TWI618602B - Waterjet cutting device - Google Patents

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TWI618602B TW106118376A TW106118376A TWI618602B TW I618602 B TWI618602 B TW I618602B TW 106118376 A TW106118376 A TW 106118376A TW 106118376 A TW106118376 A TW 106118376A TW I618602 B TWI618602 B TW I618602B
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Abstract

一種水刀切割裝置，包含一承座單元，及一輸出單元。該承座單元包括一基座、一設置於該基座上的第一馬達、一連接該第一馬達的第一旋轉座、一設置於該第一旋轉座上的第二馬達，及一連接該第二馬達的第二旋轉座。該輸出單元包括一氣動閥、一連通該氣動閥的切割頭、一用以控制該第一馬達及該第二馬達的控制器，及一可感測該切割頭之傾斜角度的慣性量測元件。該慣性量測元件可即時感測到姿態與定位訊號並回授給該控制器，使該控制器控制該第一馬達及該第二馬達，進而使該切割頭維持目標角度或即時補償角度，以提高加工精密度。

Description

水刀切割裝置
本發明是有關於一種水刀切割裝置，特別是指一種具有慣性量測元件的水刀切割裝置。
水刀切割裝置常用於精密加工製程，根據加工方式及動作自由度又可將切割裝置分為許多類型，其中如圖1所示的2.5D五軸加工水刀切割裝置1是常見的類型，該水刀切割裝置1包含一第一旋轉座11、一樞接該第一旋轉座11的第二旋轉座12，及一設置於該第二旋轉座12上的切割頭13。該第一旋轉座11可被馬達14或其他動力源帶動，而以一沿高度方向延伸的第一軸線A為軸心地旋轉。該第二旋轉座12也可被另一馬達15或動力源帶動，而沿圖1所示的一第二軸線B為軸心地旋轉。而該第一軸線A及該第二軸線B的延伸線會相互交會且夾設出一角度，透過該第一旋轉座11及該第二旋轉座12可帶動該切割頭13與垂直線產生一傾角，以達到斜面的加工需求。
然而該切割頭13在進行切割加工的過程中，容易因馬達14、15結合機構的定位精度或磨料、水刀條件、運動條件、加工材料等因素影響，而使該切割頭13的傾角長時間或短時間地偏離預設角度，造成加工失準，尤其是當該水刀切割裝置1在高切割速度下，更是十分容易產生加工平面的真平度、或兩平面的垂直度不符公差標準等情形，大幅降低了成品的精準度。
因此，本發明之目的，即在提供一種能即時補償傾斜角度的水刀切割裝置。
於是，本發明水刀切割裝置，包含一承座單元，及一輸出單元。該承座單元包括一基座、一設置於該基座上的第一馬達、一連接該第一馬達且可被該第一馬達帶動而以一第一軸線為轉軸地旋轉的第一旋轉座、一設置於該第一旋轉座上的第二馬達，及一連接該第二馬達且可被該第二馬達帶動而以一第二軸線為轉軸地旋轉的第二旋轉座。該第一軸線及該第二軸線界定出一夾角。
該輸出單元包括一設置於該第二旋轉座上的氣動閥、一連通該氣動閥的切割頭、一用以控制該第一馬達及該第二馬達的控制器，及一可感測該切割頭之傾斜角度的慣性量測元件，該慣性量測元件感測到姿態與定位訊號並回授給該控制器，使該控制器控制該第一馬達及該第二馬達來進行角度補償即時作業。
