具有中空軸結(jié)構(gòu)的雙擺頭及激光切割機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光切割技術(shù)，尤其涉及三維多軸數(shù)控激光切割技術(shù)，更具體來說是 一種具有中空軸結(jié)構(gòu)的雙擺頭及激光切割機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光切割技術(shù)具有切割尺寸精度高、切口無毛刺、切縫不變形、切割速度快且不受 加工形狀限制等特點(diǎn)，目前已越來越多地應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域。三維激光切割更是以其先 進(jìn)、靈活、快速的特點(diǎn)，在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。使用三維激光切 割技術(shù)，不僅可以節(jié)省樣板及工裝設(shè)備，還可以大大縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
[0003] 為了保證切割質(zhì)量，三維激光切割機(jī)應(yīng)滿足以下要求：其一，是激光束始終和被切 割工件的切割曲線保持垂直；其二，是激光束焦點(diǎn)和工件表面的相對位置保持不變，即割嘴 和工件表面的距離始終保持一致；其三，是簡單快捷地反映三維曲線的特征并將其轉(zhuǎn)換為 激光切割數(shù)據(jù)。這不僅是三維激光切割設(shè)計(jì)必須解決的重要問題，也是三維激光切割技術(shù) 在實(shí)際應(yīng)用中最復(fù)雜的一步。
[0004] 三維激光切割機(jī)一般采用飛行光路設(shè)計(jì)，即加工過程中工件不動，靠激光切割頭 運(yùn)動來完成。典型的激光切割頭是三維五軸聯(lián)動的，各軸之間的關(guān)系如圖1所示：激光切割 頭除相對于工件坐標(biāo)系Χ、γ、ζ軸快速相對運(yùn)動外，還有C軸擺臂的旋轉(zhuǎn)、B軸擺頭的擺動及 激光切割頭的法向（Α軸）隨動。當(dāng)旋轉(zhuǎn)C軸或B軸時，割嘴中心點(diǎn)在工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)應(yīng) 保持不變，即：割嘴中心不動，激光切割頭圍繞割嘴中心運(yùn)動；移動割嘴中心時，激光切割 頭才可以相應(yīng)進(jìn)行運(yùn)動。由于激光切割頭涉及多種運(yùn)動，其運(yùn)動控制較為復(fù)雜，需要采用十 分復(fù)雜的算法才可以滿足要求。
[0005] 參見圖2,為一種現(xiàn)有激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。該激光切割機(jī)具有安裝于雙擺頭 上的激光切割頭，其包括C軸電機(jī)01、C軸鏡座02、配重體03、B軸電機(jī)04、B軸鏡座05、防 碰撞裝置06和切割頭07等部件：C軸電機(jī)01和B軸電機(jī)04均為DD電機(jī)（Direct Driver， 直接驅(qū)動電機(jī)），其中C軸電機(jī)01用于驅(qū)動C軸旋轉(zhuǎn)，B軸電機(jī)04用于驅(qū)動B軸擺動；配 重體03用于平衡切割頭07在B軸的偏轉(zhuǎn)力矩。通過C軸的旋轉(zhuǎn)及B軸的擺動，切割頭07 可以加工0-45度范圍的各種單邊V型和I型坡口。該激光切割頭裝置存在明顯的缺陷：例 如，旋轉(zhuǎn)C軸時，B軸會聯(lián)動，使得切割頭07的割嘴方位發(fā)生移動，重新找準(zhǔn)十分困難，由此 影響切割效率與切割質(zhì)量；再如，調(diào)整切割頭07割嘴與工件之間的距離時需要整體移動C 軸與B軸，因質(zhì)量大，導(dǎo)致切割頭07隨動響應(yīng)慢、效率低；又如，C軸電機(jī)01和B軸電機(jī)04 需要采用中空電機(jī)，其價(jià)格較高。
[0006] 目前，已有產(chǎn)品對此進(jìn)行了改進(jìn)，其采用了沒有耦合運(yùn)動的雙擺頭結(jié)構(gòu)來調(diào)整激 光切割頭的位置，使得C軸旋轉(zhuǎn)與B軸擺頭可以獨(dú)立地進(jìn)行控制。但這種無耦合運(yùn)動的雙 擺頭存在一定的問題；一方面，整個激光切割機(jī)的運(yùn)動控制及刀具路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)起來較為 困難；另一方面，要求使用中空電機(jī)、中空減速機(jī)及編碼器，否則難以實(shí)現(xiàn)中空軸結(jié)構(gòu)，由于 定制這些中空部件的價(jià)格很高，不利于降低生產(chǎn)成本。
