CN104741783A - 一种具有摆动功能的激光切割头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有摆动功能的激光切割头，其包括摆动组件和支撑并且给摆动组件提供驱动力的固定组件，摆动组件包括：第一连接件、设置在第一连接件内的可变曲率反射镜、固定于第一连接件下端的聚焦镜、设置于聚焦镜下端的电容传感器以及设置在电容传感器下端的喷嘴；固定组件包括第二连接件、连接到第二连接件上的支撑轴承、与支撑轴承连接的齿轮箱、以及与齿轮箱连接的伺服电机，齿轮箱连接摆动组件，齿轮箱将伺服电机输出的扭矩放大转换为驱动摆动组件摆动的回转运动。该切割头可以快速准确的完成激光切割过程中的切割头摆动偏角需要，同时具备较高的传动精度及传动刚性，使其在动作中时刻保持轨迹准确。

Description

一种具有摆动功能的激光切割头

技术领域

本发明属于激光切割领域，具体涉及一种具有摆动功能的激光切割头。

背景技术

激光切割作为一种已经比较成熟的加工工艺，大量应用于各种金属加工行业当中，凭借其柔性化程度高、加工效率高、综合成本低、精度高、热影响区小等优点成为不可或缺的一道工序。而随着其加工对象从二维平面向等截面型材甚至曲面冲压件的扩展，激光加工装备的关键部分切割头也经历开始细分为2D/2.5D/3D几种分类。

在现在激光切割领域中，常常使用摆动切割头，摆动切割头的关键点在于如何实现摆动功能，原始的做法是手动调整切割头的摆角，目前常用伺服电机控制切割头，伺服电机控制切割头主要有以下形式：一是使用2D切割头改装，二是使用直驱马达，三是使用伺服电机。

其中，使用2D切割头改装的形式，其为外光路设计，并且由于机械运动轴线和激光束轴线不同轴，零件集成度低，体积大，摆动的范围受到自身尺寸的限制，由于其回转轴线与质心偏移量很大，其运动的速度、精度、响应都比较差，属于最简易原始的一种摆动切割头，因为其性能较差趋于淘汰。

第二种和第三种主要是驱动方式的区别，目前直驱马达占据主流，直驱马达主要有无传动链、精度高、动作快的优点，但是它的缺点也很明显：1、直驱马达动态刚性低，动作的准确性很容易被负载的变化或者外力干扰，而影响切割；2、***阻尼比低，容易引起共振；3、发热较大，耗电高，对于激光切割头这种密封性要求很高的部件，散热智能靠热传动的方式，在高强度重载连续工作的情况下容易过热报警；4、售价非常昂贵，购买和维修的成本很高；5、不便于维修保养，直驱电机必须要使得激光从其中心孔穿孔，作为其位置反馈元件的编码器相应的必须选用大直径中空式的圆光栅，该元件价格昂贵，而且容易受损，而且该元件紧密地嵌入在切割头机械结构内部，更换时需要彻底拆解，不易维修更换。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种摆动式可调激光切割头方案，该切割头可以快速准确的完成激光切割过程中的切割头摆动偏角需要(行程可达±120°)，同时具备较高的传动精度及传动刚性，使其在动作中时刻保持轨迹准确，并且具备自动变焦功能，在穿孔和切割过程中可以实时改变焦点位置，无需手动调整。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有摆动功能的激光切割头，其包括摆动组件和支撑并且给所述摆动组件提供驱动力的固定组件，所述摆动组件包括：第一连接件、设置在所述第一连接件内的可变曲率反射镜、固定于所述第一连接件下端的聚焦镜、设置于所述聚焦镜下端的电容传感器以及设置在所述电容传感器下端的喷嘴，所述固定组件包括第二连接件、连接到所述第二连接件上的支撑轴承、与所述支撑轴承连接的齿轮箱、以及与所述齿轮箱连接的伺服电机，所述齿轮箱连接所述摆动组件，所述齿轮箱将所述伺服电机输出的扭矩放大转换为驱动所述摆动组件摆动的回转运动。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述齿轮箱与所述支撑轴承外圈固定，所述齿轮箱内部包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述伺服电机的输出轴连接，所述主动齿轮将所述伺服电机的扭矩传递给所述从动齿轮；所述从动齿轮包括两片齿轮，两片所述齿轮分别与所述支撑轴承的内圈连接。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述伺服电机为带抱闸功能的伺服电机。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述可变曲率反射镜通过气压调节装置调节输入气压来控制其曲率变化。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述第一连接件为等边直角三角形，通过等边直角三角形提供安装可变曲率反射镜的45°倾斜安装面，所述可变曲率反射镜设置在所述第一连接件的斜边侧。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，还包括平面反射镜，所述平面反射镜设置在所述第二连接件上。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述第二连接件为等边三角形，所述平面反射镜设置在所述第二连接件的直角三角形的斜边侧。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，还包括接口，所述接口设置在所述第二连接件的一直角边的端面，所述接口将激光切割头连接到激光切割机本体上。