本發明之功效在於：該慣性量測元件可即時監控該切割頭的傾斜角度，以使該切割頭維持目標角度，此外，也可同時執行不同切割動作所合適的補償角度作業，使得該慣性量測元件可根據排程的動作即時補償角度，進而使該切割頭最後能以理想的傾角對物件進行加工，以提高加工精密度。
參閱圖2及圖3，本發明水刀切割裝置之一實施例，包含一承座單元2、一設置於該承座單元2上的輸出單元3，及一連接該承座單元2及該輸出單元3的管線單元4(未顯示於圖3中)。
該承座單元2包括一用以連接其他裝置(圖未示)的基座21、一立設於該基座21上的第一馬達22、一連接該第一馬達22而可被該第一馬達22帶動旋轉的第一旋轉座23、一嵌設於該第一旋轉座23上的第一球窩軸承24、一設置於該第一旋轉座23上的第二馬達25、一連接該第二馬達25且可被該第二馬達25帶動旋轉的第二旋轉座26，及一嵌設於該第二旋轉座26上的第二球窩軸承27。在本實施例中，該第一球窩軸承24及該第二球窩軸承27皆為球面軸承，當然，視實際需求及配置也可使該第二球窩軸承27為單列深溝球軸承。
該基座21具有一供該第一馬達22部分伸置，以透過複數連接件28將該第一馬達22與該第一旋轉座23連接的第一開槽211。該第一旋轉座23具有一平行於該基座21且供該第一球窩軸承24設置並連接該第一馬達22的安裝部231、一由該安裝部231向下延伸的延伸部232，及一由該延伸部232底端傾斜地向下延伸並供該第二馬達25設置的傾斜部233。該傾斜部233具有一供該第二馬達25部分伸置，以透過複數固定件29將該第二馬達25與該第二旋轉座26連接的第二開槽234。定義一沿高度方向延伸的第一軸線C，該第一軸線C通過該第一馬達22及該第一球窩軸承24的軸心。該第一球窩軸承24具有一固設於該第一旋轉座23之安裝部231上的外環部241，及一設置於該外環部241內且界定出一第一穿線孔242的內環部243。該內環部243可相對於該外環部241同軸旋轉，也可以相對於該外環部241傾斜。
該第二旋轉座26具有一平行於該第一旋轉座23之傾斜部233且連接該第二馬達25的斜板部261，及一連接該斜板部261且平行於該第一旋轉座23之安裝部231的平板部262。定義一與該第一軸線C界定出一夾角D的第二軸線E，該第一軸線C及該第二軸線E相交於一交點F，該第二軸線E通過該第二馬達25及該第二球窩軸承27的軸心，在本實施例中，該夾角D為60度。該第二球窩軸承27界定出一朝向該傾斜部233之第二開槽234的第二穿線孔271。在本實施例中，該第一馬達22及該第二馬達25皆為諧和式伺服馬達(Harmonic Drive)。
該輸出單元3包括一設置於該第二旋轉座26之平板部262上的氣動閥31、一立設於該平板部262上且連通該氣動閥31的切割頭32、一用以控制該第一馬達22及該第二馬達25的控制器(圖未示)，及一設置於該氣動閥31上的慣性量測元件33。在本實施例中，該控制器為CNC控制器，該切割頭32最末端的刀尖點恰好位於該交點F上。該管線單元4包括一可以該第一軸線C為自身轉軸地樞設於該承座單元2之第一馬達22上且概呈I形的第一旋轉接頭41、一可以該第二軸線E為自身轉軸地透過支架等元件(圖未示)樞設於該第二馬達25上且概呈L字形的第二旋轉接頭42、一沿水平方向穿設該第一旋轉座23之延伸部232的適配器43、一連通該輸出單元3之切割頭32的高壓進水管44、一連通該輸出單元3之進氣閥的進氣管45、一連通該切割頭32的磨料管46、一電性連接該慣性量測元件33的第一電線47、一電性連接該第二馬達25的第二電線48，及一電性連接該第一馬達22、該第一電線47及該第二電線48的第三電線49。