分析，充分考虑激光头的位姿，提出一种基于STL文件的三维五轴激光切割机床的加工轨迹自动生成方法。该方法具有切口特征自动识别与选取功能,能保证激光束始终与被切割曲面垂直。该方法能自动识别切口，自动化程度高，能够减轻操作者劳动强度，提高工作效率，减少人为错误。同时，由于该方法采用了在激光加工行业应用广泛而又无需特定运行平台的STL数据模型,因此有利于该软件的推广应用和普及，突破目前行业内技术人员一直亟待突破的这一技术壁垒。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
图1是本实用新型的三维五轴激光机床结构示意图；
图2是本实用新型的激光切割机床的加工轨迹自动生成方法过程示意图：
图3是本实用新型的激光切割机床需要进行切割加工的零件外表面、内表面、切口面示意图；
图4是本实用新型的三维五轴激光机床运动学示意图；
图5是本实用新型的STL模型的切口线的自动识别分析算法过程示意图。
图中：
工作台面1，第一平动机构2、第二平动机构3、第三平动机构4、第一转动机构5、第二转动机构6、机床激光切割头7。
具体实施方式
下文讨论的图1至图5，以及在本专利文件中用于描述本实用新型的原理的各种实施例仅是用来说明，而不应当以被视为以任何方式限制本实用新型的范围。本领域技术人员将理解的是，本实用新型的一种三维五轴激光切割机床。用于描述各种实施例的术语是示范性的。应当理解的是，提供这些仅是为了帮助理解本说明书，且它们的使用和定义不以任何方式限制本实用新型的范围。使用术语第一、第二等来区分具有相同术语集的对象，而不意在以任何方式表示时间次序，除非另有明确说明。组被限定为包含至少一个元件的非空组。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。应当理解的是，本文所描述的示范性实施例应当仅被认为是描述性的，而不是为了限制的目的。对每个示范性实施例中的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他示范性实施例中类似的特征或方面。
实施例一
如图1所示出了根据示例性实施例的本实用新型的三维五轴激光机床结构示意图；
本实施例中，一种三维五轴激光切割机床，包括：工作台面1、平动机构、转动机构、机床激光切割头7、程序控制模块组；
所述工作台面1用于支撑并安装固定所述平动机构、所述转动机构、所述机床激光切割头7和所述程序控制模块组；
所述程序控制模块组给予所述平动机构和所述转动机构驱动信号，驱动所述平动机构和所述转动机构按照指定程序工作运行；
所述平动机构驱动所述机床激光切割头7平移运动；
所述转动机构驱动所述机床激光切割头7旋转运动；
所述机床激光切割头4用于对待加工材料进行切割工作。
所述平动机构包括：带动机床激光切割头7沿Y方向往复平移的第一平动机构2，带动机床激光切割头7沿Z方向往复平移的第二平动机构3和带动机床激光切割头7沿X方向往复平移的第三平动机构4；
所述转动机构包括：带动机床激光切割头7绕Z轴做圆周旋转的第一转动机构5和带动机床激光切割头7绕Y轴做圆周旋转的第二转动机构6。
所述程序控制模块组包括：数据输入模块、数据识别模块、数据分析模块和程序生成模块：
所述数据输入模块通过采用STL文件输入所述程序控制模块组以表达实体表面信息；
所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息提出了STL模型的切口线的自动识别分析算法；
所述数据分析模块通过数据识别模块的分析计算，得到所述机床激光切割头7进行材料切割的末端激光切割点所在的位姿；
所述程序生成模块在所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，用于生成对机床各轴电机进行精度运动控制的NC程序。
所述STL文件是采用三角形面片表达实体表面数据的文件格式，通过三角形面片用三角形的三个顶点和指向模型外部的法向量表示，其包含点、线、面的几何信息，能够完整表达实体表面信息。
所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息，结合所述三维五轴激光切割机床加工工艺特性提出了STL模型的切口线的自动识别算法；根据读入STL数据中是否存在只与一个三角面片连接的单边来判别模型的类别，判断模型的类别优选为曲面模型或实体模型。
所述数据分析模块通过数据识别模块的自动识别分析算法进行分析计算，可以自动生成切口线，在切口线中可以得到机床激光切割头7在加工切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学问题进行分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的角度。
