具有中空轴结构的双摆头及激光切割机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光切割技术，尤其涉及三维多轴数控激光切割技术，更具体来说是 一种具有中空轴结构的双摆头及激光切割机。
【背景技术】
[0002] 激光切割技术具有切割尺寸精度高、切口无毛刺、切缝不变形、切割速度快且不受 加工形状限制等特点，目前已越来越多地应用于机械加工领域。三维激光切割更是以其先 进、灵活、快速的特点，在航空航天、汽车工业等领域中得到了广泛的应用。使用三维激光切 割技术，不仅可以节省样板及工装设备，还可以大大缩短生产准备周期。
[0003] 为了保证切割质量，三维激光切割机应满足以下要求：其一，是激光束始终和被切 割工件的切割曲线保持垂直；其二，是激光束焦点和工件表面的相对位置保持不变，即割嘴 和工件表面的距离始终保持一致；其三，是简单快捷地反映三维曲线的特征并将其转换为 激光切割数据。这不仅是三维激光切割设计必须解决的重要问题，也是三维激光切割技术 在实际应用中最复杂的一步。
[0004] 三维激光切割机一般采用飞行光路设计，即加工过程中工件不动，靠激光切割头 运动来完成。典型的激光切割头是三维五轴联动的，各轴之间的关系如图1所示：激光切割 头除相对于工件坐标系Χ、γ、ζ轴快速相对运动外，还有C轴摆臂的旋转、B轴摆头的摆动及 激光切割头的法向（Α轴）随动。当旋转C轴或B轴时，割嘴中心点在工件坐标系的坐标应 保持不变，即：割嘴中心不动，激光切割头围绕割嘴中心运动；移动割嘴中心时，激光切割 头才可以相应进行运动。由于激光切割头涉及多种运动，其运动控制较为复杂，需要采用十 分复杂的算法才可以满足要求。
[0005] 参见图2,为一种现有激光切割机的结构示意图。该激光切割机具有安装于双摆头 上的激光切割头，其包括C轴电机01、C轴镜座02、配重体03、B轴电机04、B轴镜座05、防 碰撞装置06和切割头07等部件：C轴电机01和B轴电机04均为DD电机（Direct Driver， 直接驱动电机），其中C轴电机01用于驱动C轴旋转，B轴电机04用于驱动B轴摆动；配 重体03用于平衡切割头07在B轴的偏转力矩。通过C轴的旋转及B轴的摆动，切割头07 可以加工0-45度范围的各种单边V型和I型坡口。该激光切割头装置存在明显的缺陷：例 如，旋转C轴时，B轴会联动，使得切割头07的割嘴方位发生移动，重新找准十分困难，由此 影响切割效率与切割质量；再如，调整切割头07割嘴与工件之间的距离时需要整体移动C 轴与B轴，因质量大，导致切割头07随动响应慢、效率低；又如，C轴电机01和B轴电机04 需要采用中空电机，其价格较高。
[0006] 目前，已有产品对此进行了改进，其采用了没有耦合运动的双摆头结构来调整激 光切割头的位置，使得C轴旋转与B轴摆头可以独立地进行控制。但这种无耦合运动的双 摆头存在一定的问题；一方面，整个激光切割机的运动控制及刀具路径规划实现起来较为 困难；另一方面，要求使用中空电机、中空减速机及编码器，否则难以实现中空轴结构，由于 定制这些中空部件的价格很高，不利于降低生产成本。
[0007] 有鉴于此，有必要研发一种新型的具有中空轴的双摆头结构，以更好地满足三维 激光切割机总体设计的要求。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例的目的在于提供一种价格低、适应性强， 并且便于实现运动控制及刀具规划的具有中空旋转轴的双摆头及激光切割机。
[0009] 为解决以上技术问题，本发明实施例提供一种具有中空旋转轴的双摆头，包括可 绕第一方向旋转的C轴摆臂和可绕第二方向旋转的B轴摆头，C轴摆臂的C轴输入轴连接 至C轴驱动电机的C轴减速机，B轴摆头的B轴输入轴连接至B轴驱动电机的B轴减速机， B轴输入轴通过若干级B轴传动轴连接至B轴摆头，各级B轴传动轴安装于C轴摆臂，其特 征在于，C轴输入轴、B轴输入轴及各级B轴传动轴均设有轴向空腔，且B轴输入轴套装于C 轴输入轴；C轴减速机安装有C轴驱动齿轮，C轴驱动齿轮与安装于C轴输入轴的C轴输入 齿轮啮合；B轴减速机同轴安装有B轴驱动齿轮和B轴解耦齿轮，B轴驱动齿轮与安装于B 轴输入轴的B轴输入齿轮啮合，B轴解耦齿轮与C轴输入齿轮啮合；并且，B轴解耦齿轮和B 轴驱动齿轮成差动式安装，以便将B轴解耦齿轮传递的C轴输入齿轮的转速与B轴驱动齿 轮传递的B轴输入齿轮的转速进行抵消。
