專利名稱：少自由度并聯(lián)五軸數(shù)控激光切割機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及激光切割機的驅動機構，尤其涉及一種具有少自由度并聯(lián)五軸驅動機構的激光切割機。
背景技術：
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，在很多領域應用越來越廣。隨著激光應用技術的發(fā)展，三維空間曲線的激光切割以其先進、靈活、適應性強等特點，在國外的汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)等諸多領域都取得了廣泛的應用。使用三維激光切割，不僅可以節(jié)省樣板及工裝設備，還大大縮短了生產(chǎn)準備周期。目前大多數(shù)三維激光切割機，主機傳動機構均為串聯(lián)方式。串聯(lián)機構的切割頭運動軌跡控制都是建立在笛卡爾坐標系中，動作控制過程的數(shù)學運算簡單，但是機械結構復雜、笨重，設備動態(tài)響應速度差，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，提供了一種結構更加靈巧、剛性更大、慣性更小、精度更高的少自由度并聯(lián)五軸數(shù)控激光切割機。本實用新型的技術方案是所述激光切割機包括機體1、設在機體1上的X向導軌 la、與X向導軌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的側面設有Y 向導軌2a，所述激光切割頭9通過少自由度并聯(lián)機構與所述橫梁2側面的Y向導軌加活動連接；所述少自由度并聯(lián)機構包括與所述Y向導軌加活動連接的Y軸溜板3裝置、Z軸溜板4裝置、十字架5、激光頭安裝支座8、四只等長的連桿7和四只直線驅動裝置6 ；所述Y軸溜板3裝置中Y軸溜板3的背面設有與所述Y向導軌加適配的導軌槽， 并可以沿Y向導軌做直線往復運動、正面設有一對Z向導軌；所述Z軸溜板4裝置中的Z軸溜板4的背面設有一對與所述一對Z向導軌適配的 Z向導軌槽、正面設有與X軸平行的樞接套如；所述Z軸溜板4通過Z向導軌槽與所述Y軸溜板3上的Z向導軌活動連接，并可以沿Z向導軌作直線往復運動；所述十字架5呈叉形，其根部設有用于活動連接所述樞接套如的樞接軸fe，兩叉叉尖部位設有一對同軸的轉孔；所述激光頭安裝支座8包括板體和四只球窩，所述板體的一端設有用于活動連接所述轉孔的轉銷8b、板體的另一端設有用于固定連接所述激光切割頭的耳板8a ；所述四只球窩中兩只處于板體上部，另兩只處于板體下部，且四只球窩的開口朝向所述轉銷8b的方向；所述四只直線驅動裝置6平均布設在所述Y軸溜板3的兩側，分別與所述Y向導軌加活動連接；所述直線驅動裝置包括直線驅動塊和直線驅動塊電機，所述直線驅動塊朝向所述Y軸溜板3的側面設有球窩；所述直線驅動塊電機設在直線驅動塊上，并驅動其在Y 向導軌加上作直線往復運動；所述連桿7的兩端分別設有球頭，連桿7兩端的球頭分別與所述直線驅動塊6上的球窩和所述激光頭安裝支座8上的球窩相連；所述四個直線驅動塊電機分別連接控制器。所述激光頭安裝支座8上的四只球窩的中心高度具有落差；所述的四個連桿7的長度相等。所述橫梁2沿X向導軌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軸溜板3相對于所述橫梁2的Y向運動為所述激光切割頭的Y軸向運動；所述Z軸溜板4相對于所述Y軸溜板3的Z向運動為所述激光切割頭的Z軸向運動；所述十字架5圍繞所述Y軸溜板3上樞接軸fe的旋轉運動為A軸向運動；所述激光頭安裝支座8圍繞所述十字架5上轉孔的旋轉運動為C軸向運動；所述激光切割頭9的Y、Z、A、C軸向運動是由所述四個驅動塊5通過各自連桿驅動激光頭安裝支座8實現(xiàn)的；所述Y、Z、A、C軸向運動構成所述激光切割頭的并聯(lián)運動；使得所述激光切割頭9在所述X軸向基本運動與Y、Z、A、C軸向的并聯(lián)運動共同構成的運動環(huán)境中實現(xiàn)少自由度并聯(lián)五軸運動。