所述程序生成模块所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，根据末端激光切割点处的的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的转动角度，根据各个时刻机床各轴电机的角度信息，从而生成三维五轴机床NC程序，并由NC程序驱动数控系统，实现对伺服电机高精度运动的控制。
实施例二
图2是本实用新型的激光切割机床的加工轨迹自动生成方法过程示意图：
本实施例中，一种三维五轴激光切割机床的加工轨迹自动生成方法，其特征在于，包括：数据输入模块、数据识别模块、数据分析模块和程序生成模块：所述加工轨迹自动生成方法包括如下的步骤：
步骤S1:所述数据输入模块通过采用STL文件输入所述程序控制模块组以表达实体表面信息；
步骤S2:所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息提出了STL模型的切口线的自动识别分析算法；
步骤S3:所述数据分析模块通过数据识别模块的分析计算，可以自动生成切口线，在切口线中可以得到机床激光切割头7在加工切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx nynz)T的信息；
步骤S4:所述程序生成模块在所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，用于生成对机床各轴电机进行精度运动控制的NC程序。
本实施例中，步骤S1:所述数据输入模块通过采用STL文件输入所述程序控制模块组以表达实体表面信息；所述STL文件是采用三角形面片表达实体表面数据的文件格式，STL文件是若干空间小三角形面片的集合，通过三角形面片用三角形的三个顶点和指向模型外部的法向量表示，其包含点、线、面的几何信息，能够完整表达实体表面信息。
STL文件应满足共顶点规则、取向规则、充满规则、取值规则：共顶点规则，即每一个三角面片必须与其相邻的每一个面片共两个顶点，一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；取向规则，单个面片法向量符合右手法则且其法向量必须指向实体外面；充满规则，所以三角面片必须布满三维模型的所有表面,不得有任何遗漏；取值规则，每个顶点的坐标值必须为非负,即STL文件的实体在坐标系的第一象限。
所述STL文件可采用二进制文件和ASCII码文件进行展示，
其中二进制STL文件用固定的字节数给出三角面片的几何信息。前面84个字节描述3D模型文件信息。文件起始的80个字节是文件头，用于存贮零件名；紧接着用4个字节的整数来描述模型的三角面片个数。后面逐个给出每个三角面片的几何信息：每个三角面片占用固定的50个字节，依次是：3个4字节浮点数，表示角面片的法矢量，3个4字节浮点数，表示第一个个顶点的坐标，3个4字节浮点数，表示第二个顶点的坐标，3个4字节浮点数，表示第三个顶点的坐标，最后2个字节用来描述三角面片的属性信息。
其中ASCII码格式的STL文件逐行给出三角面片的几何信息，每一行以1个或2个关键字开头。在STL文件中的三角面片的信息单元facet是一个带矢量方向的三角面片，STL三维模型就是由一系列这样的三角面片构成。整个STL文件首行给出了文件路径及文件名。在一个STL文件中，每一个facet由7行数据组成，facet normal是三角面片指向实体外部的法矢量坐标，outer loop说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标，3顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列。
图3是本实用新型的激光切割机床需要进行切割加工的零件外表面、内表面、切口面示意图；
图5是本实用新型的STL模型的切口线的自动识别分析算法过程示意图；
本实施例中，步骤S2:所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息提出了STL模型的切口线的自动识别分析算法；所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息，结合所述三维五轴激光切割机床加工工艺特性提出了STL模型的切口线的自动识别算法；根据读入STL数据中是否存在只与一个三角面片连接的单边来判别模型的类别，判断模型的类别优选为曲面模型或实体模型。所述STL模型的切口线的自动识别根据读入STL数据中是否存在只与一个三角面片连接的单边来判别是曲面模型还是实体模型，若存在单边，则为曲面模型；当为曲面模型时，通过找出只与一个三角面片连接的边，并按顺序连接这些边即可得到切口边形成的闭环，即为切口线；当为实体模型时，通过切口面的法向量与外表面和内表面的法向量分别垂直，或通过切口面的法向量与外表面和内表面的法向量分别近似垂直；以及切口边形成的闭环是切口面的外边形成的闭环，即与切口面相邻的外表面三角面片法向量Z值为正值，这两者找到的外切口线点的集合；并根据“同一根切口线上，相邻的2个三角面片至少有一个点重合”的原则，把外切口线点的集合，聚合成不同的切口线；对同一个切口线的点进行去除重复的点的操作并进行的点排序，生成切口线。
