专利名称：用于激光加工的z轴弹性定距随动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及非接触加工技术领域，具体地指一种用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统。
背景技术：
在非接触加工领域，如利用激光进行切割加工的过程中，激光束的聚焦点应位于被加工件表面。一旦出现离焦现象，即激光束的聚焦点相对被加工件表面发生偏移，将极大地损失激光加工功率密度，且其衰减曲线呈几何级数变化。因此，保证激光束的聚焦点位于被加工件表面，也就是使激光头相对被加工件表面的距离保持恒定是激光切割加工的关键技术。为了保证激光束的聚焦点位于被加工件表面，现有技术的Z轴随动系统以被加工件表面作为X-Y平面，以悬置于所述被加工件表面上方的激光头作为Z轴，在加工过程中， 激光头，也就是Z轴随着被加工件表面的起伏而作同步上升或下降动作，以确保激光头相对被加工件表面的距离保持恒定。目前，大功率高速激光切割机的Z轴随动系统大多采用非接触式电容传感器随动系统。该系统通过电容传感器的电容测量激光头相对被加工件表面的距离，产生距离信号， 距离信号经处理后反馈给执行电机，由执行电机控制激光头的上升或下降，实现其随动功能。非接触式电容传感器随动系统的不足之处在于由于受到被加工件表面切割路径的不规则以及电容传感器连接电路质量的影响，执行电机控制激光头相对被加工件表面的距离不够精确，存在激光头与被加工件碰撞的危险，甚至损坏激光头，造成重大经济损失。此外， 由于需要对电容传感器产生的距离信号进行处理，再根据经处理的距离信号控制激光头上升或下降，信号处理过程存在响应滞后效应，因此激光头的上升或下降会有一定的延时。再者，非接触式电容传感器随动系统只适用于被加工件为金属件的情况，对于非金属件的切割则无法实现测距功能。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统。其在激光加工过程中可使激光头相对工件表面的距离保持恒定，从而保证激光束的聚焦点位于工件表面。为实现上述目的，本发明所设计的用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，包括激光加工设备的激光头、以及驱动所述激光头作垂直升降运动的Z轴执行机构。所述Z轴执行机构的执行端连接有支架，所述支架上设置有垂直布置的固定导套、上限位开关和下限位开关；所述固定导套的内腔中设置有滑动导套，所述滑动导套的下端延伸出固定导套之外，所述固定导套的下端设置有与滑动导套上端凸缘抵接配合的防脱盖。所述滑动导套的下端设置有连接法兰，所述连接法兰与防脱盖之间的滑动导套外周套装有复位弹簧。所述连接法兰上设置有上限位杆和下限位杆，所述上限位杆的触碰端与所述上限位开关的位置对应，所述下限位杆的触碰端与所述下限位开关的位置对应。所述激光头固定安装在所述连接法兰的下方且对准被加工件，所述连接法兰的下方还固定设置有至少一个可在被加工件表面移动的万向滚动球头，所述激光头的出光口与所述万向滚动球头的下端点之间保持有恒定的垂直间距，从而使激光头所发射的激光束始终聚焦到被加工件表面。进一步地，所述Z轴执行机构包括固定机架，所述固定机架上设置有与驱动电机相连的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上设置与其移动配合的滚珠螺母，所述滚珠螺母与支架相连。再进一步地，所述支架为L型支架，所述L型支架的垂直面通过连接件与所述滚珠螺母固定连接，所述L型支架的水平面与所述固定导套固定连接。更进一步地，所述连接法兰上至少设置有一根垂直布置的导向杆，所述固定导套上设置有与所述导向杆滑动配合的导向孔，保证激光头在垂直方向上下弹性浮动时不晃动。更进一步地，所述万向滚动球头的设置数量为2 4个，优选数量为3个，均勻布置在以所述激光头为圆心的圆周上，这样，可确保其与被加工件表面稳定可靠地接触。本发明的优点在于所设计的万向滚动球头在加工过程中始终与被加工件抵接， 所设计的滑动导套可在固定导套中自由滑动，通过设置在连接法兰和防脱盖之间的复位弹簧的复位作用，能在规定范围内实现激光头的弹性浮动，一旦超过规定范围即通过限位开关控制驱动电机实现激光头的快速升降。由于激光头的出光口与所述万向滚动球头的下端点之间保持有恒定的垂直间距，既可避免激光头在加工过程中撞击被加工件而损坏，又可保证激光束的聚焦点始终准确地聚集在被加工件的表面。并且，本发明无需电容传感器等电器元件，无需对控制信号进行处理，定距过程中避免了响应滞后效应。此外，定距精度不受连接电路质量的影响，可避免激光头因电路问题发生误碰撞。同时，本发明加工的工件材料不受限制，适于各种金属材料以及非金属材料加工，应用范围广泛。
