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文档介绍

一种应用于五轴激光加工的新型导向头

1 国内外发展现状

在五轴机床中,3个移动轴和2个旋转轴分别控制刀具相对加工表面的位移和指向。将此五轴按照不同顺序串联可获得多种布局,其中两旋转轴直连正交的布局具有特殊优点:①符合运动学思维习惯;②与两转轴非直连结构相比,旋转轴改变刀杆空间指向时,刀尖相对工件的位置偏移较小,减少了移动轴补偿;③后置处理计算简单,一般类似于球镜刀半径补偿。该布局具体分为两种:①两旋转轴共同驱动工件,即双转盘结构;②两旋转轴共同驱动刀具,其结构类似机械臂。前者的刀轴安装简单、刚性好,多用于机加工;而后者可获得更高的转角速度、更灵便,多用于激光切割等领域而被称为导向头。

导向头的典型结构如图1所示,旋转轴C、A与刀轴T相交于同一点,光束经过4次90°反射,从该几何交点射出,轴C和轴A分别控制刀具(或光束)的水平转角和俯仰角α,其光路与字符Ω形似,暂命名为Ω结构,以便表述。

图2是Ω结构的简化版本,其应用也十分广泛。因为缩短了光路,上述三轴无法相交于一点。其优点是结构简单易于制造和安装,并且光路损耗较小;缺点是后置处理比Ω结构复杂,加工曲面时,需要移动轴来补偿图中的偏心距LCA。同时,移动轴行程的利用率也被降低。

近年来,在激光切割领域处于领先地位的NTC(日平富山)和三菱等公司在其五轴激光加工系统中都采用了一种新型导向头(如图3),轴C按常规布置,另一旋转轴φ与轴C成45°角相交,刀轴T绕轴φ 旋转并与之保持45°。其光路与字符三形似,暂命名为∑结构。∑结构在国内相关领域尚不多见,其新颖的设计带来了许多优点,非常值得借鉴。

图3 光束导向头∑结构

2 ∑结构的运动学特性

如图3和图4,在∑结构中,轴C、轴φ和刀轴T相交于一点,并且在安装时保证刀尖(或激光焦点)精确位于该几何交点处。这就使得轴C和轴φ进行任意旋转时,刀尖位置不会被改变,因而在五轴联动过程中,加工

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