CN111215759B - 混合反射式三维联动激光切割头 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属激光切割技术领域，具体地说是一种混合反射式三维联动激光切割头。包括聚焦模块、防碰撞模块、随动模块、光学元件模块、光纤90°模块、摆动轴模块、旋转轴模块、垂直主轴模块及旋转拖链模块，其中防碰撞模块的上、下端分别与摆动轴模块和聚焦模块连接，摆动轴模块可驱动聚焦模块绕水平轴上下方向摆动，随动模块和光学元件模块设置于摆动轴模块内，随动模块与防碰撞模块连接，用于驱动聚焦模块沿竖直方向升降，光学元件模块与光纤线缆连接，用于光束的传输和转向，光纤90°模块为摆动轴模块与旋转轴模块之间的过渡连接模块，旋转轴模块通过垂直主轴模块与旋转拖链模块连接。本发明稳定性高，大大降低了调整及维修旋转光路的难度。

Description

混合反射式三维联动激光切割头

技术领域

本发明属于金属激光切割技术领域，具体地说是一种混合反射式三维联动激光切割头。

背景技术

目前三维激光切割机市场的发展趋势，主要有以下几点：

随着加工件复杂程度提升，平面激光切割机已无法满足部分行业的加工需求，三维激光切割机应运而生。三维激光切割机设备可对工件进行多角度、多方位的柔性切割，加工方式更加灵活，能有效提升加工效率，广泛应用于汽车、航天航空工业、工程机械、造船、模具、健身器材、钣金加工等制造领域。

三维激光切割技术还广泛应用在模具制造、雕刻、石油工业等行业之中。在印刷行业中，激光雕刻切割机利用激光的高能量性和高效率性，通过程序控制对橡胶版进行烧蚀，制造出的印刷版不仅成本低，而且雕刻精细，质量很高；在模具制造领域，可以用于加工模具、试模、制造模具。由模具CAD和激光切割相结合能够完成模具内部的复杂结构制造，如深孔、型孔、中空体以及复杂的冷却水道；用激光精细切割薄钢板，然后将其叠加成凹模或凸模。在石油工业中，用该技术来加工割缝筛管。

目前，市场上的三维激光切割系统均采用二次折返镜全反射光路结构，其有光路结构复杂，调试难度大，维护成本高，光路不稳定等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种混合反射式三维联动激光切割头，以解决现有三维激光切割系统存在的光路结构复杂，调试难度大，维护成本高，光路不稳定的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合反射式三维联动激光切割头，包括聚焦模块、防碰撞模块、随动模块、光学元件模块、光纤90°模块、摆动轴模块、旋转轴模块、垂直主轴模块及旋转拖链模块，其中防碰撞模块的上、下端分别与摆动轴模块和聚焦模块连接，所述摆动轴模块可驱动所述聚焦模块绕水平轴上下方向摆动，所述随动模块和光学元件模块设置于所述摆动轴模块内，所述随动模块与所述防碰撞模块连接，用于驱动所述聚焦模块沿竖直方向升降，所述光学元件模块与光纤线缆连接，用于光束的传输和转向，所述光纤90°模块为所述摆动轴模块与旋转轴模块之间的过渡连接模块，所述旋转轴模块通过垂直主轴模块与旋转拖链模块连接。

所述光学元件模块包括折返镜模块和准直器模块，其中准直器模块的一端与折返镜模块连接，另一端与光纤线缆连接，所述准直器模块将光纤线缆中的激光光束转变为平行光路，所述折返镜模块用于将平行光折返90°至所述聚焦模块内。

所述准直器模块与所述摆动轴模块之间设有中心补偿模块，所述中心补偿模块用于调节所述摆动轴模块与所述准直器模块的同轴度。

所述中心补偿模块环套在所述准直器模块的外侧，包括C形块、调整块组件及连接块组件，其中C形块与所述摆动轴模块连接，所述连接块组件与所述准直器模块连接，所述调整块组件设置于所述C形块和所述连接块组件之间、且两侧分别与所述C形块和所述连接块组件活动连接，所述准直器模块具有左右方向和升降的自由度，通过调节调整块组件使所述摆动轴模块和所述准直器模块保持同轴。