需要特別說明的是，為了圖式的簡潔，該管線單元4僅繪示於圖2中，且以較粗之實線表示該高壓進水管44、以細鏈線表示該進氣管45、以圓點虛線表示該磨料管46，並以一點鏈線表示該第一電線47、第二電線48及第三電線49。該高壓進水管44是如圖2所示地依序穿過該第一旋轉接頭41、該第一馬達22、該第一球窩軸承24之第一穿線孔242、該適配器43、該第二旋轉接頭42、該第二馬達25，及該第二球窩軸承27之第二穿線孔271，從而連接該切割頭32。該進氣管45、該磨料管46及該第一電線47是依序穿過該第一馬達22及該第一球窩軸承24之第一穿線孔242後，分別連接該氣動閥31、該切割頭32及該慣性量測元件33。該第二電線48是依序穿過該第一馬達22及該第一球窩軸承24之第一穿線孔242，並繞過該第一旋轉座23之延伸部232以連接該第二馬達25。
該第一馬達22可帶動該第一旋轉座23以該第一軸線C為轉軸地旋轉，進而帶動使該切割頭32旋轉。該第二馬達25可帶動該第二旋轉座26以該第二軸線E為轉軸地旋轉，進而使該切割頭32相對於垂直軸線傾斜而產生一傾斜角度。在加工製程中，該慣性量測元件33、該氣動閥31及該切割頭32與該第二旋轉座26同步旋轉及擺動，而本實施例中，該慣性量測元件33(Inertial measurement unit，IMU)為可偵測姿態的陀螺儀，故其能進行三軸感測以監測該切割頭32保持合適的傾斜角度，並交由該控制器對該第一馬達22及該第二馬達25進行動態控制，進而使該切割頭32能以正確的角度進行切割。此外，該慣性量測元件33還可根據應用場景或動作預先設定補償角度，使得其可對應應用場景或動作以最適合的補償角度來調整該切割頭32，譬如一般的水刀切割裝置在切割速度較快時，容易使加工切削面產生波紋狀之錐(斜)面(Taper)，造成加工平面不夠平整，或兩平面之間的垂直度不符公差規範，而本實施例可透過事先所建立的加工切削運動速度與補償角度之對照表，使該慣性量測元件33可根據切割運動速度與工件厚度等參數來調變出最佳補償角度，進而同時消除波紋及錐(斜)面(Taper)，以使成品的真平度及垂直度符合公差規範，提高加工精度。
參閱圖2、圖3及圖4，本實施例的高壓進水管44為了要能承受較強的水壓，因此多為金屬製的特殊硬管，而一般的水刀裝置若使用此種高壓進水管44，則易因加工過程時的旋轉擺動造成該高壓進水管44產生連續彎折或扭轉與表面應力，進而產生多個反曲點，這使得該高壓進水管44進水不順，也易因應力集中、壓力脈動等原因而發生疲勞破壞。本實施例的第一旋轉接頭41及該第二旋轉接頭42可分別沿該第一軸線C及該第二軸線E旋轉，避免加工過程中該高壓進水管44因自由度不足而扭轉受損。該第一球窩軸承24之內環部243可相對於該外環部241微幅擺動，使得該高壓進水管44能進行微角度偏擺，此一設計可吸收加諸於該高壓進水管44上的部分應力，進而提升該高壓進水管44的耐用度，同樣的，該第二球窩軸承27也可達到此一功效。需要特別說明的是，在該高壓進水管44旋轉時，該進氣管45、該磨料管46、該第一電線47、該第二電線48及該第三電線49等柔性管是可繞著該高壓進水管44旋轉，而在旋轉至角度極限後亦可透過反轉等反復作動來配合該控制器的指令運動。
需要特別說明的是，本實施例在該第一軸線C及該第二軸線E相交的交點F處之靜態定位精度(Accuracy of Position)範圍為0.0001∘~0.1∘間，最佳動態定位精度(Transmission Accuracy)操作在0.001∘~0.05∘間，下表一為本實施例與其他水刀切割裝置大廠的靜態定位精度比較，下表二為本實例與其他水刀切割裝置大廠的動態定位精度比較。圖5為WaterJetSweden的2.5D切割裝置對工件加工後，工件的最終加工成果。雖然該工件的加工面(如圖5中之圈示處)呈現不錯之效果，但該2.5D切割裝置仍無法進行角度補償作業，來提升加工面品質。而本實施例可透過該慣性量測元件33進行角度補償作業，進而可克服此一問題而提升加工面品質。
