专利名称：用于三维体上的连续精密机加工的头以及包括所述头的机加工设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于三维体上的连续精密机加工的头以及包括所述头的机加工设备。
背景技术：
所指的机加工设备能够用于任何精密机加工，并且因此能够应用于三维工件 (pieces)的连续轮廓(prof ile)上的机械工具机加工领域，诸如激光切割和焊接、氧气切害I]、高压水切割、手术、跟踪操作、轮廓的调查和测量、连续轮廓的研磨、标记、胶合等。参考激光切割和焊接领域，在当前工业机械中使用的头通常具有如图1所示的架构布局。在图1中，所述头包括紧固装置1，其具有机加工设备的凸缘，具有第一机械旋转轴A ；中间装置2，其具有与第一机械旋转轴A相连的第二机械旋转轴B，第二机械旋转轴B 与第一机械旋转轴A正交(其在交点M处与之相交)；以及终端机加工装置3，其具有与第一和第二机械旋转轴A、B相连的第三机械平移轴C。未聚焦激光束4在所述头本身内部通过并被位于与射束4本身成45°的位置处的两个反射镜5、6偏转。两个反射镜5、6相对于两个机械旋转轴A、B也处于45°处。终端装置3包括在透镜8上与轴C共轴的喷嘴9，透镜8使在喷嘴9的上游的激光束4聚焦，激光切割气体通过入口管道11被注入到喷嘴9中。喷嘴的移动被以高动态性互锁到来自工件喷嘴距离传感器10 (通常为电容传感器)的信号，从而在切割期间保持恒定的喷嘴工件距离，即使在工件的形成期间存在使得当前轮廓不同于计划理论轮廓的表面褶皱或小表面缺陷的情况下也是如此。这保证了切割的技术质量和一致性，因为尽管存在此类缺陷，聚焦点仍在相对于工件表面的相同轴向位置上。聚焦激光束在通过位于聚焦透镜8下游的管道注入的支持气体的辅助下进行切割。此架构的精髓是，为了允许激光束4从其中通过，喷嘴9被定位为使得激光束4的焦点具有两个旋转半径LA和LB，其分别遵循所述头绕轴A和B的操作。基本事实如下，随着绕轴A和/或B的每次旋转(以改变喷嘴9的取向)，还将发生焦点从其原始位置沿着弧线的移动。因此，如果仅仅需要改变喷嘴9的取向，而不改变焦点的初始位置，则此头的几何结构不允许这样，因为其始终包括焦点远离其初始位置的旋转偏移。用此头架构，如图2所示，以90°弯曲或大体上呈曲线的工件P的切割涉及喷嘴9 的轴的方向变化以保持其与轨迹正交(根据切割技术的要求)，以及因此与头绕两个旋转轴 A和B的移动正交。如果头被以笛卡尔结构X、Y、Z安装在机器上，并且仅仅喷嘴9的取向需要改变，由于旋转半径LA和LB的有限尺寸，还要求由机器的轴X、Y、Z同时补偿头中心CT的圆形移动(轴A和B的交点)，使得喷嘴的端部被保持在计划轨迹上，如在图2中，图2示出轴B的90°旋转的简单情况。图2为了简单起见仅仅用虚线示出与绕轴B的90°旋转相比的头中心CT的补偿移动(其本质上意味着喷嘴的端部仍在旋转起始点PO的坐标Χ0、Υ0、Ζ0上，仅仅改变了喷嘴 9的取向)。未表示出头中心CT的轨迹移动，其遵循计划轮廓至喷嘴，并且其被实时地叠加到补偿的移动。此类移动组成(其中，当需要喷嘴9的取向变化时，轴Χ、Υ、Ζ的内插算法、以及必须遵循工件的计划轮廓还必须同时地产生由绕轴A和B的旋转引起的补偿移动)给其带来关于处理工具的所得到移动的速度、加速度和准确度方面的显著不利结果和振动，其对切割技术不利，导致已生产工件的生产率和可重复性、准确度和质量的降低。而且，由许多轴的同时移动的总和给出处理工具的所得到的轨迹(即使在必须执行简单旋转时)，所述许多轴的互锁在其之间具有各种动态误差特性，并且其补偿运动的计算纯粹是数学的，由数值控制来执行，并且不是非常精确的纯机械移动的结果。