一种具有四轴联动次级激光头驱动装置的三维激光切割机

摘要

一种具有四轴联动次级激光头驱动装置的三维激光切割机。提供了一种结构更加简化，在三维运动的基础上，同时实现小范围运动，大大提高切割精度和切割效率的具有四轴联动次级激光头驱动装置的三维激光切割机。包括控制器、机座、横梁、工作台、Y向运动座、Z向运动座、激光切割头和激光发生器；还包括四轴联动次级激光头驱动装置；所述四轴联动次级激光头驱动装置包括a轴运动装置和可绕a轴运动装置转动的c轴运动装置。本发明结构精巧，在数字化控制应用中，编程简单，运动轨迹定位精度高，切割轨迹失真率低，提高了控制精度。

说明书

技术领域

本发明涉及数控板料激光切割机，尤其涉及具有局部高速切割功能的激光切割机的切割头在小范围内驱动机构的改进。

背景技术

为了不断完善、优化激光切割机的精细化运动，本申请人自2009年起对激光切割机的激光头运动系统不断进行了自主研发。于2010.6.10.向国家知识产权局同时提出了名称为“一种激光切割机及其工作方法，201010196705.7”以及“激光切割机，201020221418.2”两项专利申请，前者于2011.1.26.公开，公开号：CN101862909A。该项创新技术为克服前述问题，它采用在横梁上的激光头座上增设X向短导轨，与激光头座相对于横梁的Y向运动复合，完成小范围区域内激光头的运动，进而在小范围运动时无需横梁进行X向进给运动，大大降低设备的使用能耗。它能够像小幅面激光切割机一样，具有高的切割质量、高效率，高精度，且切割过程中驱动系统消耗的功率较小的效果。但该方案中采用的激光头座结构仍然显得较为庞大、笨重，造成运动惯性大，进而导致运行精度低；且在需要改变激光头Z向高度时，需单独的Z向驱动机构。

为此，本申请人于2011.5.16.向国家知识产权局又递交了名称为：“一种复合驱动技术的数控激光切割机”、申请号“201110125783.2”的专利申请。采用了更为轻巧的线性驱动机构，通过连杆驱动激光切割头运动。该技术方案的优势突出，但申请人研发团队中有技术人员认为还具有进一步简化结构、简化控制编程的研发空间。于是申请人又提出了“一种二维激光切割机”，申请号：“201110396779.X”的专利申请，激光切割头通过局部运动机构活动连接在所述横梁侧面的Y向导轨上；局部运动机构可灵活的沿Z轴和绕Z轴旋转方向运动，它和Y向运动复合，实现，局部高速切割功能的激光切割机的切割头在中小范围内驱动机构的改进。但是该机构只局限于应用于二维激光切割机的应用，不能应用于三维激光切割机，且在切割范围和精度上、效率上都没有更好的提高。

发明内容

    本发明针对以上问题，提供了一种结构更加简化，在三维运动的基础上，同时实现小范围运动，大大提高切割精度和切割效率的具有四轴联动次级激光头驱动装置的三维激光切割机。

  本发明的技术方案是：包括控制器、机座、横梁、工作台、Y向运动座、Z向运动座、激光切割头和激光发生器；还包括四轴联动次级激光头驱动装置；所述四轴联动次级激光头驱动装置包括a轴运动装置和可绕a轴运动装置转动的c轴运动装置；

所述a轴运动装置包括基座、筒座一、双向空心螺旋轴一、反射镜组一、丝母一A、丝母一B、驱动电机一A和驱动电机一B；

所述双向空心螺旋轴一的两端分别设有旋向相反的两节螺纹，即螺纹段A和螺纹段B；

所述丝母一A和丝母一B分别活动设置在所述筒座一内，仅保留各自的旋转自由度；所述丝母一A的内螺纹与所述螺纹段A相适配，所述丝母一B的内螺纹与螺纹段B相适配；驱动电机一A和驱动电机一B分别驱动丝母一和丝母二运动；

所述反射镜组一固定连接在所述双向空心螺旋轴一的底端，所述反射镜组一的侧端可相对转动的连接在C轴运动装置的一端；

所述筒座一的顶端固定连接在所述基座的底面，所述基座的侧边固定连接在所述Z向运动座的底部侧面上；

所述c轴运动装置包括筒座二、双向空心螺旋轴二、反射镜组二、丝母二A、丝母二B、驱动电机二A和驱动电机二B；

所述双向空心螺旋轴二的两端分别设有旋向相反的两节螺纹，即螺纹段C和螺纹段D；

所述丝母二A和丝母二B分别活动设置在所述筒座二内，仅保留各自的旋转自由度；所述丝母二A的内螺纹与所述螺纹段C相适配，所述丝母二B的内螺纹与螺纹段D相适配；驱动电机二A和驱动电机二B分别驱动丝母二A和丝母二B运动；