[0010] 优选地，B轴减速机为差动谐波减速机，差动谐波减速机的波发生器连接B轴驱动 电机，差动谐波减速机的柔轮固定，差动谐波减速机的第一刚轮固连有B轴驱动齿轮，差动 谐波减速机的第二刚轮固连有B轴解耦齿轮。
[0011] 优选地，C轴减速机为谐波减速机，谐波减速机的波发生器连接C轴驱动电机，谐 波减速机的柔轮固定，谐波减速机的刚轮固连有C轴驱动齿轮。
[0012] 优选地，B轴输入轴与首级B轴传动轴之间、相邻的各级B轴传动轴之间通过螺旋 锥齿轮副啮合。
[0013] 优选地，C轴摆臂具有中空腔体，各级B轴传动轴安装于C轴摆臂的中空腔体内。
[0014] 优选地，双摆头包括齿轮箱，C轴输入轴和B轴输入轴支撑于齿轮箱的箱体，C轴减 速机及安装于C轴减速机的C轴驱动齿轮、B轴减速机及安装于B轴减速机的B轴驱动齿 轮和B轴解耦齿轮、C轴输入齿轮及B轴输入齿轮均安装于齿轮箱的箱体内，C轴驱动电机 通过C轴驱动电机支撑座、B轴驱动电机通过B轴驱动电机支撑座安装于齿轮箱的顶盖。
[0015] 在此基础上，本发明实施例还提供一种激光切割机，其具有上述的双摆头，其中： B轴摆头设置有激光切割头；B轴输入轴连通激光传导管；B轴输入轴与首级B轴传动轴之 间、相邻的各级B轴传动轴之间、末级B轴传动轴与B轴摆头之间的交会位置分别设置有激 光反射镜，以便激光束可以传输至激光切割头的割嘴。
[0016] 优选地，激光切割机包括切割头随动调高装置，通过检测激光切割头的割嘴与工 件之间的距离，并生成相应控制指令来驱动激光切割头移动。
[0017] 优选地，切割头随动调高装置包括电容传感器，电容传感器设置于激光切割头的 割嘴底端，以便来检测并输出激光切割头的割嘴与工件之间的距离信号。
[0018] 优选地，切割头随动调高装置包括音圈电机，激光切割头固连于音圈电机，音圈电 机通过导轨滑块安装于B轴摆头的安装壳体导轨，以便驱动激光切割头沿安装壳体导轨运 动。
[0019] 与现有技术相比，本发明实施例中双摆头中的B轴输入轴和各级B轴传动轴为中 空结构，且C轴输入轴与B轴输入轴同轴安装，这便于规划刀具路径。当C轴摆臂转动时， B轴摆头上的激光头割嘴中心位置保持不变，这便于控制激光切割头的运动，有利于保证切 割的质量。
[0020] 本发明实施例采用普通电机就可以实现上述中空轴结构：设置有B轴解耦齿轮， 其与B轴驱动齿轮之间成差动式安装，当C轴转动时，B轴输入齿轮传递至B轴驱动齿轮的 转速与C轴输入齿轮传递至B轴解耦齿轮的转速抵消，由此对C轴转动导致的B轴跟随运 动进行解耦，使得B轴驱动电机不受两轴之间耦合运动的影响。这样，本发明实施例仅仅通 过一个差动式安装的解耦齿轮就可以对C轴和B轴之间的耦合运动进行解耦，相比于通过 电气控制方式进行解耦的方案而言，其构思更为巧妙，结构更为紧凑。
[0021] 基于本发明实施例的上述差动解耦方式，容易得到具有中空轴结构的双摆头。将 这种具有中空轴结构的双摆头应用于激光切割机时，至少可以取得以下方面的有益技术效 果：
[0022] 1、易于实现运动控制和刀具路径规划。激光切割机采用点对点的结构，通过两个 旋转轴的运动可以灵活地调节刀具空间的法向矢量，而不会影响切割点的三维坐标，一方 面易于实现运动控制，另一方面也更易于规划刀具路径。
[0023] 2、适应性强。双摆头上的激光切割头运动方式比较灵活，可以快捷、精准地到达预 定位置，之后可以按照设定的方位、角度、距离来对工件表面进行切割，适应于多种工件形 式的加工。
[0024] 3、易于实现中空旋转轴多通道集成的结构。激光切割头所需要的电缆、气流、光等 均可以从中空结构通过，有助于优化部件布局，使得产品结构更为紧凑。
[0025] 4、价格低。采用普通电机即可驱动双摆头的两个旋转轴运动，并较好地消除了两 个旋转轴之间的耦合效应，因不需要采用特殊定制的电机、减速机及编码器等部件，器件价 格相抵较低，这有利于降低成本。
【附图说明】
[0026] 图1为三维五轴激光切割机的坐标轴示意图；
[0027] 图2为一种现有激光切割机的不意图；
[0028] 图3为本发明实施例激光切割机的结构示意图，其中示出具有中空轴结构的双摆 头及激光切割头跟随调高装置；
[0029] 图4为图3所示双摆头的三维图；
[0030] 图5为图3所示双摆头拆去C轴摆臂封板后的示意图；