图1为一种用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统的主视结构示意图。图2为图1的左视结构示意图。图3为图1的A-A剖视结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。如图1至图3所示，本发明用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，包括激光加工设备的激光头2、以及驱动激光头2作垂直升降运动的Z轴执行机构12。Z轴执行机构12 包括固定机架12d，固定机架12d上设置有与驱动电机1 相连的滚珠丝杠12b，滚珠丝杠 12b上设置与其移动配合的滚珠螺母12c，滚珠螺母12c与支架11相连。驱动电机1 可选用伺服电机或步进电机。支架11为L型支架，其垂直面通过连接件与滚珠螺母12c固定连接，其水平面中部安装固定垂直布置的固定导套10。支架11上左、右两侧分别设置有上限位开关9和下限位开关15。固定导套10的内腔中设置有滑动导套6，滑动导套6与固定导套10之间也可以设置直线轴承。滑动导套6的下端延伸出固定导套10之外，固定导套10的下端设置有与滑动导套6上端凸缘抵接配合的防脱盖8，可防止滑动导套6从固定导套10中滑落。滑动导套6的下端通过螺钉刚性联接有连接法兰3，连接法兰3与防脱盖8之间的滑动导套6外周套装有复位弹簧5。连接法兰3上设置有触碰端与上限位开关9的位置相对应的上限位杆4 ；连接法兰3上还设置有触碰端与下限位开关15的位置相对应的下限位杆14。激光头2通过螺纹结构固定安装在连接法兰3的下方且对准被加工件13，连接法兰3的下方还通过螺栓组件刚性联接有可在被加工件13表面移动的万向滚动球头1。万向滚动球头1的设置数量为3个，均勻布置在以激光头2为圆心的圆周上。激光头2的出光口与所述万向滚动球头1的下端点Ia之间保持恒定的垂直间距δ，垂直间距δ的数值大小可以根据激光设备的工作参数和被加工件13的具体情况调整，例如等于激光束的焦距， 从而使激光头2所发射的激光束始终聚焦到被加工件13表面。为了保证激光头2在垂直方向上下弹性浮动时不晃动，连接法兰3上设置有一根垂直布置的导向杆7，固定导套10上设置有与导向杆7滑动配合的导向孔10a。激光加工过程中，导向杆7始终在导向孔IOa中滑动配合。本发明的工作原理如下在激光加工过程中，万向滚动球头1的下端顶点Ia在复位弹簧5的弹性预压力下始终与工件13保持接触，万向滚动球头1以及与其刚性联接的连接法兰3、活动导套6随工件13表面的高低起伏在规定的弹性范围内依固定导套10上下移动。由于激光头2出光口至万向滚动球头1下端顶点Ia的垂直距离δ恒定，可使激光头2不碰撞被加工件13，且激光束的聚焦点始终准确地聚集在被加工件13的表面，实现弹性定距随动功能。上限位开关9和下限位开关15分别检测上限位杆4和下限位杆14的位置高度。 当被加工件13表面凸起致使上限位杆4与上限位开关9接触时，上限位开关9启动驱动电机12a，驱动滚珠丝杠12b和滚珠螺母12c，实现激光头2的快速上升，上升到规定位置时， 上限位开关9断开，驱动电机1 停止工作，本系统在新的位置重新实现弹性定距随动。当被加工件13表面凹陷致使下限位杆14与下限位开关15接触时，下限位开关15启动驱动电机12a，驱动滚珠丝杠12b和滚珠螺母12c，实现激光头2的快速下降，下降到规定位置时， 下限位开关15断开，驱动电机1 停止工作，本系统在新的位置重新实现弹性定距随动。在激光头2的快速上升或下降过程中，复位弹簧5进行相应的伸缩动作，保证万向滚动球头1的下端顶点Ia在复位弹簧5的弹性预压力下始终与被加工件13保持接触，以确保激光头2所发射的激光束始终聚焦在被加工件13的表面。
权利要求