所述反射镜组二侧端固定连接在所述双向空心螺旋轴二的另一端；所述激光切割头固定连接在反射镜组二的底端。

所述的筒座一还包括套筒一和套筒二，所述套筒一与套筒二为可相对伸缩的活动连接；所述丝母一A设在所述套筒一内，所述丝母一B设在所述套筒二内，使得丝母一A和丝母一B之间的距离可调；

所述的筒座二还包括套筒三和套筒四，所述套筒三与套筒四为可相对伸缩的活动连接，所述丝母二A设在所述套筒三内，所述丝母二B设在所述套筒四内，使得丝母二A和丝母二B之间的距离可调。

所述a轴运动装置与所述c轴运动装置相互呈90度角；所述激光切割头与所述a轴运动装置平行。

本发明在现有技术的基础上，创新性地提出了一种适应数字化控制的新型三维小范围局部驱动机构，在Z向运动座的底部设置了四轴联动次级激光头驱动装置（即一对丝母驱动具有正反螺纹双头丝杆进行运动），使得双向空心螺旋轴一在丝母一A和丝母一B的驱动下相对于筒座一做轴向直线往复运动和/或旋转运动；使得双向空心螺旋轴二在丝母二A和丝母二B的驱动下相对于筒座二做轴向直线往复运动和/或旋转运动；

当a轴运动装置中的一对丝母同向等速转动时，双向空心螺旋轴一作同向的转动，实现旋转运动，从而带动c轴运动装置在XY平面内转动，c轴可实现为xy平面内360°中的任一角度；

当c轴运动装置中的一对丝母作同向等速转动时，双向空心螺旋轴二作同向的转动，从而带动激光切割头绕着c轴方向转动，实现XYZ平面内的转动，当c轴运动装置的一对丝母反向等速转动时，双向空心螺旋轴二绕c轴（垂直YZ向）作小范围内的转动，实现在c轴方向的横向运动。

a轴的z向运动或者XY平面内转动，再加上c轴的横向动动，以及绕c轴的XYZ平面内的旋转，实现小范围的三维运动。综上所述，当c轴运动装置与a轴运动装置配合运动时，就可以实现激光切割头的三维运动。

为了进一步适应切割头的微量、微距动作，本发明中双向空心螺旋轴上一对丝母之间的间距可调。

本发明结构精巧，在数字化控制应用中，编程简单，运动轨迹定位精度高，切割轨迹失真率低，提高了控制精度。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图，

图2 是本发明中四轴联动次级激光头驱动装置剖视图；

图中1是机座，10是工作台，11是横梁，12是Y向运动座，13是Z向运动座，

3是四轴联动次级激光头驱动装置，30是a轴运动装置，301是套筒一，302是套筒二，303是套筒三，304是套筒四，32是反射镜组一，321是镜座一，322是镜片一，33是反射镜组二，331是镜座二，332是镜片二，333是转接件，34是c轴运动装置，36是筒座一，37是筒座二，38是基座，

4是激光切割头，

6是双向空心螺旋轴一，61是螺纹段A，62是螺纹段B，63是螺纹段C，64是螺纹段D，

71是丝母一A，72是丝母一B，73是丝母二A，74是丝母二B，

8是双向空心螺旋轴二。

具体实施方式

本发明如图1-2所示，包括控制器、机座1、横梁11、工作台10、Y向运动座12、Z向运动座13、激光切割头4和激光发生器；还包括四轴联动次级激光头驱动装置3；所述四轴联动次级激光头驱动装置3包括a轴运动装置30和可绕a轴运动装置30转动的c轴运动装置34；

所述a轴运动装置30包括基座38、筒座一36、双向空心螺旋轴一6、反射镜组一32、丝母一A71、丝母一B72、驱动电机一A和驱动电机一B；

所述双向空心螺旋轴一6的两端分别设有旋向相反的两节螺纹，即螺纹段A61和螺纹段B62；

所述丝母一A71和丝母一B72分别活动设置在所述筒座一36内，仅保留各自的旋转自由度；所述丝母一A71的内螺纹与所述螺纹段A61相适配，所述丝母一B72的内螺纹与螺纹段B62相适配；驱动电机一A和驱动电机一B分别驱动丝母一71和丝母二72运动；驱动电机一A和驱动电机一B分别连接控制器，控制器控制电机加速运动。