本发明的有益效果是:

其一、该切割头可以快速准确的完成激光切割过程中的切割头摆动偏角需要(行程可达±120°)，同时具备较高的传动精度及传动刚性，使其在动作中时刻保持轨迹准确，并且具备自动变焦功能，在穿孔和切割过程中可以实时改变焦点位置，无需手动调整。

其二、本发明中的切割头可以配合管材切割机使用，其能够精确切割出同一平面的断面，其摆角精确可以参数化设定；其具备气动伺服调焦功能，切割不同材质厚度的工件时，仅需参数设定即可调整焦点位置，无需手动调整。

其三、本发明的切割头的整体传动刚性高，当做高加速度切割运动时，切割头自身能够准确可靠的维持其角度恒定。

其四、本发明的切割头的传动精度高，由于引入了消隙齿轮结构，消除了换向的运动间隙，实现了较高精度的摆角，重复定位精度可达±0.5°以上。

其五、本发明的切割头的成本低，因为整个***中没有昂贵的直驱电机和大直径圆光栅，因此制造和维修成本较使用直驱电机的方案明显降低；并且伺服电机与编码器均在机械结构***，维护保养简便，更换仅需拆解4颗螺钉。

其六、本发明的切割头的能耗低且无明显发热，切割头运动到设定位置后，其主要通过机械结构自身阻尼及伺服电机保持其位置，仅需励磁绕组维持很小电流即可，控制绕组中无电流。

其七、本发明的切割头的重量轻，由于采用2级减速，总减速比可达100:1，因此只需要很小的电机既可以产生足够的扭矩驱动并维持切割头的摆角，而传统的直驱电机若要达到相同扭矩，体积重量均要大出许多。

其八、本发明的切割头的安全性高，在急停或掉电的情况下，本发明的摆动切割头的位置能够因为其自身的机械阻尼和电机抱闸不依赖外部能量或指令进行自锁，不会发生切割头撞击工件的事故，故障排除后可以在停机位置开始继续加工，而使用直驱马达或其他不具备自锁功能传动方案的摆动切割头，在该种情况下切割头会立即失去动力，掉落至其重心最低位置。

其九、本发明的切割头的扭矩大，由于总减速比很大，可以使得其输出很高的转矩，可以驱动大尺寸长焦距的聚焦镜组件。而现有技术中采用直驱方案的摆动切割头，必须特别注意轻量化及配重平衡的问题，否则会严重影响其动态响应特性。

其十、本发明的切割头无震荡，现有技术中的切割头使用直驱马达驱动的摆动切割头在保持静止状态时，由于其自身阻尼很低，整体处于一种小幅度高频震荡的状态，很容易引起共振。而本发明的切割头由于自身阻尼及传动特性，无明显震荡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的结构示意图。

图2为图1中齿轮箱的端面结构示意图。

图3为实施例2纵截面的结构示意图。

其中，1-固定组件，11-接口，12-平面反射镜，13-支撑轴承，14-齿轮箱，141-主动齿轮，142-从动齿轮，15-伺服电机，16-第二连接件，2-摆动组件，21-第一连接件，22-可变曲率反射镜，23-聚焦镜，24-电容传感器，25-喷嘴，3-准直镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-2所示，本实施例中公开了一种具有摆动功能的激光切割头，其包括摆动组件2和固定组件1，上述固定组件1的作用主要是给摆动组件2提供支撑力并且并且给上述摆动组件2提供摆动的驱动力。

上述摆动组件2包括：第一连接件21、设置在上述第一连接件21内的可变曲率反射镜22、固定于上述第一连接件21下端的聚焦镜23、设置于上述聚焦镜23下端的电容传感器24以及设置在上述电容传感器24下端的喷嘴25。通过上述喷嘴25将切割头腔内的高压气体汇聚射出，在焦点周围形成加工所需要的气氛和压强。

上述第一连接件21侧面均为直角三角形，上述可变曲率反射镜23设置在上述第一连接件21的直角三角形的斜边侧，上述可变曲率反射镜23设置在上述第一连接件21的斜边侧。

在本实施例中，上述可变曲率反射镜23通过气压调节装置调节输入气压来控制其曲率变化，以实现焦点位置沿光轴快速移动。

上述固定组件1包括第二连接件16、连接到上述第二连接件16上的支撑轴承13、与上述支撑轴承13连接的齿轮箱14、以及与上述齿轮箱14连接的伺服电机15，上述齿轮箱14连接上述摆动组件2，上述齿轮箱14将上述伺服电机15输出的扭矩放大转换为驱动上述摆动组件2摆动的回转运动。