1.一种用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，包括激光加工设备的激光头O)、以及驱动所述激光头( 作垂直升降运动的Z轴执行机构(12)，其特征在于所述Z轴执行机构(1 的执行端连接有支架(11)，所述支架(11)上设置有垂直布置的固定导套(10)、上限位开关(9)和下限位开关(15)；所述固定导套(10)的内腔中设置有滑动导套(6)，所述滑动导套(6)的下端延伸出固定导套(10)之外，所述固定导套(10)的下端设置有与滑动导套(6)上端凸缘抵接配合的防脱盖(8)；所述滑动导套(6)的下端设置有连接法兰(3)， 所述连接法兰(3)与防脱盖(8)之间的滑动导套(6)外周套装有复位弹簧(5)；所述连接法兰C3)上设置有上限位杆(4)和下限位杆(14)，所述上限位杆的触碰端与所述上限位开关(9)的位置对应，所述下限位杆(14)的触碰端与所述下限位开关(15)的位置对应； 所述激光头O)固定安装在所述连接法兰(3)的下方且对准被加工件(13)，所述连接法兰 (3)的下方还固定设置有至少一个可在被加工件(1 表面移动的万向滚动球头(1)，所述激光头O)的出光口与所述万向滚动球头(1)的下端点(Ia)之间保持有恒定的垂直间距 (S)，从而使激光头( 所发射的激光束始终聚焦到被加工件(1 表面。
2.根据权利要求1所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于所述Z轴执行机构(1 包括固定机架(12d)，所述固定机架(12d)上设置有与驱动电机(12a)相连的滚珠丝杠(12b)，所述滚珠丝杠(12b)上设置与其移动配合的滚珠螺母(12c)，所述滚珠螺母(12c)与支架(11)相连。
3.根据权利要求2所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于所述支架(11)为L型支架，所述L型支架的垂直面通过连接件与所述滚珠螺母(12c)固定连接， 所述L型支架的水平面与所述固定导套(10)固定连接。
4.根据权利要求1或2或3所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于 所述连接法兰C3)上至少设置有一根垂直布置的导向杆(7)，所述固定导套(10)上设置有与所述导向杆⑵滑动配合的导向孔(10a)。
5.根据权利要求1或2或3所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于 所述万向滚动球头(1)的设置数量为2 4个，均勻布置在以所述激光头( 为圆心的圆周上。
6.根据权利要求4所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于所述万向滚动球头(1)的设置数量为2 4个，均勻布置在以所述激光头O)为圆心的圆周上。
7.根据权利要求1或2或3所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于 所述万向滚动球头(1)的设置数量为3个，均勻布置在以所述激光头( 为圆心的圆周上。
8.根据权利要求4所述用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统，其特征在于所述万向滚动球头(1)的设置数量为3个，均勻布置在以所述激光头( 为圆心的圆周上。
全文摘要
本发明公开了一种用于激光加工的Z轴弹性定距随动系统。其Z轴执行机构连接有支架，支架上设有固定导套和上、下限位开关；固定导套中设有可向下伸出的滑动导套，固定导套的下端设有防脱盖，滑动导套的下端设有连接法兰，连接法兰与防脱盖之间装有复位弹簧；连接法兰上设有与上、下限位开关对应的上、下限位杆；激光头固定在连接法兰的下方且对准被加工件，连接法兰下方还固定有可在被加工件表面移动的万向滚动球头，激光头的出光口与万向滚动球头的下端点之间保持有恒定的垂直间距。其能在规定范围内实现激光头的弹性浮动，超过规定范围后通过限位开关控制驱动电机实现激光头快速升降，从而确保激光束始终聚焦到被加工件表面。
文档编号B23K26/08GK102179623SQ201110110108
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者卢治, 孟丽, 王晓辉, 石敏, 金彦, 陈和平, 陈晓泉 申请人:武汉工研光学科学技术有限责任公司