所述随动模块包括伺服电机、主动轮、皮带轮、皮带、连接块、连接杆及过渡轴，其中伺服电机安装在所述摆动轴模块内、且输出端与主动轮连接，所述皮带经过主动轮和位于下方的皮带轮传动连接，所述连接块与所述皮带连接，所述连接杆的上端与所述连接块连接，下端与所述过渡轴连接，所述过渡轴与所述防碰撞模块连接。

所述摆动轴模块包括力矩电机、主动带轮、从动带轮、同步带及中空摆动轴，其中力矩电机设置于所述光纤90°模块内、且输出端与主动带轮连接，所述中空摆动轴水平设置、且与所述光纤90°模块转动连接，所述中空摆动轴一端设有从动带轮，另一端与所述防碰撞模块固定连接，所述主动带轮和从动带轮通过同步带传动连接。

所述光纤90°模块包括壳体，所述壳体内设有使光纤线缆折弯90°的弧形固定槽。

所述旋转轴模块包括中空力矩电机、环形光栅、气动抱闸及传动轴，其中中空力矩电机设置于所述垂直主轴模块的下端、且与传动轴连接，所述传动轴与所述光纤90°模块连接，所述环形光栅和气动抱闸安装在中空力矩电机上，所述环形光栅用于检测角度，所述气动抱闸用于加工时锁紧所述中空力矩电机的旋转轴。

