一種三維激光切割頭隨動裝置

一種三維激光切割頭隨動裝置

【申請公布號：CN115383291A；申請權(quán)利人：中國航空制造技術(shù)研究院;發(fā)明設(shè)計人： 馬鎮(zhèn); 左從進; 聶瑞濤; 王菲;】

摘要：

本發(fā)明涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維激光切割頭隨動裝置。該裝置包括驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座、直線導(dǎo)軌副、滑動組件、距離檢測器、同步帶輪、同步帶惰輪及同步帶；直線導(dǎo)軌副固定在直線導(dǎo)軌副安裝座上，滑動組件可滑動地設(shè)置在直線導(dǎo)軌副上；驅(qū)動電機的輸出端與同步帶輪連接，同步帶環(huán)繞于同步帶輪和同步帶惰輪上；滑動組件與同步帶連接，且在同步帶的帶動下做直線運動；通過距離檢測器和噴嘴在同步帶的帶動下延直線導(dǎo)軌做直線運動，以實現(xiàn)隨動調(diào)高，這種方式中同步帶輪的結(jié)構(gòu)，自身的重量較輕，可降低自身的運動慣量，提高其響應(yīng)速度，且整體結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，制造方便，對安裝精度要求不高。 

主權(quán)項：

1.一種三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，包括驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座、直線導(dǎo)軌副、滑動組件、距離檢測器、同步帶輪、同步帶惰輪及同步帶；驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座均安裝在三維切割頭擺動軸上，直線導(dǎo)軌副固定在直線導(dǎo)軌副安裝座上，滑動組件可滑動地設(shè)置在直線導(dǎo)軌副上；驅(qū)動電機的輸出端與同步帶輪連接，同步帶環(huán)繞于同步帶輪和同步帶惰輪上；滑動組件與同步帶連接，且在同步帶的帶動下做直線運動；滑動組件的下端與距離檢測器連接。 

要求：

1.一種三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，包括驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座、直線導(dǎo)軌副、滑動組件、距離檢測器、同步帶輪、同步帶惰輪及同步帶；驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座均安裝在三維切割頭擺動軸上，直線導(dǎo)軌副固定在直線導(dǎo)軌副安裝座上，滑動組件可滑動地設(shè)置在直線導(dǎo)軌副上；驅(qū)動電機的輸出端與同步帶輪連接，同步帶環(huán)繞于同步帶輪和同步帶惰輪上；滑動組件與同步帶連接，且在同步帶的帶動下做直線運動；滑動組件的下端與距離檢測器連接。

2.如權(quán)利要求1所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，還包括力矩電機水冷外殼，所述驅(qū)動電機為力矩電機，力矩電機和直線導(dǎo)軌副安裝座通過力矩電機水冷外殼安裝在三維切割頭擺動軸上。

3.如權(quán)利要求2所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，所述滑動組件包括左滑動單元和右滑動單元，左滑動單元和右滑動單元的下端固定連接有安裝基板，所述距離檢測器設(shè)置在安裝基板的下方。

4.如權(quán)利要求3所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，所述同步帶為開環(huán)同步帶，所述同步帶的兩個移動端分別與所述左滑動單元和右滑動單元連接。

5.如權(quán)利要求4所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，所述同步帶呈“S”環(huán)繞在同步帶輪和同步帶惰輪上，在力矩電機的驅(qū)動下，同步帶的兩個移動端同時朝向一個方向移動，以帶動左滑動單元和右滑動單元同時直線移動。

6.如權(quán)利要求2所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，所述同步帶惰輪安裝在力矩電機水冷外殼上。

7.如權(quán)利要求1所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，所述距離檢測器為電容開關(guān)。

8.如權(quán)利要求2所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，所述力矩電機的輸出端通過傳動軸與同步帶輪連接。

9.如權(quán)利要求8所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，還包括圓形光柵，所述圓形光柵設(shè)置在所述傳動軸上。

10.如權(quán)利要求9所述的三維激光切割頭隨動裝置，其特征在于，還包括控制系統(tǒng)，所述距離檢測器與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)與力矩電機連接，圓形光柵與控制系統(tǒng)連接。

一種三維激光切割頭隨動裝置
技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維激光切割頭隨動裝置。

背景技術(shù)

