以切入点为中心的水切割头姿态控制机构

摘要

一种以切入点为中心的水切割头姿态控制机构，包括空心主轴（7）和斜轴（27），其特征是所述的空心主轴（7）通过轴承安装在轴套（4）中，空心主轴（7）上设有被动齿轮（11），被动齿轮（11）与主动齿轮（17）相啮合；所述的斜轴（27）安装在支架（10）上，所述的支架（10）与空心主轴（7）相连并同步转动，斜轴（27）也安装在支架（10）上，所述的斜轴（27）连接有夹板（21），所述的夹板（21）上安装有水切割头（25），所述的水切割头（25）的切割点位于空心主轴（7）与斜轴（27）轴心线的相交点上。本发明不仅精度高，而且具有自锁功能，体积小，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水切割设备，尤其是一种五轴控制的水切割设备中的控制切割头回转和偏摆的传动装置，具体地说是一种以切入点为中心的水切割头姿态控制机构。

背景技术

    众所周知，水刀设备在进行切割时，1)有时需要得到理想的垂直切割面，2)有时为了便于金属板材的焊接连接，必须对断面进行坡口加工，3)切割圆锥体，4）切割圆锥齿轮或凸轮，5）切割等转角的旋转曲面，而要达到这五个目的，必须对水刀刀头进行偏摆。目前常用的方法有手动调整和通过偏摆机构进行调整二种方式，手动调整只能适合于直线形切割面，而且调整的难度较大，效率低，操作强度大，必须停机才能进行，因此，目前使用最为广泛的是利用五轴联动数控技术的机动偏摆机构，五轴联动即刀头的前后、左右、上下、回转、偏摆五个方向的运动，当加工曲线时，还必须进行法向面的第五个联动（即回转进行补偿，为此人们设计了各种各样的真五轴和准五轴联动机构，如申请号为2007100246868的中国专利公开了以切入点为偏摆中心的偏刀机构，这种结构的五轴联动机构存在的问题是圆形导轨精度很难控制，而且在运动过程中复位难，重复性较差，因此加工精度不高，而中国专利200910183362.8的公开的具有回转和偏摆功能的五轴控制水切割头运动控制机构由于回转和偏摆时切入点发生改变，存在编程软件复杂，它利用同步皮带来控制回转轴和偏摆轴的运行，不仅体积大，控制精度不高，而且回转时存在电缆线、气管等的缠绕问题，而且由于重量很大，因此对于机床的刚度要求很高。为了减少回转和偏摆机构的体积，人们普遍采用空心电机来直接驱动回转和偏摆机构，系统力矩小、精度低，形成的切割误差大，在实际运用中存在很多的问题，且空心电机制造成本高，运行过程中不能实现自锁，需要增设抱刹装置，在很大程度上限制了五轴联动水切割设备的推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的五轴控制的水切割设备的回转和偏摆机构复杂或成本高的问题，设计一种结构简单，有自锁能力，成本低、控制精度高和控制方便的以切入点为中心的水切割头姿态控制机构。

本发明的技术方案是：

一种以切入点为中心的水切割头姿态控制机构，包括空心主轴7和斜轴27，其特征是所述的空心主轴7通过轴承安装在轴套4中，轴套4固定在支架座5上，支架座5与Z轴挂板1相连，空心主轴7上安装或加工有被动齿轮11，被动齿轮11与安装在支架座5中的主动齿轮17相啮合，主动齿轮17与被动齿轮11的轴心线空间投影相交；所述的斜轴27安装在支架10上，所述的支架10与空心主轴7相连并同步转动，斜轴27连接有驱动其自转的驱动机构，斜轴27的下端连接有能随其转动的夹板21，所述的夹板21上安装有水切割头25，所述的水切割头25的切割点位于空心主轴7与斜轴27轴心线的相交点上；高压水管26的一端通过旋转接头23与高压水发生器相连，另一端穿过空心主轴7与安装在斜轴27中的第二旋转接头22的进水端相连，第二旋转接头22的出水端通过高压连接管28与水切割头25相连。

所述的空心主轴7与斜轴27轴心线的夹角为45度。

所述的被动齿轮11为蜗轮或锥齿轮，相应地所述的主动齿轮17为蜗杆或锥齿轮，所述的主动齿轮17由电机直接或通过变速机构驱动；所述的蜗轮蜗杆的轴线空间投影相交，所述的锥齿轮副的轴线也空间投影相交。