所述垂直主轴模块包括垂直主轴模块主体轮廓及设置在主体轮廓内部的中空转轴，所述中空转轴的下端与所述中空力矩电机的旋转轴连接，上端与所述旋转拖链模块连接。

所述旋转拖链模块包括链盒及盘绕在所述链盒内的拖链，所述链盒与所述垂直主轴模块的主体轮廓固定连接，所述拖链的内侧端与所述中空转轴连接，外侧端与所述链盒连接。

本发明的优点及有效果是：

1.本发明全新设计旋转拖链模块11完美替代旋转光路；

2.本发明的旋转轴模块采用特殊设计的中空轴力矩伺服电机，中空直径Φ≥80mm，可以轻松穿过光纤及水冷接头；

3.本发明的光纤90°模块布置，可替代一套折返镜组，降低成本并提高设备可维护性；

4.本发明的摆动轴模块采用旁轴式驱动中空设计，更利于光路布置，光纤插拔更方便；

5.本发明的摆动轴模块采用内层和外层双层浮动设计，特殊设计的中心补偿模块，可避免加工不同轴造成的影响，易于调试和维修。

附图说明

图1为本发明的轴测图；

图2为本发明的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为图3中B-B剖视图；

图5为本发明中随动模块的结构示意图；

图6为本发明中折返镜模块的结构示意图；

图7为本发明中准直器模块和中心补偿模块的连接示意图之一；

图8为本发明中准直器模块和中心补偿模块的连接示意图之二；

图9为本发明中摆动轴模块的结构示意图；

图10为本发明中旋转轴模块的结构示意图；

图11为本发明中旋转拖链模块的结构示意图。

图中：1为聚焦模块，2为防碰撞模块，3为随动模块，301为伺服电机，302为主动轮，303为皮带轮，304为皮带，305为连接块，306为连接杆，307为过渡轴，4为折返镜模块，5为准直器模块，6为中心补偿模块，601为C形块，602为连接座，603为调整块I，604为调整块II，605为连接块Ⅰ，606为连接块Ⅱ，7为光纤90°模块，8为摆动轴模块，801为力矩电机，802为主动带轮，803为从动带轮，804为同步带，805为中空摆动轴，9为旋转轴模块，901为中空力矩电机，902为环形光栅，903为气动抱闸，904为传动轴，10为垂直主轴模块，11为旋转拖链模块，1101为链盒，1102为拖链。A为正极限位置，B为中间位置，C为负极限位置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-4所示，本发明提供的一种混合反射式三维联动激光切割头，包括聚焦模块1、防碰撞模块2、随动模块3、光学元件模块、光纤90°模块7、摆动轴模块8、旋转轴模块9、垂直主轴模块10及旋转拖链模块11，其中防碰撞模块2的上、下端分别与摆动轴模块8和聚焦模块1连接，摆动轴模块8可驱动聚焦模块1绕水平轴上下方向摆动，随动模块3和光学元件模块设置于摆动轴模块8内，随动模块3与防碰撞模块2连接，用于驱动聚焦模块1沿竖直方向升降，光学元件模块与光纤线缆连接，用于光束的传输和转向，光纤90°模块7为摆动轴模块8与旋转轴模块9之间的过渡连接模块，旋转轴模块9通过垂直主轴模块10与旋转拖链模块11连接。

如图5所示，随动模块3包括伺服电机301、主动轮302、皮带轮303、皮带304、连接块305、连接杆306及过渡轴307，其中伺服电机301安装在摆动轴模块8内、且输出端与主动轮302连接，皮带304经过主动轮302和位于下方的皮带轮303传动连接，连接块305与皮带304连接，连接杆306的上端与连接块305连接，下端与过渡轴307连接，过渡轴307与防碰撞模块2连接。

通过聚焦模块1内部的电容传感器检测聚焦模块1的切割喷嘴到被切割件表面的距离，反馈给系统，控制伺服电机301正反转带动带轮旋转，通过主动轮302、皮带轮303、皮带304的传动转换成连接块305与连接杆306的上下升降运动(连接块305连接在皮带304上)，连接杆306连接在过渡轴307上，过渡轴307与防碰撞模块2螺栓连接，从而带动聚焦模块1上下升降，保证聚焦模块1的切割喷嘴距离被切割件表面的距离(在±10mm偏差内)始终不变；(见图5)

如图4、图6所示，光学元件模块包括折返镜模块4和准直器模块5，其中准直器模块5的一端与折返镜模块4连接，另一端与光纤线缆连接，准直器模块5将光纤线缆中的激光光束转变为平行光路，附带光纤快插接口，连接光纤线缆。折返镜模块4用于将平行光折返90°至聚焦模块1内。

进一步地，准直器模块5与摆动轴模块8之间设有中心补偿模块6，中心补偿模块6用于调节摆动轴模块8与准直器模块5的同轴度。

如图7-8所示，中心补偿模块6环套在准直器模块5的外侧，包括C形块601、调整块组件及连接块组件，其中C形块601与摆动轴模块8连接，连接块组件与准直器模块5连接，调整块组件设置于C形块601和连接块组件之间、且两侧分别与C形块601和连接块组件活动连接，准直器模块5具有左右方向和升降的自由度，通过调节调整块组件使摆动轴模块8和准直器模块5保持同轴。

本发明的实施例中，连接块组件包括连接块Ⅰ605和位于连接块Ⅰ605上方的连接块Ⅱ606。调整块组件包括连接座602与连接座602连接的调整块I603和调整块II604，调整块I603为两个、且分别设置于准直器模块5的上下侧，两个调整块I603通过两个导向螺栓分别与连接块Ⅰ605和连接块Ⅱ606上设有的两个水平方向的条形槽滑动连接。调整块II604为两个、且分别设置于准直器模块5的左右两侧，两个调整块II604通过导向螺钉与C形块601上设有的两个竖直方向的条形槽滑动连接。通过调节调整块I603的左右位置可调节左右偏差，通过调节调整块II604的上下位置可调节上下偏差，条形槽滑动连接上下左右方向具有足够的间隙以供调整使用，最终使摆动轴模块8和准直器模块5同轴。