[0007] 有鑒于此，有必要研發(fā)一種新型的具有中空軸的雙擺頭結(jié)構(gòu)，以更好地滿足三維 激光切割機(jī)總體設(shè)計(jì)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種價(jià)格低、適應(yīng)性強(qiáng)， 并且便于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制及刀具規(guī)劃的具有中空旋轉(zhuǎn)軸的雙擺頭及激光切割機(jī)。
[0009] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種具有中空旋轉(zhuǎn)軸的雙擺頭，包括可 繞第一方向旋轉(zhuǎn)的C軸擺臂和可繞第二方向旋轉(zhuǎn)的B軸擺頭，C軸擺臂的C軸輸入軸連接 至C軸驅(qū)動電機(jī)的C軸減速機(jī)，B軸擺頭的B軸輸入軸連接至B軸驅(qū)動電機(jī)的B軸減速機(jī)， B軸輸入軸通過若干級B軸傳動軸連接至B軸擺頭，各級B軸傳動軸安裝于C軸擺臂，其特 征在于，C軸輸入軸、B軸輸入軸及各級B軸傳動軸均設(shè)有軸向空腔，且B軸輸入軸套裝于C 軸輸入軸；C軸減速機(jī)安裝有C軸驅(qū)動齒輪，C軸驅(qū)動齒輪與安裝于C軸輸入軸的C軸輸入 齒輪嚙合；B軸減速機(jī)同軸安裝有B軸驅(qū)動齒輪和B軸解耦齒輪，B軸驅(qū)動齒輪與安裝于B 軸輸入軸的B軸輸入齒輪嚙合，B軸解耦齒輪與C軸輸入齒輪嚙合；并且，B軸解耦齒輪和B 軸驅(qū)動齒輪成差動式安裝，以便將B軸解耦齒輪傳遞的C軸輸入齒輪的轉(zhuǎn)速與B軸驅(qū)動齒 輪傳遞的B軸輸入齒輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行抵消。
[0010] 優(yōu)選地，B軸減速機(jī)為差動諧波減速機(jī)，差動諧波減速機(jī)的波發(fā)生器連接B軸驅(qū)動 電機(jī)，差動諧波減速機(jī)的柔輪固定，差動諧波減速機(jī)的第一剛輪固連有B軸驅(qū)動齒輪，差動 諧波減速機(jī)的第二剛輪固連有B軸解耦齒輪。
[0011] 優(yōu)選地，C軸減速機(jī)為諧波減速機(jī)，諧波減速機(jī)的波發(fā)生器連接C軸驅(qū)動電機(jī)，諧 波減速機(jī)的柔輪固定，諧波減速機(jī)的剛輪固連有C軸驅(qū)動齒輪。
[0012] 優(yōu)選地，B軸輸入軸與首級B軸傳動軸之間、相鄰的各級B軸傳動軸之間通過螺旋 錐齒輪副嚙合。
[0013] 優(yōu)選地，C軸擺臂具有中空腔體，各級B軸傳動軸安裝于C軸擺臂的中空腔體內(nèi)。
[0014] 優(yōu)選地，雙擺頭包括齒輪箱，C軸輸入軸和B軸輸入軸支撐于齒輪箱的箱體，C軸減 速機(jī)及安裝于C軸減速機(jī)的C軸驅(qū)動齒輪、B軸減速機(jī)及安裝于B軸減速機(jī)的B軸驅(qū)動齒 輪和B軸解耦齒輪、C軸輸入齒輪及B軸輸入齒輪均安裝于齒輪箱的箱體內(nèi)，C軸驅(qū)動電機(jī) 通過C軸驅(qū)動電機(jī)支撐座、B軸驅(qū)動電機(jī)通過B軸驅(qū)動電機(jī)支撐座安裝于齒輪箱的頂蓋。
[0015] 在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種激光切割機(jī)，其具有上述的雙擺頭，其中： B軸擺頭設(shè)置有激光切割頭；B軸輸入軸連通激光傳導(dǎo)管；B軸輸入軸與首級B軸傳動軸之 間、相鄰的各級B軸傳動軸之間、末級B軸傳動軸與B軸擺頭之間的交會位置分別設(shè)置有激 光反射鏡，以便激光束可以傳輸至激光切割頭的割嘴。
[0016] 優(yōu)選地，激光切割機(jī)包括切割頭隨動調(diào)高裝置，通過檢測激光切割頭的割嘴與工 件之間的距離，并生成相應(yīng)控制指令來驅(qū)動激光切割頭移動。
[0017] 優(yōu)選地，切割頭隨動調(diào)高裝置包括電容傳感器，電容傳感器設(shè)置于激光切割頭的 割嘴底端，以便來檢測并輸出激光切割頭的割嘴與工件之間的距離信號。