目前，現(xiàn)有技術(shù)中，激光切割加工技術(shù)作為最先進的加工制造技術(shù)之一，具有高精度、高適應(yīng)性、高效率等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域，隨著應(yīng)用的深入，簡單的平面類和管類零件切割已經(jīng)無法滿足加工需求，而三維激光切割因其能滿足復(fù)雜曲面類零件的加工，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。三維激光切割在加工過程中工件固定不動，依靠激光切割頭的運動完成切割。典型的三維激光切割設(shè)備采用五軸聯(lián)動，由XYZ三個直線運動軸與激光切割頭自身的C軸旋轉(zhuǎn)和B軸擺轉(zhuǎn)組成，以實現(xiàn)切割嘴在切割過程中始終保持與工件表面的垂直，也就是激光的出光方向與工件表面垂直。在切割過程中，噴嘴與工件表面的距離需要始終保持恒定，該距離一般為0.5mm至10mm之間，只有合適的距離才能充分發(fā)揮切割效率，否則會使切割效率和切割質(zhì)量下降。然而，對于大型復(fù)雜曲面薄板類零件，其自身的變形無法很好的控制，噴嘴與工件表面的距離需要實時調(diào)整才能滿足距離恒定的要求。所以，在三維激光切割頭噴嘴處需增加一組隨動裝置，該裝置由傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成，可帶動噴嘴做直線運動，使噴嘴與工件的距離始終恒定。由于激光切割具有高速度、高精度等特點，所以要求隨動裝置必須具有很高的響應(yīng)速度。目前隨動裝置的傳感器為電容開關(guān)，可實時反饋距離信號。執(zhí)行機構(gòu)采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)，由伺服電機驅(qū)動，可帶動噴嘴進行直線運動，從而達到隨動的目的。

然而，現(xiàn)有隨動調(diào)高裝置采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠，帶動噴嘴沿直線導(dǎo)軌完成直線運動，由此實現(xiàn)隨動調(diào)高，這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絲杠、絲母占用空間較大，不利于縮小隨動組件的整體尺寸，對裝配精度要求較高，而且后期還需對絲杠絲母進行定期維護。

因此，需要提供一種新型的三維激光切割頭隨動裝置。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種三維激光切割頭隨動裝置，以解決現(xiàn)有隨動結(jié)構(gòu)隨動響應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大、制造不便、對安裝精度要求高的問題。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的三維激光切割頭隨動裝置包括驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座、直線導(dǎo)軌副、滑動組件、距離檢測器、同步帶輪、同步帶惰輪及同步帶；驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座均安裝在三維切割頭擺動軸上，直線導(dǎo)軌副固定在直線導(dǎo)軌副安裝座上，滑動組件可滑動地設(shè)置在直線導(dǎo)軌副上；驅(qū)動電機的輸出端與同步帶輪連接，同步帶環(huán)繞于同步帶輪和同步帶惰輪上；滑動組件與同步帶連接，且在同步帶的帶動下做直線運動；滑動組件的下端與距離檢測器連接。

其中，還包括力矩電機水冷外殼，所述驅(qū)動電機為力矩電機，力矩電機和直線導(dǎo)軌副安裝座通過力矩電機水冷外殼安裝在三維切割頭擺動軸上。

其中，所述滑動組件包括左滑動單元和右滑動單元，左滑動單元和右滑動單元的下端固定連接有安裝基板，所述距離檢測器設(shè)置在安裝基板的下方。

其中，所述同步帶為開環(huán)同步帶，所述同步帶的兩個移動端分別與所述左滑動單元和右滑動單元連接。

其中，所述同步帶呈“S”環(huán)繞在同步帶輪和同步帶惰輪上，在力矩電機的驅(qū)動下，同步帶的兩個移動端同時朝向一個方向移動，以帶動左滑動單元和右滑動單元同時直線移動。