本實用新型通過少自由度并聯(lián)裝置實現(xiàn)常規(guī)激光切割頭的五軸運動。其中橫梁相對于機身的運動實現(xiàn)基本X向運動；四只驅動塊各自運動能夠通過其各自的連桿驅動激光頭安裝支座做平動和旋轉運動，四個驅動塊間的相互運動，實現(xiàn)Y、Z、A、C軸的聯(lián)合運動； 進而實現(xiàn)五軸運動(少自由度并聯(lián)五軸運動)。此外，實用新型人發(fā)現(xiàn)在激光頭安裝支座上四只球窩中心高度相同的情況下，在某些特定的位置機構可能會空間完全對稱，一但機構在空間上對稱就會使運動不確定。比如在兩個轉動副的轉角均為“0”的情況下對其進行驅動，轉動副有“順時針”也有“逆時針”轉動的可能。而采用四根連桿長度完全相同且激光頭安裝支座上四只球窩中心高度不同的方法(即將四只球窩的中心高度形成落差)則可有效地避免在切割頭任意位置和姿態(tài)時的機構空間對稱，進而徹底解決這個問題。本實用新型的構思精巧，各零部件結構靈巧，剛性大，慣性小，使得運動精度能得到保障。本實用新型是機床技術、機器人技術以及數(shù)控技術相結合的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機床相比，結構簡單， 數(shù)學運算復雜精準。它具有剛度大、響應快、精度高、適應性強、技術附加值高等突出優(yōu)點。

圖1是本實用新型的結構示意圖，圖2是本實用新型中少自由度并聯(lián)機構的立體圖一，圖3是本實用新型中少自由度并聯(lián)機構的立體圖二，圖4是本實用新型中激光頭安裝支座的立體圖，圖5是本實用新型中激光頭安裝支座的主視圖，圖6是圖5的左視圖，圖7是本實用新型使用狀態(tài)參考圖一，圖8是本實用新型使用狀態(tài)參考圖二，[0033]圖9是本實用新型使用狀態(tài)參考圖三，圖10是本實用新型Z軸逆運動仿真示意圖，圖11是本實用新型A軸逆運動仿真示意圖，圖12是本實用新型C軸逆運動仿真示意圖；圖1中標示了 X、Y、Z三直線運動方向示意，圖3中標示了 A、C兩旋轉方向運動方向示意；圖中1是機身，Ia是X向導軌，2是橫梁，加是Y向導軌，3是Y軸溜板，4是Z軸溜板，4a是樞接套，5是十字架，5a是樞接軸，6是直線驅動裝置，6a是直線驅動塊一，6b是直線驅動塊二，6c直線驅動塊三，6d直線驅動塊四，7是連桿，7a是連桿一，7b是連桿二，7c 是連桿三，7d是連桿四，8是激光頭安裝支座，8a是耳板，8b是轉銷，8c是連接孔，81是球窩一，82是球窩二，83是球窩三，84是球窩四，9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
首先對圖1、圖3中所示坐標系定義如下X軸——橫梁2沿機身1上的X向導軌的運動方向；Y軸——Y軸溜板3沿橫梁2上的Y向導軌的運動方向；Z軸——Z軸溜板4沿Y軸溜板3上的Z向導軌的運動方向；A軸——十字架5通過轉動副與Z軸溜板4連接，并可在士90°的范圍內(nèi)進行旋轉運動；C軸——激光頭安裝支座8通過轉動副與十字架5連接，并可在士90°的范圍內(nèi)進行旋轉運動；其中X軸運動控制與普通的龍門式二維激光切割機相同，而Y、Z、A、C四軸的運動是通過并聯(lián)機構來實現(xiàn)的?；顒舆B接于橫梁2上且只能夠沿Y向運動的四個可控的直線驅動裝置6，并分別通過兩端均為萬向鉸接的連桿一 6a、連桿二 6b、連桿三6c、連桿四6d與激光頭安裝支座8相連接，通過四個直線驅動裝置間的同向、反向驅動來完成對激光頭安裝支座8的位置與姿態(tài)的控制，進而實現(xiàn)切割頭對空間曲線的切割。