專利名稱：混聯(lián)五軸激光切割機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光切割機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種并聯(lián)、混聯(lián)型五軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)的激光切割機(jī)。
背景技術(shù)：
激光切割工藝由于其速度快、切縫窄、熱影響區(qū)小、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑、 切割材料范圍廣等諸多優(yōu)點，在很多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。隨著激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，三維空間曲線的激光切割以其先進(jìn)、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，在國外的汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)等諸多領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用。使用三維激光切割，不僅可以節(jié)省樣板及工裝設(shè)備，還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。目前大多數(shù)三維激光切割機(jī)，主機(jī)傳動機(jī)構(gòu)均為串聯(lián)方式。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的切割頭運動軌跡控制都是建立在笛卡爾坐標(biāo)系中，動作控制過程的數(shù)學(xué)運算簡單，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，設(shè)備動態(tài)響應(yīng)速度差，零部件壽命低，無論光束以何種方式傳輸，都需要價格昂貴的三維激光切割頭。
實用新型內(nèi)容本實用新型針對以上問題，提供了一種結(jié)構(gòu)更加靈巧、剛性更大、慣性更小、精度更高的混聯(lián)五軸激光切割機(jī)。本實用新型的技術(shù)方案是所述激光切割機(jī)包括機(jī)體1、設(shè)在機(jī)體1上的X向?qū)к?la、與X向?qū)к塈a活動連接的橫梁2、激光切割頭9和控制器，在所述橫梁2的側(cè)面設(shè)有Y 向?qū)к壖?，所述激光切割頭9通過混聯(lián)裝置與所述橫梁2側(cè)面的Y向?qū)к壖踊顒舆B接；所述混聯(lián)裝置包括Y托板3機(jī)構(gòu)、Z托板4機(jī)構(gòu)、驅(qū)動架7、環(huán)形支撐架8、一對驅(qū)動塊5機(jī)構(gòu)和一對連桿6 ；所述Y托板3機(jī)構(gòu)包括Y托板3和Y托板驅(qū)動電機(jī)；所述Y托板3的背面設(shè)一副 Y向?qū)к壊郾?、正面設(shè)一副Z向?qū)к?a ；所述Y托板3通過所述一副Y向?qū)к壊郾迸c所述 Y向?qū)к壖踊顒舆B接；所述Y托板驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述Y托板3上、驅(qū)動所述Y托板3相對于所述橫梁2作Y向直線往復(fù)運動；所述Z托板4機(jī)構(gòu)包括Z托板4和Z托板驅(qū)動電機(jī)；所述Z托板4的背面設(shè)一副 Z向?qū)к壊?b、正面設(shè)Y向副導(dǎo)軌如和支架如；所述Z托板4通過所述一副Z向?qū)к壊?b 與所述一副Z向?qū)к?a活動連接；所述Z托板驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述Z托板4上、驅(qū)動所述Z 托板4相對于所述Y托板3作Z向直線往復(fù)運動；所述一對驅(qū)動塊5機(jī)構(gòu)包括一對驅(qū)動塊5和驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)；所述驅(qū)動塊5設(shè)有 Y向副導(dǎo)軌槽；所述驅(qū)動塊5通過所述Y向副導(dǎo)軌槽與所述Y向副導(dǎo)軌如活動連接；所述驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述驅(qū)動塊5上、驅(qū)動所述驅(qū)動塊5相對于所述Z托板4做Y向往復(fù)直線運動；所述環(huán)形支撐架8的Y方向的兩側(cè)端分別設(shè)有鉸銷一 8a、X方向的兩側(cè)端分別設(shè)有銷孔8b，所述環(huán)形支撐架8通過所述鉸銷一 8a與所述支架如活動連接；