表一： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 廠商名稱 </td><td> 靜態定位精度 </td></tr><tr><td> 本實施例 </td><td> 0.0001∘~0.1∘ </td></tr><tr><td> WARDJET </td><td> 0.0167∘(1arcmin) </td></tr><tr><td> OMAX </td><td> 0.09∘(6arcmin) </td></tr><tr><td> Resato </td><td> 0.1∘ </td></tr></TBODY></TABLE>表二： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 廠商名稱 </td><td> 動態定位精度 </td></tr><tr><td> 本實施例 </td><td> 0.001∘~0.05∘ </td></tr><tr><td> WaterJetSweden </td><td> 0.0167∘(1arcmin) </td></tr></TBODY></TABLE>
綜上所述，該慣性量測元件33可對該切割頭32進行即時姿態與定位校正，並進行角度補償作業，進而提升加工精準度，而該第一球窩軸承24使該高壓進水管44可微角度擺動，從而可降低加工時的沖擊及吸收部分應力，提升該高壓進水管44的耐用度，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧承座單元
21‧‧‧基座
211‧‧‧第一開槽
22‧‧‧第一馬達
23‧‧‧第一旋轉座
231‧‧‧安裝部
232‧‧‧延伸部
233‧‧‧傾斜部
234‧‧‧第二開槽
24‧‧‧第一球窩軸承
241‧‧‧外環部
242‧‧‧第一穿線孔
243‧‧‧內環部
25‧‧‧第二馬達
26‧‧‧第二旋轉座
261‧‧‧斜板部
262‧‧‧平板部
27‧‧‧第二球窩軸承
271‧‧‧第二穿線孔
28‧‧‧連接件
29‧‧‧固定件
3‧‧‧輸出單元
31‧‧‧氣動閥
32‧‧‧切割頭
33‧‧‧慣性量測元件
4‧‧‧管線單元
41‧‧‧第一旋轉接頭
42‧‧‧第二旋轉接頭
43‧‧‧適配器
44‧‧‧高壓進水管
45‧‧‧進氣管
46‧‧‧磨料管
47‧‧‧第一電線
48‧‧‧第二電線
49‧‧‧第三電線
C‧‧‧第一軸線
D‧‧‧夾角
E‧‧‧第二軸線
F‧‧‧交點
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一側視圖，說明一習知的水刀切割裝置； 圖2是一部分剖視圖，說明本發明水刀切割裝置之一實施例； 圖3是一不完整的示意圖，說明本實施例未繪示一管線單元之態樣； 圖4是一不完整的立體圖，說明本實施例中之第一球窩軸承；及 圖5是一立體圖，說明習知WaterJetSweden的2.5D切割裝置所加工出的加工面特徵。
2‧‧‧承座單元
21‧‧‧基座
22‧‧‧第一馬達
23‧‧‧第一旋轉座
231‧‧‧安裝部
232‧‧‧延伸部
233‧‧‧傾斜部
24‧‧‧第一球窩軸承
241‧‧‧外環部
242‧‧‧第一穿線孔
243‧‧‧內環部
25‧‧‧第二馬達
26‧‧‧第二旋轉座
261‧‧‧斜板部