中心补偿模块6通过中空十字滑块结构，用来抵消在摆动轴高速摆动过程中摆动轴模块8和准直器模块5因加工产生的不同轴。

如图9所示，摆动轴模块8包括力矩电机801、主动带轮802、从动带轮803、同步带804及中空摆动轴805，其中力矩电机801设置于光纤90°模块7内、且输出端与主动带轮802连接，中空摆动轴805水平设置、且与光纤90°模块7转动连接，中空摆动轴805一端设有从动带轮803，另一端与防碰撞模块2固定连接，主动带轮802和从动带轮803通过同步带804传动连接。

力矩电机801通过带动主动带轮802、从动带轮803以及同步带804，将力矩传递给中空摆动轴805，实现摆动。

光纤90°模块7包括壳体，壳体内设有使光纤线缆折弯90°的弧形固定槽，利用光纤的柔性，将光纤平滑改变90゜，光纤可沿着大圆弧固定槽缓慢过渡，保护光纤在折弯90°的情况下，仍满足光纤最小转弯半径(≥100mm)。

如图10所示，旋转轴模块9包括中空力矩电机901、环形光栅902、气动抱闸903及传动轴904，其中中空力矩电机901设置于垂直主轴模块10的下端、且与传动轴904，传动轴904与光纤90°模块7连接，环形光栅902和气动抱闸903安装在中空力矩电机901上，环形光栅902用于检测角度，气动抱闸903用于加工时锁紧中空力矩电机901的旋转轴。

如图4所示垂直主轴模块10包括垂直主轴模块主体轮廓及设置在主体轮廓内部的中空转轴，中空转轴的下端与中空力矩电机901的旋转轴连接，上端与旋转拖链模块11连接。

垂直主轴模块10的主体轮廓为铸件结构，内部通过中空转轴将旋转轴模块9的扭矩传递到旋转拖链模块11。

如图11所示，旋转拖链模块11包括链盒1101及盘绕在链盒1101内的拖链1102，链盒1101与垂直主轴模块10的主体轮廓固定连接，拖链1102的内侧端与中空转轴连接，外侧端与链盒1101连接，拖链1102可绕旋转轴做±200゜旋转缠绕，其最小直径Φ≥400mm，即有效保护光纤又解决了旋转问题。正极限位置A为+200゜，负极限位置C为-200゜。

本发明中，聚焦模块1和防碰撞模块2为市购产品，聚焦模块1将平行光路聚焦成切割光斑，可同时喷出高压切割气体并附带冷却装置；防碰撞模块2由永磁铁和柔性结构组成，防止误操作引起的碰撞损伤。折返镜模块4为市购产品，型号YK52-C，准直器模块5为市购产品，型号YK52-D。

激光经由光纤从旋转拖链模块11进入系统，依次穿过中空设计的垂直主轴模块10(中空直径Φ≥80mm)、旋转轴模块9、摆动轴模块8、光纤90°模块7，中心补偿模块6，到达准直器模块5(光纤插拔接口)，激光内光路经由准直器模块5、折返镜模块4、随动模块3、防碰撞模块2达到聚焦模块1，完成聚焦。

三维激光切割系统主要技术指标：

1)旋转轴行程：±200°；速度：90rpm；加速度：200rad/s2。

2)摆动轴行程：±135°；速度：90rpm；加速度：100rad/s²。

本发明两次光路折返机构简化为一套，设备成本降低10％以上，减少一次折返镜光路折返，即减少一倍加工误差及旋转机构运动本身带来的稳定性影响，稳定性高，同时大大降低了调整及维修旋转光路的难度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，包括聚焦模块（1）、防碰撞模块（2）、随动模块（3）、光学元件模块、光纤90°模块（7）、摆动轴模块（8）、旋转轴模块（9）、垂直主轴模块（10）及旋转拖链模块（11），其中防碰撞模块（2）的上、下端分别与摆动轴模块（8）和聚焦模块（1）连接，所述摆动轴模块（8）可驱动所述聚焦模块（1）绕水平轴上下方向摆动，所述随动模块（3）和光学元件模块设置于所述摆动轴模块（8）内，所述随动模块（3）与所述防碰撞模块（2）连接，用于驱动所述聚焦模块（1）沿竖直方向升降，所述光学元件模块与光纤线缆连接，用于光束的传输和转向，所述光纤90°模块（7）为所述摆动轴模块（8）与旋转轴模块（9）之间的过渡连接模块，所述旋转轴模块（9）通过垂直主轴模块（10）与旋转拖链模块（11）连接；

