專利名稱：三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，尤其涉及復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)五軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)控激光切割機(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(diǎn)，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(diǎn)，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(dòng)機(jī)構(gòu)均為串聯(lián)方式。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的切割頭運(yùn)動(dòng)軌跡控制都是建立在笛卡爾坐標(biāo)系中，動(dòng)作控制過程的數(shù)學(xué)運(yùn)算簡單，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，設(shè)備動(dòng)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(jià)格昂貴的三維激光切割頭。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)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、精度更高的三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)。本實(shí)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(dòng)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?a，所述激光切割頭9通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與所述橫梁2側(cè)面的Y向?qū)к壖踊顒?dòng)連接；所述復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括與所述Y向?qū)к壖踊顒?dòng)連接的Y軸溜板3裝置、Z軸溜板4裝置、十字架7、激光頭安裝支座8、四只等長的連桿6和四只直線驅(qū)動(dòng)裝置5 ；所述Y軸溜板3裝置中Y軸溜板3的背面設(shè)有與所述Y向?qū)к壖舆m配的導(dǎo)軌槽， 并可以沿Y軸作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、正面設(shè)有一對Z向?qū)к?a ；所述Z軸溜板4裝置中的Z軸溜板4的背面設(shè)有一對與所述一對Z向?qū)к夁m配的 Z向?qū)к壊?a、正面設(shè)有與X軸平行的樞接套4b ；所述Z軸溜板4通過Z向?qū)к壊廴缗c所述Y軸溜板3上的Z向?qū)к?a活動(dòng)連接，并沿Z向?qū)к壪鄬τ赮軸溜板3作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述十字架7呈叉形，其根部設(shè)有用于活動(dòng)連接所述樞接套4b的樞軸7a，兩叉叉尖部位設(shè)有一對同軸的轉(zhuǎn)孔7b ；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(shè)有用于活動(dòng)連接所述轉(zhuǎn)孔的轉(zhuǎn)銷8b、板體的另一端設(shè)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(zhuǎn)銷8b的方向；所述四只直線驅(qū)動(dòng)裝置6中的其中上部的兩個(gè)分別布設(shè)在所述Y軸溜板3的兩側(cè)、與所述Y軸溜板3上的Z向?qū)к?a活動(dòng)連接，另外下部的兩個(gè)分別布設(shè)在所述Y軸溜板3的兩側(cè)、與所述Y向?qū)к?a活動(dòng)連接；所述直線驅(qū)動(dòng)裝置6包括直線驅(qū)動(dòng)塊和直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)，所述直線驅(qū)動(dòng)塊朝向所述激光頭安裝支座8的側(cè)面設(shè)有球窩；所述直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)設(shè)在直線驅(qū)動(dòng)塊上、驅(qū)動(dòng)Y向?qū)к?a上的下部兩只驅(qū)動(dòng)塊沿Y向?qū)к?a作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)Z向?qū)к?a上的上部兩只驅(qū)動(dòng)塊沿Z向?qū)к?a作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；所述連桿7的兩端分別設(shè)有球頭，連桿6兩端的球頭分別與所述直線驅(qū)動(dòng)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Z軸溜板驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四只所述直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)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。所述四根連桿7中的與所述的橫梁2上的Y向?qū)к壣系膬蓚€(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置相連接的兩根連桿等長，另外兩根與所述Y軸溜板3上的Z向?qū)к壣系膬蓚€(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置相連接的兩個(gè)連桿等長。所述四根連桿7等長。