本实施例中STL文件为数据输入格式，根据三维五轴激光切割机床对金属板材进行加工的工艺特性提出了STL模型的切口线的自动识别算法；可以进行加工的金属板材的表面分为三种，分别是外表面、内表面和切口面。由于三维五轴激光切割的特点之一是激光束可以始终与金属板材零件外表面垂直，也就实现了切口面分别于内表面、外表面垂直相交，或切口面的与外表面和内表面分别近似垂直。
根据几何知识，切口面法向量与外表面法向量的交角角度为：
通过上述计算式进而计算出切口面的法向量与外表面的法向量的交角角度为α，其中切口面的法向量为(nx，ny，nz)，外表面的法向量为：(nx1，ny1，nz1)；
根据几何知识，切口面法向量与内表面法向量的交角角度为：
通过上述计算式进而计算出切口面的法向量与内表面的法向量的交角角度为β，其中切口面的法向量为(nx，ny，nz)，外表面的法向量为(nx2，ny2，nz2)；
一个三角面片是切口面的重要条件是，通过切口面的法向量与外表面和内表面的法向量分别垂直，或通过切口面的法向量与外表面和内表面的法向量分别近似垂直；即需要满足如下关系式：
式中γ1为某一阈值，如0.1，公式表示的含义是α接近于π/2；为某一阈值，如0.1，公式表示的含义是β接近于π/2；
将式(1)中计算出的交角角度α和式(2)中计算出的交角角度β，代入式(3)中，因此切口线就是满足式(3)且与外表面相交的点的集合，其中外表面的重要特征是其三角面片法向量Z值都是正值。
通过上述计算式得出的相交的点的集合，并根据“同一根切口线上，相邻的2个三角面片至少有一个点重合”的原则，把外切口线点的集合，聚合成不同的切口线；对同一个切口线的点进行去除重复的点的操作并进行的点排序，能够实现自动识别STL模型的切口线，进而生成切口线。
图4是本实用新型的三维五轴激光机床运动学示意图：
本实施例中，步骤S3：所述数据分析模块通过数据识别模块的分析计算，可以自动生成切口线，在切口线中可以得到机床激光切割头7在加工切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息。；
根据末端激光切割点处的的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T，通过对机床的逆运动学分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的转动角度。为此，需要对机床的正运动学问题和逆运动学问题进行分析。可以采用旋量理论和指数积相结合对机床的正运动学问题进行分析。三维五轴激光机床运动关系及旋量理论参数具体数据如表1所示：
表1
因为转动关节的旋量
移动关节的旋量
可知每个关节产生的运动旋量为：
ε1＝[dx，0，0，0，0，0]T (4)
ε2＝[0，dy，0，0，0，0]T
ε3＝[0，0，dz，0，0，1]T
ε4＝[0，-L1，0，0，0，1]T
ε5＝[L2，0，L1，0，1，0]T
整个机械臂的运动学正解方程为：
该公式是指数积公式POE，式中刚体变换矩阵
可以看做关节运动对激光切割点末端位姿影响尺度；R(θ)表示的机床末端坐标系相对于基坐标的旋转矩阵，P(θ)表示的机床末端坐标系相对于基坐标的位置平移矩阵；
其中各个指数如下：
gst(0)为末端坐标系T在参考坐标系S中的表示。
解得：
式中θ4表示的是第4个转过的角度(转动机构)，θ5表示的是第5个转过的角度(转动机构)；
式中dx表示的是x轴电机转过的距离(第三平移机构4)；dy表示的是y轴电机转过的距离(第一平移机构2)；dz表示的是z轴电机转过的距离(第二平移机构3)；L1、L2、L3指的是关节之间连杆的长度；
根据上述公式(7)和公式(8)进行的计算，就完成了利用旋量理论和指数积相结合的方法对五自由度机械臂运动学正问题的分析。通过正运动学分析可以根据机床各个关节的角度，计算激光切割点末端所在的加工切割点位置P(θ)和姿态R(θ)。
本实施例中，步骤S4：所述程序生成模块在所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，用于生成对机床各轴电机进行精度运动控制的NC程序；
所述程序生成模块所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，根据末端激光切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的转动角度。为此，在进行了机床的正运动学问题分析之后，就需要对机床的逆运动学问题进行分析。