这一事实取决于机器及其机加工头之间的行程的尺寸和质量的巨大差异事实上，虽然由于机加工头的低质量而可以用当前的技术获得头相对于其轴A、B、C的高加速度操作，但由于机器的大质量而不可能用当前技术获得相对于轴X、Y、Z的高加速度机器操作。机器与其头之间的这些动态能力差异对于以精确且一致的方式使涉及轴Α、Β和C 以及轴X、Y和Z两者的组合移动获得同步的能力不利。使机器的动态能力适合于头的动态能力的尝试将导致成本、设备总尺寸的显著增加，以避免呈现出作为结果的振动和不准确、以及将支撑惯性推力的结构的加强，这使得此解决方案不切实际。由此可见，用此架构，实现所要求的切割规范的唯一方式是降低头的动态能力并使其适合于机器，结果使得不利于切割工件的质量和生产率，因为激光加工未很好地对切割速度的变化作出反应。
发明内容
因此，本发明提出的技术目的是实现一种用于三维体的连续精密机加工的头以及包括所述头的机加工设备，以解决现有技术的技术缺点。在所述技术目的的范围内，本发明的一个目标是产生一种用于三维体的连续精密机加工的头以及包括所述头的机加工设备，使得可以在保持或者甚至提高机加工精度的同时增加生产率。通过制造根据权利要求1的用于三维体上的连续精密机加工的头来实现根据本发明的技术目的以及这些及其它目标。而且，在随后的权利要求中限定了本发明的其它特性。可以将新的头安装在经典笛卡尔结构的端部凸缘上或任何类型的机器人结构(铰接的、极坐标的、拟人的、圆柱的等)的端部凸缘上。新的头(尤其是在机器人应用中)提供更大的灵巧性和穿透能力，能够以更大自由度对其本身进行定向以用于复杂三维工件的机加工，以各向同性方式沿着所有方向延伸， 包括竖直方向。
此外，其消除了机器在头的操作之后执行补偿移动的需要。实质上，改变机加工工具的取向的简单移动将对应于所述头的一个或至多两个轴的简单且精确的移动。有利地，头相对于其机械轴的操作完全与机器相对于其机械轴的操作脱离，使得机器和头的任务被清楚地限定且是独立的。特别地，机器的操作可以优选地局限于缓慢平移移动或具有低曲率的路径，而头的操作可以涉及定向移动和/或涉及以高的角加速度和/或线加速度的移动。此外，由于机器和头的轴的脱离，不再存在由机械笛卡尔轴实现的头旋转轴的补偿移动。头的高动态移动的准确度本质上由其机械结构的精确度和头绕着机械旋转中心旋转的能力决定。
参考附图，通过根据本发明的头的优选但非排他性实施例的说明，本发明的附加特性和优点将更加明显，在附图中
图1示出传统激光切割头的布局； 图2示出图1中的头的补偿运动； 图3示出根据本发明的激光切割头的示意性前视图4联合示出图3中的头沿着包含机械轴A的平面截取的示意性侧视图；以及图5示出图3中的头应用于执行圆形切割。
具体实施例方式用于三维体上的精密机加工的头包括到机加工设备的凸缘30的紧固装置1、中间装置2和终端装置3。所述头意图用于激光切割加工，诸如汽车领域中的金属板的切割，但是该概念同样地可以扩展至其它领域。紧固装置1呈现第一机械旋转轴A，中间装置2呈现与第一机械旋转轴A相连的第二机械旋转轴B，并且终端机加工装置3呈现与第一和第二机械旋转轴A、B相连的第三机械旋转轴C。第二机械旋转轴B与第一机械旋转轴A正交，其与之在交点M处相交。中间装置2采取弧形的形状，所述弧形的圆周的中心在交点M处。有利地，第一机械旋转轴A和第三机械旋转轴C针对弧形径向地取向。特别地，第一机械轴A和第三机械轴C在头的参考结构中重叠。中间装置2具有第一支撑和引导部分4，其与绕第一机械轴A旋转的紧固装置1 的部分32成一整体；第二支撑和引导部分5，其在绕第二机械轴B的旋转中由第一部分4弓丨导；第三部分6，其与终端装置3的部分38成一整体且在绕第二机械轴B的旋转(其独立于第二部分5绕第二机械轴B的旋转)中由第二部分5引导。紧固装置1具有用于驱动部分32的直流电动机(direct motor) 7和用于检测角位置的传感器8，其读取紧固装置1的部分32绕轴A的旋转角(轴A也是紧固装置1的中心