所述橫梁2沿X向?qū)к塈a的X向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的X軸向基本運(yùn)動(dòng)；Y、Z、 A、C四個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)是通過四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)塊間的相互運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，Y、Z、A、C四軸運(yùn)動(dòng)的控制方式為并聯(lián)方式；所述Y軸溜板3相對于所述橫梁2的Y向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的Y軸向運(yùn)動(dòng)；所述Z軸溜板4相對于所述Y軸溜板3的Z向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的Z軸向運(yùn)動(dòng)；所述十字架7圍繞所述Z軸溜板4上樞接套4b軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為A軸向運(yùn)動(dòng)；所述激光頭安裝支座8圍繞所述十字架7上轉(zhuǎn)孔7b軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為C軸向運(yùn)動(dòng)；所述激光切割頭9的Y、Z、A、C軸向運(yùn)動(dòng)是由所述四個(gè)驅(qū)動(dòng)塊5通過各自連桿驅(qū)動(dòng)激光頭安裝支座8實(shí)現(xiàn)的；所述Y、Z、A、C軸向運(yùn)動(dòng)構(gòu)成所述激光切割頭的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)；使得所述激光切割頭9在所述X軸向基本運(yùn)動(dòng)與Y、Z、A、C軸向的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)共同構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)三維五軸運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)常規(guī)激光切割頭的五軸運(yùn)動(dòng)。其中橫梁相對于機(jī)身的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)基本X向運(yùn)動(dòng)；而Y、Z、A、C四軸的運(yùn)動(dòng)是通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動(dòng)。此外，實(shí)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(jī)構(gòu)可能會(huì)空間完全對稱，一但機(jī)構(gòu)在空間上對稱就會(huì)使運(yùn)動(dòng)不確定。比如在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)角均為“0”的情況下對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)副有“順時(shí)針”也有“逆時(shí)針”轉(zhuǎn)動(dòng)的可能。而采用中心高度不同(且四個(gè)連桿長度兩兩相同，上面兩個(gè)相同，下面兩個(gè)相同)的方法則可有效地避免在切割頭任意位置和姿態(tài)時(shí)的機(jī)構(gòu)空間對稱，進(jìn)而徹底解決這個(gè)問題。本實(shí)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(yùn)動(dòng)精度能得到保障。本實(shí)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(yùn)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(diǎn)。
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實(shí)用新型中復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的立體圖，圖3是本實(shí)用新型中激光頭安裝支座的立體圖，圖4是本實(shí)用新型中激光頭安裝支座的主視圖，圖5是圖6的左視圖，圖6是本實(shí)用新型使用狀態(tài)參考圖一，圖7是本實(shí)用新型使用狀態(tài)參考圖二，圖8是本實(shí)用新型使用狀態(tài)參考圖三，圖9是本實(shí)用新型Z軸逆運(yùn)動(dòng)仿真示意圖，圖10是本實(shí)用新型A軸逆運(yùn)動(dòng)仿真示意圖，圖11是本實(shí)用新型C軸逆運(yùn)動(dòng)仿真示意圖；圖1中標(biāo)示了 X、Y、Z三直線運(yùn)動(dòng)方向示意，圖2中標(biāo)示了 A、C兩旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)方向示意；圖中1是機(jī)身，Ia是X向?qū)к墸?是橫梁，2a是Y向?qū)к墸?是Y軸溜板，3a是Z向?qū)к墸?是Z軸溜板，4a是ζ向?qū)к壊郏?b是樞接套，5是直線驅(qū)動(dòng)裝置，5a是直線驅(qū)動(dòng)塊一， 5b是直線驅(qū)動(dòng)塊二，5c直線驅(qū)動(dòng)塊三，5d直線驅(qū)動(dòng)塊四，6是連桿，7是十字架，7a是樞軸， 7b是轉(zhuǎn)孔，8是激光頭安裝支座，8a是耳板，8b是轉(zhuǎn)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(shí)施方式