首先，根据切割线的法向量(nx ny nz)T求解以上公式中的θ4、θ5，根据STL文件的数据可以得出激光切割线的法向量(nx ny nz)T，而法向量与末端坐标系的Z轴方向一致。则有存在如下关系：
通过式(9)从而可以推算出：
上述式(9)和式(10)中(nx，ny，nz)指的是切口线的法向量，该公式表示的是由切口线的法向量，进而求解出电机的旋转角度(θ4θ5)
其次，根据切点的位置求解dx、dy、dz
该公式表示的是由切口线的位置矢量(px py pz)T，求解出电机的平移位置(dx，dy，dz)，通过式(10)和式(11)就可以根据切割线自动生成三维五轴激光机床的NC程序了。
本实用新型的有益效果为：本实用新型对三维五轴机床进行了运动学分析，充分考虑激光头的位姿，提出一种基于STL文件的三维五轴激光切割机床的加工轨迹自动生成方法。该方法具有切口特征自动识别与选取功能,能保证激光束始终与被切割曲面垂直。该方法能自动识别切口，自动化程度高，能够减轻操作者劳动强度，提高工作效率，减少人为错误。同时，由于该方法采用了在激光加工行业应用广泛而又无需特定运行平台的STL数据模型,因此有利于该软件的推广应用和普及，突破目前行业内技术人员一直亟待突破的这一技术壁垒。
在上述实施例基础上，本实施例以上述依据实用新型型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种三维五轴激光切割机床，其特征在于包括：工作台面(1)、平动机构、转动机构、机床激光切割头(7)、程序控制模块组；
所述工作台面(1)用于支撑并安装固定所述平动机构、所述转动机构、所述机床激光切割头(7)和所述程序控制模块组；
所述程序控制模块组给予所述平动机构和所述转动机构驱动信号，驱动所述平动机构和所述转动机构按照指定程序工作运行；
所述平动机构驱动所述机床激光切割头(7)平移运动；
所述转动机构驱动所述机床激光切割头(7)旋转运动；
所述机床激光切割头(7)用于对待加工材料进行切割工作。
2.根据权利要求1所述的三维五轴激光切割机床，其特征在于：
所述平动机构包括：带动机床激光切割头(7)沿Y方向往复平移的第一平动机构(2)，带动机床激光切割头(7)沿Z方向往复平移的第二平动机构(3)和带动机床激光切割头(7)沿X方向往复平移的第三平动机构(4)；
所述转动机构包括：带动机床激光切割头(7)绕Z轴做圆周旋转的第一转动机构(5)和带动机床激光切割头(7)绕Y轴做圆周旋转的第二转动机构(6)。
3.根据权利要求1所述的三维五轴激光切割机床，其特征在于：所述程序控制模块组包括：数据输入模块、数据识别模块、数据分析模块和程序生成模块：
所述数据输入模块通过采用STL文件输入所述程序控制模块组以表达实体表面信息；
所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息提出了STL模型的切口线的自动识别分析算法；
所述数据分析模块通过数据识别模块的分析计算，得到所述机床激光切割头(7)进行材料切割的末端激光切割点所在的位姿，即位置和姿态，位置为(px py pz)T，姿态为使得机床激光切割头(7)与法向量(nx ny nz)T保持一致；
所述程序生成模块在所述数据分析模块确定的末端激光切割点位姿的基础上，用于生成对机床各轴电机进行精度运动控制的NC程序。
4.根据权利要求3所述的三维五轴激光切割机床，其特征在于：
所述STL文件是采用三角形面片表达实体表面数据的文件格式，通过三角形面片用三角形的三个顶点和指向模型外部的法向量表示，其包含点、线、面的几何信息，能够完整表达实体表面信息。
5.根据权利要求3所述的三维五轴激光切割机床，其特征在于：
所述数据识别模块针对所述数据输入模块输入的实体表面信息，结合所述三维五轴激光切割机床加工工艺特性提出了STL模型的切口线的自动识别算法；根据读入STL数据中是否存在只与一个三角面片连接的单边来判别模型的类别，判断模型的类别为曲面模型或实体模型。
6.根据权利要求3所述的三维五轴激光切割机床，其特征在于：
所述数据分析模块通过数据识别模块的自动识别分析算法进行分析计算，得到机床激光切割头(7)在加工切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学问题进行分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的角度。
7.根据权利要求3所述的三维五轴激光切割机床，其特征在于：
所述程序生成模块所述数据分析模块确定的末端激光切割点的基础上，根据末端激光切割点处的位置(px py pz)T和法向量(nx ny nz)T的信息，通过对机床的逆运动学分析，计算得到各个时刻机床各轴电机的转动角度，根据各个时刻机床各轴电机的角度信息，从而生成三维五轴机床NC程序，并由NC程序驱动数控系统，实现对伺服电机高精度运动的控制。
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