其中，所述同步帶惰輪安裝在力矩電機水冷外殼上。

其中，所述距離檢測器為電容開關(guān)。

其中，所述力矩電機的輸出端通過傳動軸與同步帶輪連接。

其中，還包括圓形光柵，所述圓形光柵設(shè)置在所述傳動軸上。

其中，還包括控制系統(tǒng)，所述距離檢測器與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)與力矩電機連接，圓形光柵與控制系統(tǒng)連接。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明提供的技術(shù)方案中，通過驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座均安裝在三維切割頭擺動軸上，隨動裝置整體由三維切割頭擺動軸驅(qū)動；通過直線導(dǎo)軌副，滑動組件上下可滑動，進而帶動距離檢測器上下移動，距離檢測器用于檢測噴嘴距離工件表面的距離，進而噴嘴與工件表面的距離可實時調(diào)整，滑動組件上下滑動為通過同步帶的帶動做直線運動，由于激光切割具有高速度、高精度等特點，所以要求隨動裝置必須具有很高的響應(yīng)速度，通過距離檢測器和噴嘴在同步帶的帶動下延直線導(dǎo)軌做直線運動，以實現(xiàn)隨動調(diào)高，這種方式中同步帶輪的結(jié)構(gòu)，自身的重量較輕，可降低自身的運動慣量，提高其響應(yīng)速度，且整體結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，制造方便，對安裝精度要求不高，且終身免于維護；該發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，成本低，可提高隨動調(diào)高運動的響應(yīng)速度和定位精度，也可免去滾珠絲杠后期維護成本，避免傳統(tǒng)方式中滾珠絲杠潤滑油脂污染切割頭內(nèi)部光路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明三維激光切割頭隨動裝置的立體裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明三維激光切割頭隨動裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明三維激光切割頭隨動裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明三維激光切割頭隨動裝置的正面局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：A1：力矩電機水冷外殼，A2：力矩電機，A3：圓形光柵，A4：傳動軸，A5：直線導(dǎo)軌副，A6：直線導(dǎo)軌副安裝座，A7：滑動組件，A8：電容開關(guān)，B1：同步帶輪，B2：同步帶移動端，B3：同步帶惰輪，B4：同步帶，A701：左滑動單元，A702：右滑動單元，A703：同步帶壓板，A704：安裝基板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

如圖1-圖4是本發(fā)明實施例提供的三維激光切割頭隨動裝置包括驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座A6、直線導(dǎo)軌副A5、滑動組件A7、距離檢測器、同步帶輪B1、同步帶惰輪B3及同步帶B4；驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座均安裝在三維切割頭擺動軸上，直線導(dǎo)軌副固定在直線導(dǎo)軌副安裝座上，滑動組件可滑動地設(shè)置在直線導(dǎo)軌副上；驅(qū)動電機的輸出端與同步帶輪連接，同步帶環(huán)繞于同步帶輪和同步帶惰輪上；滑動組件與同步帶連接，且在同步帶的帶動下做直線運動；滑動組件的下端與距離檢測器連接。

上述實施例中，通過驅(qū)動電機、直線導(dǎo)軌副安裝座均安裝在三維切割頭擺動軸上，隨動裝置整體由三維切割頭擺動軸驅(qū)動；通過直線導(dǎo)軌副，滑動組件上下可滑動，進而帶動距離檢測器上下移動，距離檢測器用于檢測噴嘴距離工件表面的距離，進而噴嘴與工件表面的距離可實時調(diào)整，滑動組件上下滑動為通過同步帶的帶動做直線運動，由于激光切割具有高速度、高精度等特點，所以要求隨動裝置必須具有很高的響應(yīng)速度，通過距離檢測器和噴嘴在同步帶的帶動下延直線導(dǎo)軌做直線運動，以實現(xiàn)隨動調(diào)高，這種方式中同步帶輪的結(jié)構(gòu)，自身的重量較輕，可降低自身的運動慣量，提高其響應(yīng)速度，且整體結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，制造方便，對安裝精度要求不高，且終身免于維護。

具體地，還包括力矩電機水冷外殼A1，所述驅(qū)動電機為力矩電機A2，力矩電機和直線導(dǎo)軌副安裝座通過力矩電機水冷外殼安裝在三維切割頭擺動軸上。通過力矩電機水冷外殼，一方面冷卻電機，另一方面可為力矩電機和直線導(dǎo)軌副安裝座提供安裝支撐。

具體地，所述滑動組件包括左滑動單元A701和右滑動單元A702，左滑動單元和右滑動單元的下端固定連接有安裝基板A704，所述距離檢測器設(shè)置在安裝基板的下方；左滑動單元和右滑動單元左右分居設(shè)置，結(jié)構(gòu)更精巧和平衡，重量更輕便，運動更平穩(wěn)。

