一種五軸聯動雷射加工工具機的製作方法

2023-04-23 22:49:26

專利名稱：一種五軸聯動雷射加工工具機的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射加工領域，是一種五軸雷射加工工具機，能用於普通零件和各種復 雜曲面零件的表面打孔和雕刻。
背景技術：
現代雷射加工工具機是雷射加工技術與數控工具機的結合，最簡單的雷射加工工具機， 將工具機主軸及刀具替換為雷射頭即可形成。但由於雷射加工工藝又有雕刻、打孔、切割、焊 接等不同的工藝形式，對相應的雷射加工工具機又有不同的要求，再加上雷射加工無切削力 且有高速高效的特徵，這對工具機的性能也提出了很高的要求。用於葉片表面打孔的雷射打孔技術，因具有高精度、高效率以及對葉片損傷小的 特點，而被逐步推廣。然而該技術的發展和應用一方面要依賴於高能雷射技術的發展，另一 方面要有適應這項技術的雷射加工工具機。尤其對葉片表面微孔群的加工，其加工精度和效 率則更依賴於工具機的性能。然而現有的大部分雷射加工工具機，是將傳統工具機技術與雷射加 工技術的簡單結合，並未充分考慮雷射加工本身的技術特徵，限制了加工的精度和效率。與本發明相近的已有技術，多為三軸雷射加工工具機，用於零件表面孔加工的五軸 聯動雷射加工工具機市場上也有成熟產品，這其中以DMG公司的LASERTEC 80型雷射打孔機 床與本發明最為相近，該工具機設有X、Y、Z、B、C五個運動軸，具有一定的先進性。但該工具機 空間布局開闊、佔地面積大，而且工件採用水平裝夾，一方面受重力懸臂效應的影響，加工 精度有所降低；另一方面給排屑帶來一定困難，影響打孔效果；同時，給工人操作帶來一定 不便，影響生產效率。

發明內容
本發明的目的是提供一種結構新穎、尺寸緊湊、運行穩定性好、節約生產成本、同 時具有很高加工精度和加工效率的五軸聯動雷射加工工具機。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的—種五軸聯動雷射加工工具機，包括底座和安裝於其上方的床身，其特徵在於所述 床身包括立柱模塊和平臺模塊兩部分；立柱模塊和平臺模塊之間通過定位板定位；所述立 柱模塊包含沿豎直方向運動的Z軸運動子模塊以及安裝於Z軸運動子模塊的Z軸溜板之上 的A軸旋轉模塊，雷射發射頭安裝於A軸一端；平臺模塊包括一個由X軸子模塊和Y軸子模 塊組成的XY雙軸工作檯，以及安裝於X軸子模塊的溜板之上的C軸迴轉模塊。上述方案中，所述Z軸運動子模塊包括Z軸立柱，Z軸立柱上設置有導軌安裝面，Z 軸導軌安裝於所述安裝面；Z軸溜板安裝於可沿Z軸導軌滑動的Z軸滑塊之上。所述A軸旋轉模塊包括伺服電機及與其安裝為一體的減速器，聯軸器，安裝於Z軸 溜板上的驅動軸支座及其中的驅動軸，所述伺服電機由電機支架固定於Z軸溜板上；驅動 軸一端通過一個聯軸器與減速器輸出軸相連，另一端安裝有轉盤，轉盤上安裝轉接板；雷射 發射頭安裝於轉接板上。
所述 X軸子模塊和Y軸子模塊結構相同，Y軸子模塊固定於底座之上，X軸子模塊 安裝於Y軸子模塊的Y軸溜板上，運動方向相互垂直；所述X、Y軸子模塊均設置有導軌安裝 面和絲槓安裝孔，導軌安裝面用於安裝導軌；絲槓安裝孔用於安裝絲槓。所述C軸迴轉模塊包括基座，基座上安裝有力矩電機，力矩電機上設有迴轉工作 臺，所述基座安裝於χ軸子模塊的χ軸溜板之上。迴轉工作檯上設置有用於夾持工件的夾 具，迴轉工作檯中間設有定位中心孔，用於裝夾過程中的定位；工件立式裝夾於夾具之上。