首先對圖1、圖2中所示坐標(biāo)系定義如下X軸——橫梁2沿機(jī)身1上的X向?qū)к壍倪\(yùn)動(dòng)方向；Y軸——Y軸溜板3沿橫梁2上的Y向?qū)к壍倪\(yùn)動(dòng)方向；Z軸——Z軸溜板4沿Y軸溜板3上的Z向?qū)к壍倪\(yùn)動(dòng)方向；A軸——十字架5通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與Z軸溜板4連接，并可在士90°的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；C軸——激光頭安裝支座8通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與十字架5連接，并可在士90°的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；其中X軸運(yùn)動(dòng)控制與普通的龍門式二維激光切割機(jī)相同，而Y、Z、A、C四軸的運(yùn)動(dòng)是通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的?；顒?dòng)連接于橫梁2上且只能夠沿Y向運(yùn)動(dòng)的四個(gè)可控的直線驅(qū)動(dòng)裝置6，并分別通過兩端均為萬向鉸接的連桿一、連桿二、連桿三、連桿四與激光頭安裝支座8相連接，通過四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置間的同向、反向驅(qū)動(dòng)來完成對激光頭安裝支座8的位置與姿態(tài)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切割頭對空間曲線的切割。本實(shí)用新型如圖1-5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(dòng)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?a，所述激光切割頭9通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與所述橫梁2側(cè)面的Y向?qū)к?a活動(dòng)連接；[0048]所述復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括與所述Y向?qū)к壖踊顒?dòng)連接的Y軸溜板3裝置、Z軸溜板4裝置、十字架7、激光頭安裝支座8、四只等長的連桿6和四只直線驅(qū)動(dòng)裝置5 ；所述Y軸溜板3裝置中Y軸溜板3的背面設(shè)有與所述Y向?qū)к壖舆m配的導(dǎo)軌槽， 并可以沿Y軸作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、正面設(shè)有一對Z向?qū)к?a ；所述Z軸溜板4裝置中的Z軸溜板4的背面設(shè)有一對與所述一對Z向?qū)к夁m配的 Z向?qū)к壊?a、正面設(shè)有與X軸平行的樞接套4b ；所述Z軸溜板4通過Z向?qū)к壊廴缗c所述Y軸溜板3上的Z向?qū)к?a活動(dòng)連接，并沿Z向?qū)к壪鄬τ赮軸溜板3作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述十字架7呈叉形，其根部設(shè)有用于活動(dòng)連接所述樞接套4b的樞軸7a，兩叉叉尖部位設(shè)有一對同軸的轉(zhuǎn)孔7b ；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(shè)有用于活動(dòng)連接所述轉(zhuǎn)孔的轉(zhuǎn)銷8b、板體的另一端設(shè)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(zhuǎn)銷8b的方向；所述四只直線驅(qū)動(dòng)裝置6中的其中上部的兩個(gè)分別布設(shè)在所述Y軸溜板3的兩側(cè)、與所述Y軸溜板3上的Z向?qū)к?a活動(dòng)連接，另外下部的兩個(gè)分別布設(shè)在所述Y軸溜板3的兩側(cè)、與所述Y向?qū)к壖踊顒?dòng)連接；所述直線驅(qū)動(dòng)裝置6包括直線驅(qū)動(dòng)塊和直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)，所述直線驅(qū)動(dòng)塊朝向所述激光頭安裝支座8的側(cè)面設(shè)有球窩；所述直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)設(shè)在直線驅(qū)動(dòng)塊上、驅(qū)動(dòng)Y向?qū)к壖由系南虏績芍或?qū)動(dòng)塊沿Y向?qū)к壖幼髦本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)Z向?qū)к?a上的上部兩只驅(qū)動(dòng)塊沿Z向?qū)к?a作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；所述連桿7的兩端分別設(shè)有球頭，連桿6兩端的球頭分別與所述直線驅(qū)動(dòng)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Z軸溜板驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四只所述直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)分別連接控制器。本實(shí)用新型的一重要優(yōu)化實(shí)施方式如圖3-5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。在此情況下，對于四個(gè)連桿長度設(shè)定有兩種方案一是兩兩相同，上面兩個(gè)相同，下面兩個(gè)相同；即四根連桿7中的與所述的橫梁2上的Y向?qū)к壣系膬蓚€(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置相連接的兩根連桿等長，另外兩根與所述Y軸溜板3上的Z向?qū)к壣系膬蓚€(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置相連接的兩個(gè)連桿等長。二是四根連桿7等長。本實(shí)用新型橫梁2沿X向?qū)к塈a的X向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的X軸向基本運(yùn)動(dòng)；Y、Z、A、C四個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)是通過四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)塊間的相互運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，Y、Z、A、C 四軸運(yùn)動(dòng)的控制方式為并聯(lián)方式。