本實用新型如圖1-6所示，所述激光切割機包括機體1、設在機體1上的X向導軌la、與X向導軌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的側面設有 Y向導軌2a，所述激光切割頭9通過少自由度并聯(lián)機構與所述橫梁2側面的Y向導軌加活動連接；所述少自由度并聯(lián)機構包括與所述Y向導軌加活動連接的Y軸溜板3裝置、Z軸溜板4裝置、十字架5、激光頭安裝支座8、四只等長的連桿7和四只直線驅動裝置6 ；所述Y軸溜板3裝置中Y軸溜板3的背面設有與所述Y向導軌加適配的導軌槽， 并可以沿Y向導軌做直線往復運動、正面設有一對Z向導軌；所述Z軸溜板4裝置中的Z軸溜板4的背面設有一對與所述一對Z向導軌適配的 Z向導軌槽、正面設有與X軸平行的樞接套如；所述Z軸溜板4通過Z向導軌槽與所述Y軸溜板3上的Z向導軌活動連接，并可以沿Z向導軌作直線往復運動；所述十字架5呈叉形，其根部設有用于活動連接所述樞接套如的樞接軸fe，兩叉叉尖部位設有一對同軸的轉孔；所述激光頭安裝支座8包括板體和四只球窩，所述板體的一端設有用于活動連接所述轉孔的轉銷8b、板體的另一端設有用于固定連接所述激光切割頭的耳板8a ；所述四只球窩中兩只處于板體上部，另兩只處于板體下部，且四只球窩的開口朝向所述轉銷8b的方向；所述四只直線驅動裝置6平均布設在所述Y軸溜板3的兩側，分別與所述Y向導軌加活動連接；所述直線驅動裝置包括直線驅動塊和直線驅動塊電機，所述直線驅動塊朝向所述Y軸溜板3的側面設有球窩；所述直線驅動塊電機設在直線驅動塊上，并驅動其在Y 向導軌加上作直線往復運動；所述連桿7的兩端分別設有球頭，連桿7兩端的球頭分別與所述直線驅動塊6上的球窩和所述激光頭安裝支座8上的球窩相連；所述四個直線驅動塊電機分別連接控制器。本實用新型的一重要優(yōu)化實施方式如圖4-6所示所述激光頭安裝支座8上的四只球窩的中心高度具有落差，同時四根連桿的長度完全相同。所述橫梁2沿X向導軌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軸溜板3相對于所述橫梁2的Y向運動為所述激光切割頭的Y軸向運動；所述Z軸溜板4相對于所述Y軸溜板3的Z向運動為所述激光切割頭的Z軸向運動；所述十字架5圍繞所述Y軸溜板3上樞接軸fe的旋轉運動為A軸向運動；所述激光頭安裝支座8圍繞所述十字架5上轉孔的旋轉運動為C軸向運動；所述激光切割頭9的Y、Z、A、C軸向運動是由所述四個驅動塊5通過各自連桿驅動激光頭安裝支座8實現(xiàn)的；所述Y、Z、A、C軸向運動構成所述激光切割頭的并聯(lián)運動；使得所述激光切割頭9在所述X軸向基本運動與Y、Z、A、C軸向的并聯(lián)運動共同構成的運動環(huán)境中實現(xiàn)少自由度并聯(lián)五軸運動。如圖7-9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。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。隨動的運動也是通過五軸聯(lián)動來實現(xiàn)的。通常，并聯(lián)機構在其工作空間內(nèi)會存在奇異點限制，當機構處于奇異點時，驅動裝置將無法達成驅動命令而造成控制誤差。在本案的機構設計中，激光頭安裝支座8的四個萬向鉸接點在YOZ平面呈對稱分布，而在XOZ面上的投影高度L1<L2<L3<L4，與此同時四個連桿6a、6b、6c、6d的長度完全相同，這樣就能夠確保切割頭在任意位置和姿態(tài)時并聯(lián)機構都不出現(xiàn)空間對稱)，以此來清除工作空間內(nèi)機構奇異點的限制。本案運動學仿真的說明， 如圖10-12，為本實用新型的逆運動仿真曲線圖本案設計的少自由度并聯(lián)五軸激光切割機是以少自由度并聯(lián)機構為基礎，多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復雜系統(tǒng)。當激光切割頭以一定的形式運動時，其速度、加速度與四個直線驅動裝置的運動速度、加速度中間有嚴格的依賴關系。從機構學角度來看，激光切割頭在笛卡爾坐標中的運動是四個可控直線驅動裝置運動的非線性映射，即直線驅動裝置間的相互位置與切割頭位姿間的對于關系是非線性的。