4[0012]所述驅(qū)動架7整體呈L狀，底部設(shè)用于安裝激光切割頭的環(huán)形連接座，所述環(huán)形連接座X方向的兩側(cè)端分別設(shè)有鉸銷二 7b ；所述鉸銷二 7b與所述銷孔8b活動連接；所述一對連桿6的一端通過萬向鉸結(jié)構(gòu)與所述驅(qū)動塊5活動連接，另一端通過萬向鉸機(jī)構(gòu)連接在所述驅(qū)動架7頂部Y方向的側(cè)面；所述Y托板驅(qū)動電機(jī)、Z托板驅(qū)動電機(jī)和一對驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)分別連接控制器。所述萬向鉸機(jī)構(gòu)為球頭鉸接頭或虎克鉸接頭。所述橫梁2沿X向?qū)к塈a的X向運動為所述激光切割頭的X軸向基本運動；所述Y軸托板3沿Y向?qū)к壖拥腨向運動為所述激光切割頭的Y軸向基本運動；所述Z軸托板4沿Z向?qū)к?a的Z向運動為所述激光切割頭的Z軸向基本運動；所述X、Y、Z三個軸向基本運動構(gòu)成所述激光切割頭的串聯(lián)運動形式；所述環(huán)形支撐架8圍繞所述支架如上鉸銷一 8a軸心的旋轉(zhuǎn)運動為所述激光切割頭的C軸向運動；所述驅(qū)動架7圍繞所述環(huán)形支撐架8上鉸銷二 7b軸心的旋轉(zhuǎn)運動為所述激光切割頭的A軸向運動；所述激光切割頭9的A、C軸向運動是由所述一對驅(qū)動塊5通過各自連桿驅(qū)動驅(qū)動架7實現(xiàn)的；所述A、C軸向運動構(gòu)成所述激光切割頭的并聯(lián)運動形式；使得所述激光切割頭9在所述X、Y、Z軸向的串聯(lián)運動形式與A、C軸向的并聯(lián)運動形式共同構(gòu)成的運動環(huán)境中實現(xiàn)混聯(lián)五軸運動。本實用新型通過混聯(lián)裝置實現(xiàn)常規(guī)激光切割頭的五軸運動(其中的X、Y、Z軸驅(qū)動采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)方式，而A、C軸采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動)。其中橫梁相對于機(jī)身的運動實現(xiàn)基本X向運動；Y托板實現(xiàn)基本Y向運動；Z托板實現(xiàn)基本Z向運動；一對驅(qū)動塊各自運動能夠通過其各自的連桿驅(qū)動驅(qū)動架(繞A、C軸)做士90°范圍內(nèi)的全方向的轉(zhuǎn)動(以實現(xiàn)下半個球面空間的切割)；進(jìn)而實現(xiàn)五軸運動。本實用新型的構(gòu)思精巧，各零部件結(jié)構(gòu)靈巧， 剛性大，慣性小，使得運動精度能得到保障。本實用新型是機(jī)床技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)床相比，結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)學(xué)運算復(fù)雜精準(zhǔn)。它具有剛度大、 響應(yīng)快、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)附加值高等突出優(yōu)點。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實用新型激光頭部分的放大剖視圖，圖3是本實用新型中混聯(lián)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本實用新型使用狀態(tài)參考圖一，圖5是本實用新型使用狀態(tài)參考圖二，圖6是本實用新型使用狀態(tài)參考圖三，圖7是本實用新型A軸逆運動仿真示意圖，圖8是本實用新型C軸逆運動仿真示意圖；圖1中標(biāo)示了 X、Y、Z三直線運動方向示意，圖3中標(biāo)示了 A、C兩旋轉(zhuǎn)方向運動方向示意；圖中1是機(jī)身，Ia是X向?qū)к墸?是橫梁，加是Y向?qū)к墸?是Y托板，3a是Z向?qū)к墸?b是Y向?qū)к壊郏?是Z托板，如是Y向副導(dǎo)軌，4b是Z向?qū)к壊郏?c是支架，5是驅(qū)動塊，5a是球窩一，6是連桿，7是驅(qū)動架，7a是球窩二，7b是鉸銷二，8是環(huán)形支撐架，8a是鉸銷一，8b是銷孔，9是激光切割頭，10是工件，IOa是孔一，IOb是孔二，IOc是孔三。