所述Y軸溜板3相對于所述橫梁2的Y向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的Y軸向運(yùn)動(dòng)；所述Z軸溜板4相對于所述Y軸溜板3的Z向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的Z軸向運(yùn)動(dòng)；所述十字架7圍繞所述Z軸溜板4上樞接套4b軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為A軸向運(yùn)動(dòng)；所述激光頭安裝支座8圍繞所述十字架7上轉(zhuǎn)孔7b軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為C軸向運(yùn)動(dòng)；所述激光切割頭9的Y、Z、A、C軸向運(yùn)動(dòng)是由所述四個(gè)驅(qū)動(dòng)塊5通過各自連桿驅(qū)動(dòng)激光頭安裝支座8實(shí)現(xiàn)的；所述Y、Z、A、C軸向運(yùn)動(dòng)構(gòu)成所述激光切割頭的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)；使得所述激光切割頭9在所述X軸向基本運(yùn)動(dòng)與Y、Z、A、C軸向的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)共同構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)三維五軸運(yùn)動(dòng)。以加工工件10為例，該工件具有多個(gè)處于兩個(gè)相交面的孔以及處于平面的孔。其中孔一 IOa位于工件前端、處于兩個(gè)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(gè)相交面上。圖7是加工孔一 IOa時(shí)的狀態(tài)；五軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割。圖8是加工孔二 IOb時(shí)的狀態(tài)；橫梁2、Z拖板4運(yùn)行到位后；可以有兩種運(yùn)動(dòng)模式，一是橫梁2、Y拖板3的復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對孔二的加工；二是僅僅通過兩驅(qū)動(dòng)塊5各自的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)架7繞A軸轉(zhuǎn)動(dòng)、環(huán)形支撐架8繞C軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對孔二的加工。(與此同時(shí)， 五軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制)。圖9是加工孔三IOC的狀態(tài)；基本同加工孔一 IOa的模式?？梢钥闯黾す忸^安裝支座8工作時(shí)姿態(tài)的變化。通常，(復(fù)合運(yùn)動(dòng))并聯(lián)機(jī)構(gòu)在其工作空間內(nèi)會(huì)存在奇異點(diǎn)限制，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于奇異點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置將無法達(dá)成驅(qū)動(dòng)命令而造成控制誤差。在本案的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，激光頭安裝支座8的四個(gè)萬向鉸接點(diǎn)在YOZ平面呈對稱分布，而在XOZ面上的投影高度Ll < L2 < L3 < L4，四個(gè)連桿長度兩兩相同，上面兩個(gè)相同，下面兩個(gè)相同。避免在任意位置出現(xiàn)空間對稱，以此來清除工作空間內(nèi)機(jī)構(gòu)奇異點(diǎn)的限制。本案運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的說明本案設(shè)計(jì)的數(shù)控激光切割機(jī)是以復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，多變量、高度非線性、 多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)激光切割頭以一定的形式運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度、加速度與四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)速度、加速度中間有嚴(yán)格的依賴關(guān)系。從機(jī)構(gòu)學(xué)角度來看，激光切割頭在笛卡爾坐標(biāo)中的運(yùn)動(dòng)是四個(gè)可控直線驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)的非線性映射，即直線驅(qū)動(dòng)裝置間的相互位置與切割頭位姿間的對于關(guān)系是非線性的。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是通過考察各可控直線驅(qū)動(dòng)裝置及各部件的相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉，考察和評價(jià)系統(tǒng)的速度和加速度特性。系統(tǒng)的速度、加速度、驅(qū)動(dòng)力以及慣量比等諸多參數(shù)都是在設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮的指標(biāo)，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(jìn)行定量分析有很大困難，而ADAMS卻能夠有效地處理此類復(fù)雜問題。 因此，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)及其變化過程進(jìn)行仿真具有重要的意義。在ADAMS中建立的動(dòng)力學(xué)模型中，以對Z軸、A軸及C軸在各自的行程范圍內(nèi)進(jìn)行的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)工況下，四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置的速度時(shí)間曲線，逆運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如9-11所示；圖9是Z軸在90m/min勻速運(yùn)動(dòng)工況下四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置的速度時(shí)間變化曲線； 圖10是A軸在270deg/sec勻速轉(zhuǎn)動(dòng)工況下四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置的速度時(shí)間變化曲線；圖11是C軸在270deg/SeC勻速轉(zhuǎn)動(dòng)工況下四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置的速度時(shí)間變化曲線.