運動學仿真的目的是通過考察各可控直線驅動裝置及各部件的相對運動狀態(tài)，檢驗機構是否發(fā)生干涉，考察和評價系統(tǒng)的速度和加速度特性。系統(tǒng)的速度、加速度、驅動力以及慣量比等諸多參數(shù)都是在設計時必須重點考慮的指標，這些參數(shù)是否匹配合理對系統(tǒng)性能具有決定性的影響。傳統(tǒng)方法對上述參數(shù)及其在不同位置的變化情況進行定量分析有很大困難，而ADAMS卻能夠有效地處理此類復雜問題。因此，運用多體動力學分析軟件ADAMS對系統(tǒng)的各個參數(shù)及其變化過程進行仿真具有重要的意義。在ADAMS中建立的動力學模型中，以對Z軸、A軸及C軸在各自的行程范圍內(nèi)進行的逆運動學仿真模擬后，得到了 Z軸在其最高90m/min定位速度以及A軸、C軸在最高 270deg/sec的定位角速度勻速運動工況下，四個直線驅動裝置的速度曲線，仿真結果如 10-12所示。圖10是Z軸在90m/min勻速運動工況下四個直線驅動裝置的速度時間變化曲線；圖11是A軸在270deg/SeC勻速轉動工況下四個直線驅動裝置的速度時間變化曲線.
一入 ，圖12是C軸在270deg/SeC勻速轉動工況下四個直線驅動裝置的速度時間變化曲線.
一入 ，本案通過運動學分析和具體試制，確定了在特定工況下可控直線驅動裝置的速度曲線，為后期的結構設計、驅動參數(shù)的選擇以及運動控制提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。影響機床性能的因素很多，本文在運動學仿真過程考慮的因素有限，其結果具有一定的局限性，還需要進一步深入的研究?？偨Y并聯(lián)機構在三維激光切割領域的應用是個全新的課題，是機器人技術向激光加工領域的擴展，能給激光加工的發(fā)展帶來全新的變化，對激光切割機產(chǎn)品設計的創(chuàng)新具有重要意義。本文結合三維激光切割的特點，采用全新的方法設計的少自由度五軸聯(lián)動激光切割機具有如下特點1、對龍門式或懸臂式二維激光切割機進行簡單的結構改造，即可將其轉化為高精度的三維激光切割機；采用光纖作為光束傳輸?shù)慕橘|(zhì)，無需價格昂貴的三維切割頭即可實現(xiàn)對空間曲線的切割。2、結構簡單、零部件數(shù)目少、剛度大、動態(tài)響應速度快、切割精度高。3、機床硬件簡單，控制系統(tǒng)軟件復雜，具有更高的技術附加值。本實用新型的數(shù)控激光切割機涉及到光、機、電、機器人等諸多方面的內(nèi)容，是一個復雜的系統(tǒng)。激光切割機的發(fā)展是一個長期的、艱辛的過程，需要多方面的工作，我們認為今后還可以在以下幾個方面進行更深入的研究1 )、開發(fā)高性能數(shù)控系統(tǒng)或者對現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)，開發(fā)相應的三維切割CAM軟件，實現(xiàn)自動編程功能和智能化控制。 2)、對機構的運動學、動力學、機構結構耦合特性以及溫度變化對機構的影響進行深入的研究，為實際的物理樣機制造提供系統(tǒng)的理論基礎。3)、對關鍵零部件以及各種專用激光切割系統(tǒng)進行研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品批量化。