具體實施方式
本實用新型如圖1-3所示，所述激光切割機(jī)包括機(jī)體1、設(shè)在機(jī)體1上的X向?qū)к?la、與X向?qū)к塈a活動連接的橫梁2、激光切割頭9和控制器，在所述橫梁2的側(cè)面設(shè)有Y 向?qū)к壖?，所述激光切割頭9通過混聯(lián)裝置與所述橫梁2側(cè)面的Y向?qū)к壖踊顒舆B接；所述混聯(lián)裝置包括Y托板3機(jī)構(gòu)、Z托板4機(jī)構(gòu)、驅(qū)動架7、環(huán)形支撐架8、一對驅(qū)動塊5機(jī)構(gòu)和一對連桿6 (—對連桿等長)；所述Y托板3機(jī)構(gòu)包括Y托板3和Y托板驅(qū)動電機(jī)；所述Y托板3的背面設(shè)一副 Y向?qū)к壊郾?、正面設(shè)一副Z向?qū)к?a ；所述Y托板3通過所述一副Y向?qū)к壊郾迸c所述 Y向?qū)к壖踊顒舆B接；所述Y托板驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述Y托板3上、驅(qū)動所述Y托板3相對于所述橫梁2作Y向直線往復(fù)運動；所述Z托板4機(jī)構(gòu)包括Z托板4和Z托板驅(qū)動電機(jī)；所述Z托板4的背面設(shè)一副 Z向?qū)к壊?b、正面設(shè)Y向副導(dǎo)軌如和支架如；所述Z托板4通過所述一副Z向?qū)к壊?b 與所述一副Z向?qū)к?a活動連接；所述Z托板驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述Z托板4上、驅(qū)動所述Z 托板4相對于所述Y托板3作Z向直線往復(fù)運動；所述一對驅(qū)動塊5機(jī)構(gòu)包括一對驅(qū)動塊5和驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)；所述驅(qū)動塊5設(shè)有 Y向副導(dǎo)軌槽；所述驅(qū)動塊5通過所述Y向副導(dǎo)軌槽與所述Y向副導(dǎo)軌如活動連接；所述驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述驅(qū)動塊5上、驅(qū)動所述驅(qū)動塊5相對于所述Z托板4做Y向往復(fù)直線運動；所述環(huán)形支撐架8的Y方向的兩側(cè)端分別設(shè)有鉸銷一 8a、X方向的兩側(cè)端分別設(shè)有銷孔8b，所述環(huán)形支撐架8通過所述鉸銷一 8a與所述支架如活動連接；所述驅(qū)動架7整體呈L狀，底部設(shè)用于安裝激光切割頭的環(huán)形連接座，所述環(huán)形連接座X方向的兩側(cè)端分別設(shè)有鉸銷二 7b ；所述鉸銷二 7b與所述銷孔8b活動連接；所述一對連桿6的一端通過萬向鉸結(jié)構(gòu)與所述驅(qū)動塊5活動連接，另一端通過萬向鉸結(jié)構(gòu)連接在所述驅(qū)動架7頂部Y方向的側(cè)面；所述Y托板驅(qū)動電機(jī)、Z托板驅(qū)動電機(jī)和一對驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)分別連接控制器。所述萬向鉸結(jié)構(gòu)為球頭鉸接頭或虎克鉸接頭。所述橫梁2沿X向?qū)к塈a的X向運動為所述激光切割頭的X軸向基本運動；所述Y軸托板3沿Y向?qū)к壖拥腨向運動為所述激光切割頭的Y軸向基本運動；所述Z軸托板4沿Z向?qū)к?a的Z向運動為所述激光切割頭的Z軸向基本運動；所述X、Y、Z三個軸向基本運動構(gòu)成所述激光切割頭的串聯(lián)運動形式；所述環(huán)形支撐架8圍繞所述支架如上鉸銷一 8a軸心的旋轉(zhuǎn)運動為所述激光切割頭的C軸向運動；所述驅(qū)動架7圍繞所述環(huán)形支撐架8上鉸銷二 7b軸心的旋轉(zhuǎn)運動為所述激光切割頭的A軸向運動；所述激光切割頭9的A、C軸向運動是由所述一對驅(qū)動塊5通過各自連桿驅(qū)動驅(qū)動架7實現(xiàn)的；所述A、C軸向運動構(gòu)成所述激光切割頭的并聯(lián)運動形式；使得所述激光切割頭9在所述X、Y、Z軸向的串聯(lián)運動形式與A、C軸向的并聯(lián)運動形式共同構(gòu)成的運動環(huán)境中實現(xiàn)混聯(lián)五軸運動。