圖中Vyl、Vy2、Vy3、Vy4分別表示四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置的速度。本案通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和具體試制，確定了在特定工況下可控直線驅(qū)動(dòng)裝置的速度曲線，為后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)的選擇以及運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考?？偨Y(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在三維激光切割領(lǐng)域的應(yīng)用是個(gè)全新的課題，是機(jī)器人技術(shù)向激光加工領(lǐng)域的擴(kuò)展，能給激光加工的發(fā)展帶來全新的變化，對激光切割機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新具有重要意義。本文結(jié)合三維激光切割的特點(diǎn)，采用全新的方法設(shè)計(jì)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)激光切割機(jī)具有如下特點(diǎn)1、對龍門式或懸臂式二維激光切割機(jī)進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)改造，即可將其轉(zhuǎn)化為高精度的三維激光切割機(jī)；采用光纖作為光束傳輸?shù)慕橘|(zhì)，無需價(jià)格昂貴的三維切割頭即可實(shí)現(xiàn)對空間曲線的切割。2、結(jié)構(gòu)簡單、零部件數(shù)目少、剛度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、切割精度高。3、機(jī)床硬件簡單，控制系統(tǒng)軟件復(fù)雜，具有更高的技術(shù)附加值。并聯(lián)五軸激光切割機(jī)涉及到光、機(jī)、電、機(jī)器人等諸多方面的內(nèi)容，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。激光切割機(jī)的發(fā)展是一個(gè)長期的、艱辛的過程，需要多方面的工作，我們認(rèn)為今后可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)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(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)相應(yīng)的三維切割CAM軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程功能和智能化控制。2)、對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)耦合特性以及溫度變化對機(jī)構(gòu)的影響進(jìn)行深入的研究，為實(shí)際的物理樣機(jī)制造提供系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。3)、對關(guān)鍵零部件以及各種專用激光切割系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量化。
權(quán)利要求1.三維五軸數(shù)控激光切割機(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(dòng)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)通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與所述橫梁(2)側(cè)面的Y向?qū)к?2a)活動(dòng)連接；所述復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括與所述Y向?qū)к?2a)活動(dòng)連接的Y軸溜板(3)裝置、Z軸溜板(4)裝置、十字架(7)、激光頭安裝支座(8)、四只等長的連桿(6)和四只直線驅(qū)動(dòng)裝置 (5)；所述Y軸溜板(3)裝置中Y軸溜板(3)的背面設(shè)有與所述Y向?qū)к?2a)適配的導(dǎo)軌槽，并可以沿Y軸作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、正面設(shè)有一對Z向?qū)к?3a)；所述Z軸溜板(4)裝置中的Z軸溜板(4)的背面設(shè)有一對與所述一對Z向?qū)к夁m配的 Z向?qū)к壊?4a)、正面設(shè)有與X軸平行的樞接套(4b)；所述Z軸溜板(4)通過Z向?qū)к壊?(4a)與所述Y軸溜板(3)上的Z向?qū)к?3a)活動(dòng)連接，并沿Z向?qū)к壪鄬τ赮軸溜板(3) 作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；所述十字架(7)呈叉形，其根部設(shè)有用于活動(dòng)連接所述樞接套(4b)的樞軸(7a)，兩叉叉尖部位設(shè)有一對同軸的轉(zhuǎn)孔(7b)；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(shè)有用于活動(dòng)連接所述轉(zhuǎn)孔的轉(zhuǎn)銷(8b)、板體的另一端設(shè)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(zhuǎn)銷(8b) 的方向；所述四只直線驅(qū)動(dòng)裝置(6)中的其中上部的兩個(gè)分別布設(shè)在所述Y軸溜板(3)的兩側(cè)、 