所述X、Y、Z軸運動子模塊上均安裝有直線光柵反饋元件，採用全閉環控制；所述A 軸旋轉模塊、C軸迴轉模塊的驅動電機上均設有高精度編碼器，採用半閉環控制。雷射發射頭採用JK300型雷射器，具有紅外輔助對刀功能。本發明的優點及特色有1、工具機整體採用模塊化設計，分床身模塊和底座模塊，X、Y、Z、A、C軸都可視為相 互獨立的運動模塊。該設計方法為工具機的設計和加工提供了便利，在加工過程中，可先保證 各個模塊本身性能，再考慮各個模塊之間的關係。工具機更容易獲得優良的綜合性能。2、總體布局上，採用了質量分散的原則，防止各部分的負載重量過大，影響綜合性 能。X、Y、Z、A、C五個運動軸中，A軸子模塊安裝於Z軸模塊的溜板之上，構成立柱模塊；C 軸子模塊安裝於XY軸工作檯之上構成平臺模塊。與採用雙軸迴轉工作檯的結構相比，重量 更加分散。對串聯結構中的上遊模塊帶來的負載也更小，工具機的性能也就更容易保證。3、結構新穎，尺寸緊湊。布局上充分考慮雷射曲面加工的特徵，對空間的利用更為 合理；結構設計中，Z軸立柱、XY軸床身均採用了高比強度的結構，使整體的重量減輕。4、工件採用立式裝夾，一方面可以防止由重力引起的懸臂效應影響加工精度；另 一方面更便於加工過程中的排屑；同時便於工人操作、提高了裝夾效率。5、迴轉運動軸定位精度高。設計中有A軸和C軸兩個迴轉軸。A軸採用了伺服電 機加減速器的驅動形式，一方面增強了驅動力矩，另一方面提高了定位精度。C軸採用力矩 電機驅動，力矩電機本身具有定位精度高，驅動力矩大的特點，從而保證了迴轉工作檯的定 位精度。6、雷射器所發射雷射束可控性強、精度高，並設有紅外輔助對刀功能，保證了對刀 的精度和效率。7、整機具有高精度的特性。上述的1-6條優點，從不同角度保證了工具機的性能和 定位精度，再加上直線運動軸採用了成熟的控制技術，同樣可以達到極高的定位精度。因 此，整機定位精度很高，加工精度可達10um。8、整機具有高效率的特性。首先，各個進給運動軸都有較高的加速度和速度；其 次，工具機布局合理，減少了空進給；另外，工件採用了立式裝夾，提高了操作效率；同時輔助 對刀功能，也能顯著提高對刀效率。
以下結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。

圖1為本發明五軸聯動雷射加工工具機整體結構示意圖。圖2為圖1中的立柱模塊示意圖。圖3為圖1中的Z軸子模塊結構示意圖。
圖4為圖1中的A軸旋轉模塊結構示示意圖。圖5為圖1中的平臺模塊示意圖。圖6為圖5中的X軸子模塊示意圖。圖7為圖5中的Y軸子模塊示意圖。圖8為X、Y軸子模塊基座的結構示意圖。圖9為圖5中的C軸旋轉模塊示意圖。圖1至圖9中1_底座，2-床身，3-立柱模塊，4-平臺模塊，5-定位板，6-X軸子模塊，7-Y軸子模塊，8-Z軸子模塊，9-A軸旋轉模塊，IO-C軸旋轉模塊，Il-XY雙軸工作檯， 12-導軌安裝面，13-絲槓安裝孔，20-X軸基座，21-X軸導軌，22-X軸導軌滑塊，23-X軸絲 槓，24-X軸絲槓螺母，25-X軸絲槓螺母支座，26-X軸溜板，27-X軸光柵反饋元件，28-X軸聯 軸器，29-X軸伺服電機，30-Y軸基座，31-Y軸導軌，32-Y軸導軌滑塊，33-Y軸絲槓，34-Y軸 絲槓螺母，35-Y軸絲槓螺母支座，36-Y軸溜板，37-Y軸光柵反饋元件，38-Y軸聯軸器，39-Y 軸伺服電機，40-Z軸基座，41-Z軸導軌，42-Z軸導軌滑塊，43-Z軸絲槓，44-Z軸絲槓螺母， 45-Z軸絲槓螺母支座，46-Z軸溜板，47-Z軸光柵反饋元件，48-Z軸聯軸器，49-Z軸伺服電 機，50-Z軸安裝支座，51-C軸基座，52-C軸力矩電機，53-迴轉工作檯，60-A軸伺服電機， 61-A軸減速器，62-A軸電機支座，63-A軸聯軸器，64-A軸驅動軸，65-A軸驅動軸支座，66-A 軸轉盤，67-A軸轉接板，70-雷射發射頭，71-夾具，72-工件。