所述光学元件模块包括折返镜模块（4）和准直器模块（5），其中准直器模块（5）的一端与折返镜模块（4）连接，另一端与光纤线缆连接，所述准直器模块（5）将光纤线缆中的激光光束转变为平行光路，所述折返镜模块（4）用于将平行光折返90°至所述聚焦模块（1）内；

所述准直器模块（5）与所述摆动轴模块（8）之间设有中心补偿模块（6），所述中心补偿模块（6）用于调节所述摆动轴模块（8）与所述准直器模块（5）的同轴度；

所述中心补偿模块（6）环套在所述准直器模块（5）的外侧，包括C形块（601）、调整块组件及连接块组件，其中C形块（601）与所述摆动轴模块（8）连接，所述连接块组件与所述准直器模块（5）连接，所述调整块组件设置于所述C形块（601）和所述连接块组件之间、且两侧分别与所述C形块（601）和所述连接块组件活动连接，所述准直器模块（5）具有左右方向和升降的自由度，通过调节调整块组件使所述摆动轴模块（8）和所述准直器模块（5）保持同轴。

2.根据权利要求1所述的混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，所述随动模块（3）包括伺服电机（301）、主动轮（302）、皮带轮（303）、皮带（304）、连接块（305）、连接杆（306）及过渡轴（307），其中伺服电机（301）安装在所述摆动轴模块（8）内、且输出端与主动轮（302）连接，所述皮带（304）经过主动轮（302）和位于下方的皮带轮（303）传动连接，所述连接块（305）与所述皮带（304）连接，所述连接杆（306）的上端与所述连接块（305）连接，下端与所述过渡轴（307）连接，所述过渡轴（307）与所述防碰撞模块（2）连接。

3.根据权利要求1所述的混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，所述摆动轴模块（8）包括力矩电机（801）、主动带轮（802）、从动带轮（803）、同步带（804）及中空摆动轴（805），其中力矩电机（801）设置于所述光纤90°模块（7）内、且输出端与主动带轮（802）连接，所述中空摆动轴（805）水平设置、且与所述光纤90°模块（7）转动连接，所述中空摆动轴（805）一端设有从动带轮（803），另一端与所述防碰撞模块（2）固定连接，所述主动带轮（802）和从动带轮（803）通过同步带（804）传动连接。

4.根据权利要求1所述的混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，所述光纤90°模块（7）包括壳体，所述壳体内设有使光纤线缆折弯90°的弧形固定槽。

5.根据权利要求1所述的混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，所述旋转轴模块（9）包括中空力矩电机（901）、环形光栅（902）、气动抱闸（903）及传动轴（904），其中中空力矩电机（901）设置于所述垂直主轴模块（10）的下端、且与传动轴（904）连接，所述传动轴（904）与所述光纤90°模块（7）连接，所述环形光栅（902）和气动抱闸（903）安装在中空力矩电机（901）上，所述环形光栅（902）用于检测角度，所述气动抱闸（903）用于加工时锁紧所述中空力矩电机（901）的旋转轴。

6.根据权利要求5所述的混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，所述垂直主轴模块（10）包括垂直主轴模块主体轮廓及设置在主体轮廓内部的中空转轴，所述中空转轴的下端与所述中空力矩电机（901）的旋转轴连接，上端与所述旋转拖链模块（11）连接。

7.根据权利要求6所述的混合反射式三维联动激光切割头，其特征在于，所述旋转拖链模块（11）包括链盒（1101）及盘绕在所述链盒（1101）内的拖链（1102），所述链盒（1101）与所述垂直主轴模块（10）的主体轮廓固定连接，所述拖链（1102）的内侧端与所述中空转轴连接，外侧端与所述链盒（1101）连接。

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