優(yōu)選地，所述同步帶為開環(huán)同步帶，開環(huán)同步帶具有同步帶移動端B2，所述同步帶的兩個移動端分別與所述左滑動單元和右滑動單元連接；優(yōu)選地，本申請同步帶配備有同步帶壓板A703。本申請優(yōu)選為開環(huán)同步帶，同步帶的兩個移動端分別與所述左滑動單元和右滑動單元，傳動更便捷平穩(wěn)。

具體地，打破常規(guī)思維，將同步帶呈“S”環(huán)繞在同步帶輪和同步帶惰輪上，在力矩電機的驅(qū)動下，同步帶的兩個移動端同時朝向一個方向移動，以帶動左滑動單元和右滑動單元同時直線移動。

具體地，所述同步帶惰輪安裝在力矩電機水冷外殼上。同步帶惰輪作為從動輪。

具體他，距離檢測器為電容開關(guān)A8。通過電容開關(guān)，可實時反饋距離信號。

具體地，力矩電機的輸出端通過傳動軸A4與同步帶輪連接。優(yōu)選地，還包括圓形光柵A3，所述圓形光柵設(shè)置在所述傳動軸上，圓形光柵作為旋轉(zhuǎn)編碼器，可實時反饋傳動軸的角度信號。

具體地，還包括控制系統(tǒng)，所述距離檢測器與控制系統(tǒng)連接，控制系統(tǒng)與力矩電機連接，圓形光柵與控制系統(tǒng)連接。隨動功能開啟后，電容開關(guān)檢測噴嘴距離工件表面的距離，將信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動力矩電機，在力矩電機的驅(qū)動下，傳動軸帶動同步帶輪一起旋轉(zhuǎn)，同步帶將同步帶輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，在直線導(dǎo)軌副的作用下，同步帶移動端發(fā)生直線運動。滑動組件在同步帶移動端的帶動下可實現(xiàn)隨動運動；圓形光柵與控制系統(tǒng)連接，對旋轉(zhuǎn)精度進行閉環(huán)反饋。

為了進一步理解本申請的技術(shù)方案，結(jié)合附圖，通過以下實施例進行詳細(xì)說明。

如圖2、圖3和圖4所示，力矩電機水冷外殼A1與三維切割頭擺動軸端面固定，力矩電機A2固定在力矩電機水冷外殼A1中，傳動軸A4與力矩電機轉(zhuǎn)子連接，在轉(zhuǎn)子的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動。圓形光柵A3與傳動軸A4連接，可實時反饋傳動軸A4的角度信號。直線導(dǎo)軌副安裝座A6與力矩電機水冷外殼A1固定，直線導(dǎo)軌副A5固定在直線導(dǎo)軌副安裝座A6上，滑動組件A7與直線導(dǎo)軌副A5上的滑塊固定，做直線運動。電容開關(guān)A8位于滑動組件A7最下端，可實時反饋噴嘴與工件之間的距離。B1為同步帶輪，B2為同步帶移動端，B3為同步帶惰輪，B4為同步帶。同步帶輪B1與傳動軸A4連接。同步帶B4環(huán)繞于同步帶輪B1和同步帶惰輪B3上，同步帶移動端B2固定在滑動組件A7上，當(dāng)同步帶輪B1轉(zhuǎn)動時，同步帶移動端B2可帶動滑動組件A7做直線運動。

上述實施例提供的方案中調(diào)整及工作過程：隨動功能開啟后，電容開關(guān)A8檢測噴嘴距離工件表面的距離，將信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動力矩電機A2，在力矩電機的驅(qū)動下，傳動軸A4帶動同步帶輪B1一起旋轉(zhuǎn)，同步帶B4將同步帶輪B1的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，在直線導(dǎo)軌副A5的作用下，同步帶移動端B2發(fā)生直線運動。滑動組件A7在同步帶移動端B2的帶動下可實現(xiàn)隨動運動。圓形光柵A3對旋轉(zhuǎn)精度進行閉環(huán)反饋。

綜上所述，本發(fā)明采用力矩電機和旋轉(zhuǎn)編碼器作為隨動動力的輸入，力矩電機驅(qū)動同步帶輪旋轉(zhuǎn)，同步帶輪帶動同步帶將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，噴嘴在同步帶的帶動下延直線導(dǎo)軌做直線運動，以實現(xiàn)隨動調(diào)高。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，制造方便，對安裝精度要求不高，且終身免于維護。此外同步帶輪的結(jié)構(gòu)較絲杠比，其自身的重量較輕，可降低自身的運動慣量，提高其響應(yīng)速度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。