具體實施例方式如圖1所示一種五軸聯動雷射加工工具機，它包括底座1和床身2兩部分。底座1 為一塊符合國家標準的平板工作檯，床身2包括如圖2所示的立柱模塊3和圖5所示的平 臺模塊4，兩個模塊均安裝於所述底座平面之上。圖2所示的立柱模塊包括圖3所示的Z軸子模塊8和圖4所示的A軸子模塊9。 立柱模塊上有豎直方向運動的Z軸溜板46，溜板上安裝有A軸迴轉運動模塊9，雷射頭安裝 於A軸末端，隨A軸迴轉。圖3所示的Z軸子模塊，設置有立柱40，其上有導軌安裝面和絲槓支座安裝面；Z 軸導軌41安裝於導軌安裝面，絲槓支座50安裝於支座安裝面，絲槓43連同軸承安裝於所 述絲槓支座50內；Z軸驅動電機49，通過聯軸器48與絲槓相連；Z軸溜板46安裝於導軌滑 塊42之上，其上安裝有絲槓螺母支座45，絲槓螺母支座45內安裝有絲槓螺母44 ；Z軸溜板 46之上設置有A軸安裝孔。圖4所示的A軸運動模塊9，包括伺服電機60、減速器61、電機支架62、聯軸器63、 驅動軸64及軸支座65、轉盤66、轉接板67。伺服電機60及減速器61安裝為一體，由電機 支架62固定於Z軸溜板46之上；驅動軸支座6安裝於Z軸溜板46之上；驅動軸64安裝於 所述支座內；驅動軸64 —端通過聯軸器63與減速器輸出軸相連，另一端安裝有轉盤66，轉 盤上安裝轉接板67 ；雷射發射頭70安裝於轉接板之上。圖5所示的平臺模塊包括圖6所示的X軸子模塊6、圖7所示的Y軸子模塊7和圖 9所示的C軸子模塊10。圖7所示的Y軸子模塊7，設置有如圖8所示的基座40，該基座40安裝於底座1 平板之上，在圖8所示的「凸」形基座40之上，設置有導軌安裝面12和絲槓安裝孔13。絲槓33安裝於所述安裝孔13內，導軌安裝於所述安裝面12之上；Y軸溜板36安裝於可沿Y 軸導軌31運動的滑塊32之上，其上安裝有X軸運動模塊6。 圖6所示的X軸運動模塊6，結構上與Y軸運動模塊7相同，X軸基座20安裝於Y 軸溜板36，形成XY雙軸工作檯11。X軸溜板26上設置有圖9所示的C軸旋轉模塊10安裝位置。圖9所示的C軸旋轉模塊10，包括基座51、力矩電機52和迴轉工作檯53。基座 51安裝於X軸溜板26之上，其上安裝有力矩電機52，力矩電機52之上安裝有迴轉工作檯 53，迴轉工作檯的中心孔為裝夾定位孔。工件72通過專用夾具71呈立式裝夾於迴轉工作 臺53上。圖3、圖6、圖7所示三個直線運動模塊，安裝有直線光柵反饋元件27、37、47。直 線光柵反饋元件27、37、47，光柵尺設置於基座20、30、40側面，讀數頭安裝於溜板26、36、46 測面。所述光柵反饋元件，為閉環控制提供反饋信號。圖4、圖9中的A、C軸迴轉模塊兩驅動電機，設有高精度編碼器，採用半閉環控制。
權利要求
1.一種五軸聯動雷射加工工具機，包括底座(1)和安裝於其上方的床身(2)，其特徵在 於所述床身(2)包括立柱模塊(3)和平臺模塊(4)兩部分；立柱模塊(3)和平臺模塊(4) 之間通過定位板(5)定位；所述立柱模塊(3)包含沿豎直方向運動的Z軸運動子模塊(8)以 及安裝於Z軸運動子模塊(8)的Z軸溜板(46)之上的A軸旋轉模塊(9)，雷射發射頭(70) 安裝於A軸一端；平臺模塊(4)包括一個由X軸子模塊和Y軸子模塊組成的XY軸工作檯 (11)，以及安裝於X軸子模塊的溜板(26)之上的C軸迴轉模塊(10)。