[0018] 優(yōu)選地，切割頭隨動調(diào)高裝置包括音圈電機(jī)，激光切割頭固連于音圈電機(jī)，音圈電 機(jī)通過導(dǎo)軌滑塊安裝于B軸擺頭的安裝殼體導(dǎo)軌，以便驅(qū)動激光切割頭沿安裝殼體導(dǎo)軌運(yùn) 動。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例中雙擺頭中的B軸輸入軸和各級B軸傳動軸為中 空結(jié)構(gòu)，且C軸輸入軸與B軸輸入軸同軸安裝，這便于規(guī)劃刀具路徑。當(dāng)C軸擺臂轉(zhuǎn)動時， B軸擺頭上的激光頭割嘴中心位置保持不變，這便于控制激光切割頭的運(yùn)動，有利于保證切 割的質(zhì)量。
[0020] 本發(fā)明實(shí)施例采用普通電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)上述中空軸結(jié)構(gòu)：設(shè)置有B軸解耦齒輪， 其與B軸驅(qū)動齒輪之間成差動式安裝，當(dāng)C軸轉(zhuǎn)動時，B軸輸入齒輪傳遞至B軸驅(qū)動齒輪的 轉(zhuǎn)速與C軸輸入齒輪傳遞至B軸解耦齒輪的轉(zhuǎn)速抵消，由此對C軸轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的B軸跟隨運(yùn) 動進(jìn)行解耦，使得B軸驅(qū)動電機(jī)不受兩軸之間耦合運(yùn)動的影響。這樣，本發(fā)明實(shí)施例僅僅通 過一個差動式安裝的解耦齒輪就可以對C軸和B軸之間的耦合運(yùn)動進(jìn)行解耦，相比于通過 電氣控制方式進(jìn)行解耦的方案而言，其構(gòu)思更為巧妙，結(jié)構(gòu)更為緊湊。
[0021] 基于本發(fā)明實(shí)施例的上述差動解耦方式，容易得到具有中空軸結(jié)構(gòu)的雙擺頭。將 這種具有中空軸結(jié)構(gòu)的雙擺頭應(yīng)用于激光切割機(jī)時，至少可以取得以下方面的有益技術(shù)效 果：
[0022] 1、易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制和刀具路徑規(guī)劃。激光切割機(jī)采用點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，通過兩個 旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動可以靈活地調(diào)節(jié)刀具空間的法向矢量，而不會影響切割點(diǎn)的三維坐標(biāo)，一方 面易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，另一方面也更易于規(guī)劃刀具路徑。
[0023] 2、適應(yīng)性強(qiáng)。雙擺頭上的激光切割頭運(yùn)動方式比較靈活，可以快捷、精準(zhǔn)地到達(dá)預(yù) 定位置，之后可以按照設(shè)定的方位、角度、距離來對工件表面進(jìn)行切割，適應(yīng)于多種工件形 式的加工。
[0024] 3、易于實(shí)現(xiàn)中空旋轉(zhuǎn)軸多通道集成的結(jié)構(gòu)。激光切割頭所需要的電纜、氣流、光等 均可以從中空結(jié)構(gòu)通過，有助于優(yōu)化部件布局，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為緊湊。
[0025] 4、價(jià)格低。采用普通電機(jī)即可驅(qū)動雙擺頭的兩個旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動，并較好地消除了兩 個旋轉(zhuǎn)軸之間的耦合效應(yīng)，因不需要采用特殊定制的電機(jī)、減速機(jī)及編碼器等部件，器件價(jià) 格相抵較低，這有利于降低成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1為三維五軸激光切割機(jī)的坐標(biāo)軸示意圖；
[0027] 圖2為一種現(xiàn)有激光切割機(jī)的不意圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中示出具有中空軸結(jié)構(gòu)的雙擺 頭及激光切割頭跟隨調(diào)高裝置；
[0029] 圖4為圖3所示雙擺頭的三維圖；
[0030] 圖5為圖3所示雙擺頭拆去C軸擺臂封板后的示意圖；