在本实施例中，上述伺服电机15为带抱闸功能的伺服电机。上述齿轮箱14与上述支撑轴承13外圈固定，上述齿轮箱14内部包括主动齿轮141和从动齿轮142，上述主动齿轮141与上述伺服电机15的输出轴连接，上述主动齿轮141将上述伺服电机15的扭矩传递给上述从动齿轮142；上述从动齿轮包括两片齿轮，两片齿轮分别与上述支撑轴承的内圈连接，在两片齿轮之间内嵌有压缩弹簧，通过压缩弹簧从正反两个方向分别与主动齿轮141啮合消除回转间隙，实现预紧功能。

上述第二连接件16也是直角三角形，其与第一连接件21形状相同，在第二连接件一个直角边的端面上设有接口11，通过上述接口将激光切割头连接到激光切割机本体上。上述平面反射镜的作用是将接口11处入射的激光偏转90°，反射至可变曲率反射镜22上。

本实施例中的具有摆动功能的激光切割头的工作原理：通过接口完成切割头与激光切割机整机本体的对接；平面反射镜将从接口入射的激光偏转90°反射至可变曲率反射镜上；支撑轴承完成切割头摆动过程中的所需要的旋转支撑；齿轮箱与支持轴承的外圈固定，其作用是将伺服电机输出的扭矩加以放大转换为驱动切割头自身摆动的回转运动，齿轮箱内包含主动齿轮与从动齿轮，主动齿轮的作用是将伺服电机扭矩传递给从动齿轮。从动齿轮分为两片齿轮，均与支持轴承的内圈连接，通过内嵌的压缩弹簧从正反两个方向分别与主动齿轮啮合消除回转间隙实现预紧。

可变曲率反射镜的作用是将入射光线再次偏转90°反射至聚焦镜上，同时通过改变所输入的气压的压力值控制其自身曲率，以实现焦点位置沿光轴的快速移动；聚焦镜的作用是将入射的激光汇聚在喷嘴附件的焦点位置；电容传感器的作用是在加工过程中，时刻保持喷嘴位置和工件表面相对距离的恒定；喷嘴的作用是将切割头腔内的高压气体汇聚射出，在焦点周围形成加工所需要的气氛和压强。

在摆动过程中，固定组件保持静止，摆动组件发生摆动运动，其有效的摆动角度可达到±120°。气压调节装置的作用是输入准确的气压来控制可变曲率反射镜的曲率。

实施例2

如图3所示，本实施例中提供了一种具有摆动功能的切割头，本实施例中的切割头的固定组件和摆动组件的基本结构与实施例1中相同，不同的是本实施例中的切割头主要使用1μm波长的激光束。

当使用1μm波长的激光束时，该装置可以使用光纤传导，可去掉实施例1中的接口和平面反射镜，在该装置中添加准直镜3，其余元件不变。准直镜的作用是，将光纤输出的成一定夹角的激光束转化为具有恒定直径的平行激光束。实施例2中的装置可以实现实施例1中完全相同的功能。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种具有摆动功能的激光切割头，其包括摆动组件和支撑并且给所述摆动组件提供驱动力的固定组件，所述摆动组件包括：第一连接件、设置在所述第一连接件内的可变曲率反射镜、固定于所述第一连接件下端的聚焦镜、设置于所述聚焦镜下端的电容传感器以及设置在所述电容传感器下端的喷嘴，其特征在于，所述固定组件包括第二连接件、连接到所述第二连接件上的支撑轴承、与所述支撑轴承连接的齿轮箱、以及与所述齿轮箱连接的伺服电机，所述齿轮箱连接所述摆动组件，所述齿轮箱将所述伺服电机输出的扭矩放大转换为驱动所述摆动组件摆动的回转运动。

2.根据权利要求1所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，所述齿轮箱与所述支撑轴承外圈固定，所述齿轮箱内部包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述伺服电机的输出轴连接，所述主动齿轮将所述伺服电机的扭矩传递给所述从动齿轮；所述从动齿轮包括两片齿轮，两片所述齿轮分别与所述支撑轴承的内圈连接，两片所述齿轮之间内嵌有弹簧，通过所述弹簧与所述主动齿轮啮合消除间隙实现预紧。

3.根据权利要求2所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，所述伺服电机为带抱闸功能的伺服电机。

4.根据权利要求1所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，所述可变曲率反射镜通过气压调节装置调节输入气压来控制其曲率变化。

5.根据权利要求1所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，所述第一连接件为等边直角三角形，通过等边直角三角形提供安装可变曲率反射镜的45°倾斜安装面，所述可变曲率反射镜设置在所述第一连接件的斜边侧。

6.根据权利要求5所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，还包括平面反射镜，所述平面反射镜设置在所述第二连接件上。

7.根据权利要求6所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，所述第二连接件为等边三角形，所述平面反射镜设置在所述第二连接件的直角三角形的斜边侧。

8.根据权利要求7所述的一种具有摆动功能的激光切割头，其特征在于，还包括接口，所述接口设置在所述第二连接件的一直角边的端面，所述接口将激光切割头连接到激光切割机本体上。