2.根據權利要求1所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於所述Z軸運動子模塊 (8)包括Z軸立柱(40)，Z軸立柱(40)上設置有導軌安裝面，Z軸導軌(41)安裝於所述安 裝面；Z軸溜板(46)安裝於可沿Z軸導軌(41)滑動的Z軸滑塊(42)之上。
3.根據權利要求1所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於所述A軸旋轉模塊(9) 包括伺服電機(60)及與其安裝為一體的減速器(61)，聯軸器(63)，安裝於Z軸溜板(46) 上的驅動軸支座(65)及其中的驅動軸(64)，所述伺服電機(60)由電機支架(62)固定於Z 軸溜板(46)上；驅動軸(64) —端通過一個聯軸器(63)與減速器輸出軸相連，另一端安裝 有轉盤(66)，轉盤上安裝轉接板(67)；雷射發射頭(70)安裝於轉接板上。
4.根據權利要求1所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於所述X軸子模塊和Y軸 子模塊結構相同，Y軸子模塊固定於底座(1)之上，X軸子模塊安裝於Y軸子模塊的Y軸溜 板(36)上，運動方向相互垂直；所述X、Y軸子模塊均設置有導軌安裝面和絲槓安裝孔，導軌 安裝面用於安裝導軌；絲槓安裝孔用於安裝絲槓。
5.根據權利要求1所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於所述C軸迴轉模塊 (10)包括基座(51)，基座(51)上安裝有力矩電機(52)，力矩電機(52)上設有迴轉工作檯 (53)，所述基座(51)安裝於X軸子模塊的X軸溜板(26)之上。
6.根據權利要求5所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於迴轉工作檯(53)上設 置有用於夾持工件(72)的夾具(71)，迴轉工作檯(53)中間設有定位中心孔，用於裝夾過程 中的定位；工件(72)立式裝夾於夾具(71)之上。
7.根據權利要求1所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於所述X、Y、Z軸運動子 模塊上均安裝有直線光柵反饋元件，採用全閉環控制；所述A軸旋轉模塊(9)、C軸迴轉模塊 (10)的驅動電機上均設有高精度編碼器，採用半閉環控制。
8.根據權利要求1所述的五軸聯動雷射加工工具機，其特徵在於雷射發射頭(70)採用 JK300型雷射器，具有紅外輔助對刀功能。
全文摘要
本發明公開了一種五軸聯動雷射加工工具機，包括底座(1)和床身(2)兩部分。床身(2)包括安裝於底座(1)的立柱模塊(3)和平臺模塊(4)兩個模塊，立柱模塊(3)包括Z軸子模塊(8)和A軸迴轉運動模塊(9)，Z軸模塊上有豎直方向運動的Z軸溜板(46)，溜板上安裝有A軸迴轉運動模塊(9)，雷射頭(70)安裝於A軸末端，隨A軸迴轉。平臺模塊(4)部分由一個XY工作檯(11)和安裝於該工作檯之上的C軸迴轉運動模塊(10)組成。C軸由力矩電機驅動(52)，C軸上設有迴轉工作檯(53)，工件通過專用夾具呈立式安裝於迴轉工作檯。本發明結構布局新穎、尺寸緊湊、加工精度高，同時能顯著提高加工效率。
文檔編號B23K26/08GK102000911SQ201010240139
公開日2011年4月6日 申請日期2010年7月29日 優先權日2010年7月29日
發明者王恪典, 許睦旬, 邵明平, 陶濤 申請人:西安交通大學