所述的夹板21通过导压板20与斜轴27相连。

本发明的有益效果：

本发明采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆作为回转和偏摆传动机构，不仅精度高，而且具有自锁功能，蜗杆可采用普通伺服或步进电机进行驱动，不仅体积小，而且成本低。

本发明首次在偏摆支架上使用了全新设计的旋转接头使高压水直接能引入切割头中，高压水管不会受到运动干涉，无需在偏摆头上缠绕弹性高压水管，不仅降低了偏摆机构的重量，而且减少了高压水因管路过长造成的压降。

本发明通过综合使用空心轴来代替空心电机，并使用具有自锁功能的传动机构，不仅减少了回转和偏摆机构的体积，而且提高了运动精度，有利于提高水切割设备的控制精度，降低制造成本。

本发明可用于各种复杂型面的加工，由于在回转与偏摆时切入点不变，因此编程和控制电路更为简单，更易于实现。

附图说明

图1是本发明的回转和偏摆轴的结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

    图中1-Z轴挂板，2-旋转接头支架，3-大调整盖，4-轴承套，5-机座，6-轴承，7-空心主轴，8-密封圈，9-C轴定位板，10-支架，11-蜗轮，12-传感器固定架，14-小调整盖，15-轴承盖，16-轴承，17-蜗杆，18-密封圈，19-联轴器，20-导压板，21-夹板，22-旋转接头，23-旋转接头，24-高压水开关阀，25-切割头，26-高压水管，27-斜轴， 28-高压连接管。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-3所示。

一种以切入点为中心的水切割头姿态控制机构，包括空心主轴7和斜轴27（最好是空心斜轴）以及带动切割头作水平移动的X、Y轴以及带动切割头作上下移动的Z轴，其中的X、Y、Z三个方向的控制机构与现有技术完全相同，本发明的关键是空心主轴7和斜轴27的驱动控制结构，所述的空心主轴7与斜轴27轴心线的夹角为45度，具体实施时两者的夹角也可根据需要在20-80度之间选择，但以45度为最佳，夹角为45度时各种数学关系和空间几何关系最为简单。所述的空心主轴7通过轴承安装在轴套4中，轴套4固定在支架座5上，支架座5与Z轴挂板1相连，空心主轴7上安装或加工有被动齿轮11，被动齿轮11与安装在支架座5中的主动齿轮17相啮合，主动齿轮17与被动齿轮11的轴心线空间投影相交（正交或非正交，图1中为正交结构），具体实施时，被动齿轮11可为蜗轮或锥齿轮，相应地所述的主动齿轮17应为蜗杆或锥齿轮，下面以蜗轮蜗杆为例加以说明，所述的主动齿轮17由电机直接或通过变速机构驱动；所述的蜗轮蜗杆的轴线空间相交（可为正交或非正交），并且能够实现运动的自锁，传动误差小，如图1所示。所述的斜轴27通过支架10与空心主轴8相连并同步转动，斜轴27连接有夹板21，所述的夹板21上安装有水切割头25，具体实施时，所述的夹板21还可通过导压板20与斜轴27相连（如图1，2所示）。所述的水切割头25的切割点位于空心主轴7与斜轴27轴心线的相交点上；高压水管26的一端通过旋转接头23与高压水发生器相连，旋转接头23通过旋转接头支架2安装在Z轴挂板上，回转用的旋转接头23可采用现有的旋转接头，也可采用申请人在先申请的相关旋转接头加以实现，高压水管26的另一端穿过空心主轴7与安装在斜轴27中的第二旋转接头22的进水端相连，第二旋转接头22的出水端通过高压连接管28与水切割头25相连。如图1所示。

本发明的工作原理是：

如果需要回转，则控制系统驱动电机转动，电机带动回转蜗杆17转动，回转蜗杆带动蜗轮11转动，蜗轮11带动空心主轴7转动所需的角度以实现曲线或曲面的切割。当需要进行偏摆时，驱动机构（可采用现有类似驱动机构或与空心主轴7类似的驱动机构加以实现）带动斜轴27转动至设定的角度，使切割头发生偏摆，实现斜面或曲线切割，当五轴联动时即可加工出类似叶片之类的复杂型面。由图1可看出，不论回转和偏摆机构如何运动，其切入点的位置不变，且空心主轴与斜轴的夹角终始为45度。由于采用了斜置的旋转接头22，高压水管从空心主轴中穿过后直接进入斜置第二旋转接头22中，再从导压板20上引出，用与夹板21长度相当的高压水管即可将高压水引入切割头中，由于空心主轴的尺寸较大，因此控制用的电源线以及送砂管等辅助管路和线路均可直接通过空心主轴进入到相应的位置处。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。