與所述Y軸溜板(3)上的Z向?qū)к?3a)活動(dòng)連接，另外下部的兩個(gè)分別布設(shè)在所述Y軸溜板(3)的兩側(cè)、與所述Y向?qū)к?2a)活動(dòng)連接；所述直線驅(qū)動(dòng)裝置(6)包括直線驅(qū)動(dòng)塊和直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)，所述直線驅(qū)動(dòng)塊朝向所述激光頭安裝支座(8)的側(cè)面設(shè)有球窩；所述直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)設(shè)在直線驅(qū)動(dòng)塊上、驅(qū)動(dòng)Y向?qū)к?2a)上的下部兩只驅(qū)動(dòng)塊沿Y向?qū)к?2a)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)Z向?qū)к?3a)上的上部兩只驅(qū)動(dòng)塊沿Z向?qū)к?3a)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；所述連桿(7)的兩端分別設(shè)有球頭，連桿(6)兩端的球頭分別與所述直線驅(qū)動(dòng)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Z軸溜板驅(qū)動(dòng)電機(jī)和四只所述直線驅(qū)動(dòng)塊電機(jī)分別連接控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)，其特征在于，所述四根連桿(7)中的與所述的橫梁(2)上的Y向?qū)к壣系膬蓚€(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置相連接的兩根連桿等長，另外兩根與所述Y軸溜板(3)上的Z向?qū)к壣系膬蓚€(gè)直線驅(qū)動(dòng)裝置相連接的兩個(gè)連桿等長。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)，其特征在于，所述四根連桿(7)等長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)，其特征在于，所述橫梁 (2)沿X向?qū)к?Ia)的X向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的X軸向基本運(yùn)動(dòng)；Y、Z、A、C四個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)是通過四個(gè)直線驅(qū)動(dòng)塊間的相互運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，Y、Z、A、C四軸運(yùn)動(dòng)的控制方式為并聯(lián)方式；所述Y軸溜板(3)相對于所述橫梁(2)的Y向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的Y軸向運(yùn)動(dòng)； 所述Z軸溜板(4)相對于所述Y軸溜板(3)的Z向運(yùn)動(dòng)為所述激光切割頭的Z軸向運(yùn)動(dòng)；所述十字架(7)圍繞所述Z軸溜板(4)上樞接套(4b)軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為A軸向運(yùn)動(dòng)； 所述激光頭安裝支座(8 )圍繞所述十字架(7 )上轉(zhuǎn)孔(7b )軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為C軸向運(yùn)動(dòng)；所述激光切割頭(9)的Y、Z、A、C軸向運(yùn)動(dòng)是由所述四個(gè)驅(qū)動(dòng)塊(5)通過各自連桿驅(qū)動(dòng)激光頭安裝支座(8)實(shí)現(xiàn)的；所述Y、Z、A、C軸向運(yùn)動(dòng)構(gòu)成所述激光切割頭的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)；使得所述激光切割頭(9)在所述X軸向基本運(yùn)動(dòng)與Y、Z、A、C軸向的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)共同構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)三維五軸運(yùn)動(dòng)。
專利摘要三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)。涉及復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)五軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)控激光切割機(jī)。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?，激光切割頭通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與橫梁側(cè)面的Y向?qū)к壔顒?dòng)連接。本實(shí)用新型通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)常規(guī)激光切割頭的五軸運(yùn)動(dòng)。其中橫梁相對于機(jī)身的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)基本X向運(yùn)動(dòng)；而Y、Z、A、C四軸的運(yùn)動(dòng)是通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)用新型構(gòu)思精巧，各零部件結(jié)構(gòu)靈巧，剛性大，慣性小，運(yùn)動(dòng)精度能得到保障。本實(shí)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(yùn)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(diǎn)。
文檔編號B23K26/42GK202224845SQ20112029702
公開日2012年5月23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)明者盧華安, 崔凱, 潘志華, 胡金龍 申請人:江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司