262‧‧‧平板部
27‧‧‧第二球窩軸承
271‧‧‧第二穿線孔
3‧‧‧輸出單元
31‧‧‧氣動閥
32‧‧‧切割頭
33‧‧‧慣性量測元件
4‧‧‧管線單元
41‧‧‧第一旋轉接頭
42‧‧‧第二旋轉接頭
43‧‧‧適配器
44‧‧‧高壓進水管
45‧‧‧進氣管
46‧‧‧磨料管
47‧‧‧第一電線
48‧‧‧第二電線
49‧‧‧第三電線

Claims (10)

  1. 一種水刀切割裝置，包含： 一承座單元，包括一基座、一設置於該基座上的第一馬達、一連接該第一馬達且可被該第一馬達帶動而以一第一軸線為轉軸地旋轉的第一旋轉座、一設置於該第一旋轉座上的第二馬達，及一連接該第二馬達且可被該第二馬達帶動而以一第二軸線為轉軸地旋轉的第二旋轉座，該第一軸線及該第二軸線界定出一夾角；及 一輸出單元，包括一設置於該第二旋轉座上的氣動閥、一連通該氣動閥的切割頭、一用以控制該第一馬達及該第二馬達的控制器，及一可感測該切割頭之傾斜角度的慣性量測元件，該慣性量測元件感測到姿態與定位訊號並回授給該控制器，使該控制器控制該第一馬達與該第二馬達來進行角度補償即時作業。
  2. 如請求項1所述的水刀切割裝置，其中，該承座單元還包括一設置於該第一旋轉座且界定出一第一穿線孔的第一球窩軸承，該水刀切割裝置還包含一管線單元，該管線單元包括一通過該第一穿線孔且連接該輸出單元之切割頭的高壓進水管、一通過該第一穿線孔且連通該氣動閥的進氣管，及一通過該第一穿線孔且連通該切割頭的磨料管。
  3. 如請求項2所述的水刀切割裝置，其中，該承座單元之第一球窩軸承具有一固設於該第一旋轉座上的外環部，及一設置於該外環部內且界定出該第一穿線孔的內環部，該內環部可相對於該外環部同軸旋轉及傾斜，該第一球窩軸承為球面軸承。
  4. 如請求項1所述的水刀切割裝置，在該第一軸線及該第二軸線上的最佳動態定位精度為0.001∘至0.05∘。
  5. 如請求項3所述的水刀切割裝置，其中，該承座單元之第一馬達及該第二馬達為諧和式伺服馬達。
  6. 如請求項5所述的水刀切割裝置，其中，該承座單元還包括一設置於該第二旋轉座上且界定出一第二穿線孔的第二球窩軸承，該管線單元之高壓進水管是依序穿過該第一馬達、該第一球窩軸承之第一穿線孔、該第一旋轉座、該第二馬達及該第二球窩軸承之第二穿線孔，以連接該輸出單元之切割頭，該第二球窩軸承為球面軸承。
  7. 如請求項6所述的水刀切割裝置，其中，該管線單元還包括一設置於該承座單元之第一馬達上且供該高壓進水管穿設的第一旋轉接頭，該第一旋轉接頭可以該第一軸線為自身轉軸地相對於該第一馬達旋轉。
  8. 如請求項7所述的水刀切割裝置，其中，該管線單元還包括一設置於該承座單元之第二馬達上且供該高壓進水管穿設的第二旋轉接頭，及一穿設該第一旋轉座並供該高壓進水管通過的適配器，該第二旋轉接頭概呈L字形，且可以該第二軸線為自身轉軸地相對於該第二馬達旋轉。
  9. 如請求項8所述的水刀切割裝置，其中，該管線單元之進氣管是依序穿過該第一馬達及該第一球窩軸承之第一穿線孔以連接該氣動閥，該磨料管是依序穿過該第一馬達及該第一球窩軸承之第一穿線孔以連接該切割頭。
  10. 如請求項1所述的水刀切割裝置，其中，該管線單元還包括一依序穿過該第一馬達及該第一球窩軸承之第一穿線孔以連接該慣性量測元件的第一電線、一依序穿過該第一馬達及該第一球窩軸承之第一穿線孔，並繞過該第一旋轉座以連接該第二馬達的第二電線，及一連接該第一馬達且與該第一電線及該第二電線電性連接的第三電線。
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