如圖4-6所示，以加工工件10為例，該工件具有多個處于兩個相交面的孔以及處于平面的孔(需要對空間曲線進(jìn)行切割)。其中孔一 IOa位于工件前端、處于兩個相交面上； 孔二 IOb位于工件中部，處于頂(平)面上；孔三IOc位于工件后端、處于兩個相交面上。進(jìn)行三維切割原理，1.通過五軸聯(lián)動來實現(xiàn)切割頭與切割曲面的的法向平行；2.通過閉環(huán)的隨動控制方法，來使得切割頭上割嘴與切割曲面間的距離保持恒定，稱之為隨動技術(shù)。隨動的運動也是通過五軸聯(lián)動來實現(xiàn)的。圖4是加工孔一 IOa時的狀態(tài)；五軸聯(lián)動的混聯(lián)裝置驅(qū)動驅(qū)動架7上激光切割頭實現(xiàn)對孔一的加工。圖5是加工孔二 IOb時的狀態(tài)；與二維切割相同，僅需要X、Y軸聯(lián)動，Z軸隨動控制。圖6是加工孔三IOC的狀態(tài)；基本同加工孔一 IOa的模式。圖7、8為本實用新型的逆運動仿真曲線圖X、Y、Z軸無需仿真，因為其傳動方式與傳統(tǒng)機(jī)床無任何區(qū)別。圖7為A軸勻速270° /s的速度轉(zhuǎn)動時的兩個直線驅(qū)動裝置的速度時間變化曲線；圖8為c軸勻速270° /s的速度轉(zhuǎn)動時的兩個直線驅(qū)動裝置的速度時間變化曲線；圖中Vyl和Vy2分別標(biāo)示圖1中兩個直線驅(qū)動塊5的運動速度。
權(quán)利要求1.混聯(lián)五軸激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)包括機(jī)體(1)、設(shè)在機(jī)體(1)上的X向?qū)к?(la)、與X向?qū)к?Ia)活動連接的橫梁(2)、激光切割頭(9)和控制器，在所述橫梁(2)的側(cè)面設(shè)有Y向?qū)к?2a)，其特征在于，所述激光切割頭(9)通過混聯(lián)裝置與所述橫梁(2)側(cè)面的Y向?qū)к?2a)活動連接；所述混聯(lián)裝置包括Y托板(3)機(jī)構(gòu)、Z托板(4)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動架(7)、環(huán)形支撐架(8)、一對驅(qū)動塊(5)機(jī)構(gòu)和一對連桿(6)；所述Y托板(3)機(jī)構(gòu)包括Y托板(3)和Y托板驅(qū)動電機(jī)；所述Y托板(3)的背面設(shè)一副Y向?qū)к壊?3b)、正面設(shè)一副Z向?qū)к?3a)；所述Y托板(3)通過所述一副Y向?qū)к壊?(3b)與所述Y向?qū)к?2a)活動連接；所述Y托板驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述Y托板(3)上、驅(qū)動所述Y托板(3)相對于所述橫梁(2)作Y向直線往復(fù)運動；所述Z托板(4)機(jī)構(gòu)包括Z托板(4)和Z托板驅(qū)動電機(jī)；所述Z托板(4)的背面設(shè)一副 Z向?qū)к壊?4b)、正面設(shè)Y向副導(dǎo)軌(4a)和支架(4c)；所述Z托板(4)通過所述一副Z向?qū)к壊?4b)與所述一副Z向?qū)к?3a)活動連接；所述Z托板驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述Z托板(4) 上、驅(qū)動所述Z托板(4)相對于所述Y托板(3)作Z向直線往復(fù)運動；所述一對驅(qū)動塊(5 )機(jī)構(gòu)包括一對驅(qū)動塊(5 )和驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)；所述驅(qū)動塊(5 )設(shè)有 Y向副導(dǎo)軌槽；所述驅(qū)動塊(5)通過所述Y向副導(dǎo)軌槽與所述Y向副導(dǎo)軌(4a)活動連接；所述驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)設(shè)在所述驅(qū)動塊(5 )上、驅(qū)動所述驅(qū)動塊(5 )相對于所述Z托板(4 )做Y 向往復(fù)直線運動；所述環(huán)形支撐架(8)的Y方向的兩側(cè)端分別設(shè)有鉸銷一(8a)、X方向的兩側(cè)端分別設(shè)有銷孔(8b )，所述環(huán)形支撐架(8 )通過所述鉸銷一(8a)與所述支架(4c )活動連接；所述驅(qū)動架(7)整體呈L狀，底部設(shè)用于安裝激光切割頭的環(huán)形連接座，所述環(huán)形連接座X方向的兩側(cè)端分別設(shè)有鉸銷二(7b)；所述鉸銷二(7b)與所述銷孔(8b)活動連接；所述一對連桿(6)的一端通過萬向鉸結(jié)構(gòu)與所述驅(qū)動塊(5)活動連接，另一端通過萬向鉸機(jī)構(gòu)連接在所述驅(qū)動架(7)頂部Y方向的側(cè)面；所述Y托板驅(qū)動電機(jī)、Z托板驅(qū)動電機(jī)和一對驅(qū)動塊驅(qū)動電機(jī)分別連接控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混聯(lián)五軸激光切割機(jī)，其特征在于，所述萬向鉸機(jī)構(gòu)為球頭鉸接頭或虎克鉸接頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的混聯(lián)五軸激光切割機(jī)，其特征在于，所述橫梁(2)沿X向?qū)к?Ia)的X向運動為所述激光切割頭的X軸向基本運動； 所述Y軸托板(3)沿Y向?qū)к?2a)的Y向運動為所述激光切割頭的Y軸向基本運動； 所述Z軸托板(4)沿Z向?qū)к?3a)的Z向運動為所述激光切割頭的Z軸向基本運動； 所述X、Y、Z三個軸向基本運動構(gòu)成所述激光切割頭的串聯(lián)運動形式； 所述環(huán)形支撐架(8)圍繞所述支架(4c)上鉸銷一(8a)軸心的旋轉(zhuǎn)運動為所述激光切割頭的C軸向運動；所述驅(qū)動架(7)圍繞所述環(huán)形支撐架(8)上鉸銷二(7b)軸心的旋轉(zhuǎn)運動為所述激光切割頭的A軸向運動；所述激光切割頭(9)的A、C軸向運動是由所述一對驅(qū)動塊(5)通過各自連桿驅(qū)動驅(qū)動架(7)實現(xiàn)的；所述A、C軸向運動構(gòu)成所述激光切割頭的并聯(lián)運動形式；使得所述激光切割頭(9)在所述X、Y、Z軸向的串聯(lián)運動形式與A、C軸向的并聯(lián)運動形式共同構(gòu)成的運動環(huán)境中實現(xiàn)混聯(lián)五軸運動。
專利摘要混聯(lián)五軸激光切割機(jī)。涉及并聯(lián)、混聯(lián)型五軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)激光切割機(jī)。結(jié)構(gòu)更加靈巧、剛性更大、慣性更小、精度更高。包括機(jī)體、X向?qū)к?、橫梁、激光切割頭和控制器，在橫梁的側(cè)面設(shè)有Y向?qū)к?，激光切割頭通過混聯(lián)裝置與所述橫梁側(cè)面的Y向?qū)к壔顒舆B接；混聯(lián)裝置包括Y托板機(jī)構(gòu)、Z托板機(jī)構(gòu)、驅(qū)動架、環(huán)形支撐架、一對驅(qū)動塊機(jī)構(gòu)和一對連桿。本實用新型通過混聯(lián)裝置實現(xiàn)常規(guī)激光切割頭的五軸運動。構(gòu)思精巧，各零部件結(jié)構(gòu)靈巧，剛性大，慣性小，使得運動精度能得到保障。是機(jī)床技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)床相比，結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)學(xué)運算復(fù)雜精準(zhǔn)。具有剛度大、響應(yīng)快、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)附加值高等突出優(yōu)點。
文檔編號B23K26/42GK202169443SQ20112029645
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者周鵬飛, 翟東升, 胡金龍 申請人:江蘇揚力數(shù)控機(jī)床有限公司