所述反射镜组一32固定连接在所述双向空心螺旋轴一6的底端，所述反射镜组一32的侧端可相对转动的连接在C轴运动装置的一端；

所述筒座一36的顶端固定连接在所述基座38的底面，所述基座38的侧边固定连接在所述Z向运动座13的底部侧面上；

所述c轴运动装置34包括筒座二37、双向空心螺旋轴二8、反射镜组二33、丝母二A73、丝母二B74、驱动电机二A、驱动电机二B， 

所述双向空心螺旋轴二8的两端分别设有旋向相反的两节螺纹，即螺纹段C63和螺纹段D62；

所述丝母二A73和丝母二B74分别活动设置在所述筒座二37内，仅保留各自的旋转自由度；所述丝母二A73的内螺纹与所述螺纹段C63相适配，所述丝母二B74的内螺纹与螺纹段D64相适配；驱动电机二A和驱动电机二B分别驱动丝母二A73和丝母二B74运动，驱动电机二A和驱动电机二B分别连接控制器，控制器控制电机加速运动。

所述反射镜组二33侧端固定连接在所述双向空心螺旋轴二8的底端；所述激光切割头4固定连接在反射镜组二33的底端；反射镜组二33通过双向空心螺旋轴二8与所述反射镜组一32相连；

鉴于激光切割机的光路一般平行于Z向运动座13进入激光切割头运动部件，因此可以直接将激光发生器放置在Z向运动座13上。激光发生器通过Z向运动座13上的孔直接进入双向空心螺旋轴一6再经反射镜组一32进入双向空心螺旋轴二8，经反射镜组二33进入激光切割头。所述反射镜组一32包括镜座一321和镜片一322，反射镜组二33包括镜座二331、转接件333和镜片二332；所述镜片一322和镜片二332分别固定于镜座一321和镜座二331；激光切割头4固定于镜座二331底部的转接件333上。

所述a轴运动装置30与所述c轴运动装置34相互呈90度角；所述激光切割头4与所述a轴运动装置30平行。这样的控制函数简单，便于计算激光切割头的运动轨迹，同时实现激光切割头的有效定位。

所述的筒座一36还包括套筒一301和套筒二302，所述套筒一301与套筒二302为可相对伸缩的活动连接；所述丝母一A71设在所述套筒一301内，所述丝母一B72设在所述套筒二302内，使得丝母一A71和丝母一B72之间的距离可调；便于调节行程。

所述的筒座二37还包括套筒三303和套筒四304，所述套筒三303与套筒四304为可相对伸缩的活动连接；所述丝母二A73设在所述套筒三303内，所述丝母二B74设在所述套筒四304内，使得丝母二A73和丝母二B74之间的距离可调；便于调节行程。

所述套筒三303和套筒一301的端部有螺纹，所述套筒四304和套筒二302的端部分别套接于套筒三303和套筒一301的端部上。当套筒四304和套筒二302相对于套筒三303和套筒一301做旋转运动时，套筒三303和套筒二302分别与套筒四304和套筒一301的距离产生变化，所述双向空心螺旋轴二8和/或双向空心螺旋轴一6的运动行程变短或变长；从而起到微调次级激光驱动装置的A向和C向运动行程的目的。

基于以上设计，本发明的另一种改进方案是，还包括微调螺帽一和微调螺帽二，所述套筒一301与套筒二302通过弹簧相连接，所述套筒三303与套筒四304通过弹簧相连接，在所述套筒一301或套筒二302的套筒外壁上有外螺纹，所述微调螺帽一套于所述套筒一301或套筒二302的外壁上。在所述套筒三303或套筒四304的套筒外壁上有外螺纹，所述微调螺帽二套于所述套筒三303或套筒四304的外壁上。当旋动微调螺帽一和微调螺帽二时，套筒一301与套筒二302之间的距离发生改变，套筒三303与套筒四304之间的距离发生改变，即可实现双向空心螺旋轴二8和/或双向空心螺旋轴一6的运动行程变短或变长。

本发明增加了双向空心螺旋轴向运动的自由度，可以实现更大范围的切割运动，提高切割机的使用范围。此外，通过电机进行加速运转，可以提高运转效率。由于加速度的存在，激光切割头在加工表面的停留时间短，不会照成表面烧伤。提高加工精度。