權利要求1.少自由度并聯(lián)五軸數(shù)控激光切割機，所述激光切割機包括機體(1)、設在機體(1)上的X向導軌(la)、與X向導軌(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)的側面設有Y向導軌(2a)，其特征在于，所述激光切割頭(9)通過少自由度并聯(lián)機構與所述橫梁(2)側面的Y向導軌(2a)活動連接；所述少自由度并聯(lián)機構包括與所述Y向導軌(2a)活動連接的Y軸溜板(3)裝置、Z軸溜板(4)裝置、十字架(5)、激光頭安裝支座(8)、四只等長的連桿(7)和四只直線驅動裝置 (6)；所述Y軸溜板(3)裝置中Y軸溜板(3)的背面設有與所述Y向導軌(2a)適配的導軌槽，并可以沿Y向導軌做直線往復運動、正面設有一對Z向導軌；所述Z軸溜板(4)裝置中的Z軸溜板(4)的背面設有一對與所述一對Z向導軌適配的 Z向導軌槽、正面設有與X軸平行的樞接套(4a)；所述Z軸溜板(4)通過Z向導軌槽與所述 Y軸溜板(3)上的Z向導軌活動連接，并可以沿Z向導軌作直線往復運動；所述十字架(5)呈叉形，其根部設有用于活動連接所述樞接套(4a)的樞接軸(5a)，兩叉叉尖部位設有一對同軸的轉孔；所述激光頭安裝支座(8)包括板體和四只球窩，所述板體的一端設有用于活動連接所述轉孔的轉銷(8b)、板體的另一端設有用于固定連接所述激光切割頭的耳板(8a)；所述四只球窩中兩只處于板體上部，另兩只處于板體下部，且四只球窩的開口朝向所述轉銷(8b) 的方向；所述四只直線驅動裝置(6)平均布設在所述Y軸溜板(3)的兩側，分別與所述Y向導軌(2a)活動連接；所述直線驅動裝置包括直線驅動塊和直線驅動塊電機，所述直線驅動塊朝向所述Y軸溜板(3)的側面設有球窩；所述直線驅動塊電機設在直線驅動塊上，并驅動其在Y向導軌(2a)上作直線往復運動；所述連桿(7)的兩端分別設有球頭，連桿(7)兩端的球頭分別與所述直線驅動塊(6)上的球窩和所述激光頭安裝支座(8)上的球窩相連； 所述四個直線驅動塊電機分別連接控制器。
2.根據(jù)權利要求1所述的少自由度并聯(lián)五軸數(shù)控激光切割機，其特征在于，所述激光頭安裝支座(8)上的四只球窩的中心高度具有落差；所述的四個連桿(7)的長度相等。
3.根據(jù)權利要求1所述的少自由度并聯(lián)五軸數(shù)控激光切割機，其特征在于，所述橫梁 (2)沿X向導軌(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軸溜板(3)相對于所述橫梁(2)的Y向運動為所述激光切割頭的Y軸向運動； 所述Z軸溜板(4)相對于所述Y軸溜板(3)的Z向運動為所述激光切割頭的Z軸向運動；所述十字架(5)圍繞所述Y軸溜板(3)上樞接軸(5a)的旋轉運動為A軸向運動； 所述激光頭安裝支座(8)圍繞所述十字架(5)上轉孔的旋轉運動為C軸向運動； 所述激光切割頭(9)的Y、Z、A、C軸向運動是由所述四個驅動塊(5)通過各自連桿驅動激光頭安裝支座(8)實現(xiàn)的；所述Y、Z、A、C軸向運動構成所述激光切割頭的并聯(lián)運動；使得所述激光切割頭(9)在所述X軸向基本運動與Y、Z、A、C軸向的并聯(lián)運動共同構成的運動環(huán)境中實現(xiàn)少自由度并聯(lián)五軸運動。
專利摘要少自由度并聯(lián)五軸數(shù)控激光切割機。涉及一種具有少自由度并聯(lián)五軸驅動機構的激光切割機。包括機體、X向導軌、橫梁、激光切割頭和控制器，在橫梁的側面設有Y向導軌，激光切割頭通過少自由度并聯(lián)機構與Y向導軌活動連接；少自由度并聯(lián)機構包括Y軸溜板裝置、Z軸溜板裝置、十字架、激光頭安裝支座、四只等長的連桿和四只直線驅動裝置。本實用新型通過少自由度并聯(lián)裝置實現(xiàn)常規(guī)激光切割頭的五軸運動。其中橫梁相對于機身的運動實現(xiàn)基本X向運動；四只驅動塊各自運動能夠通過其各自的連桿驅動激光頭安裝支座做平動和旋轉運動，四個驅動塊間的相互運動，實現(xiàn)Y、Z、A、C軸的聯(lián)合運動；各零部件結構靈巧，剛性大，慣性小，使得運動精度能得到保障。
文檔編號B23K26/36GK202174350SQ20112029645
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權日2011年8月16日
發(fā)明者洪超, 胡金龍, 鐘昇 申請人:江蘇揚力數(shù)控機床有限公司