6对称轴)。特别地，直流电动机7包括缠绕定子27，其与相对于凸缘30固定的紧固装置1的部分31成一整体；永磁体转子沈，其与绕第一机械轴A旋转的紧固装置1的部分32成一整体；以及在部分31与部分32之间的滑动轴承观。第二部分5具有用于其致动的直流电动机9和检测其相对于第一部分4的角位置的传感器10。特别地，直流电动机9包括与第一部分4成一整体的缠绕定子33、与第二部分5成一整体的永磁体转子四以及第一部分4与第二部分5之间的滑动轴承34。第三部分6具有用于其致动的直流电动机11和检测其相对于第二部分5的角位置的传感器12。特别地，直流电动机11包括与第二部分5成一整体的缠绕定子35、与第三部分6 成一整体的永磁体转子36以及在第二部分5与第三部分6之间的滑动轴承37。终端装置3具有用于其致动的直流电动机13和检测其线位置14的传感器。特别地，终端装置具有与第三部分6成一整体的部分38和可向机械轴C平移的部分39。直流电动机13示出与部分38成一整体的缠绕定子40、与部分39成一整体的永磁体回转件41以及在部分38与部分39之间的滑动轴承42。在适当的情况下，终端装置3包括用于激光切割的喷嘴15，其被定位为与第三机械轴C共轴。喷嘴15在其尖端处具有距离传感器16。有利地，喷嘴15包括用于光纤18以便传输激光束入口 17。在喷嘴15的上游，设置了激光束的准直器19、用于经准直的激光束沿着喷嘴15的轴反射的反射镜20以及能够使经反射的激光束聚焦在喷嘴15的尖端处的透镜21。在喷嘴15的尖端与透镜21之间的是用于工艺气体以便激光切割的入口 22。假定切割和激光焊接头未使用具有反射镜的传统光学装置，而是使用了用于传输激光束的光纤，其对用于其架构的设计选择不施加约束。结果，通过使用光纤，可以例如采用机械轴B的弧形结构。而且，其使用光纤的事实意味着激光能够在头的运动学特性的下游进入，并且仅要求一个反射镜，与机械轴C平行地发送激光，这大大地简化了激光束的几何校准。相反，在现有技术中，需要用必须严格相互平行且与机械轴A和B成45°的两个反射镜使光束在运动学特性的上游进入，这显著地使激光束的几何校准变得复杂。现有技术中的光学链的此相同使用决定了图1所示的偏移LA和LB，其进而导致需要轨迹的补偿移动。光纤的使用还减小了头的尺寸，并增加了精确度、灵巧性和动态性。优选地，紧固装置1且特别是其旋转部分32具有绕第一机械轴A的不小于士 360°的角偏移，与第一部分4相比，第二部分5具有绕第二机械轴B的不小于士 60°的角偏移，并且与第二部分5相比，第三部分6具有绕第二机械轴B的不小于士60°的角偏移。此外，终端装置3且特别是可平移部分39具有优选地不小于士40 mm的线偏移。
终端装置3具有高动态性以适合于要切割的工件的表面中的小局部变化，诸如褶皱、表面瑕疵、表面与标称结构的略微偏差。在此功能中，终端装置3服从工件喷嘴距离传感器16的信号。为了执行此功能，给定上述表面缺陷的典型的尺度，仅仅几毫米的行程将是足够的，但是如将看到的，执行更大平移行程的能力在特定的切割应用中尤其有用。中间装置2在结构上被设计为复制第二机械轴B。此结构是有利的，主要是由于如下原因空间(灵巧性和穿透能力)，以及使头准备好用于正在被加工的工件的平均进展以避免与工件本身干涉的更大可能性。此复制使得能够实现执行由绕90°角的旋转组成的临界移动时的速度和加速度的加倍，使得即使在具有高曲率的区段上，具有低曲率的区段的典型的最大切割速度未改变和减小(在技术上可行)。轴B的此类复制还允许头的形状适合于当前和未来潜在工件的形状，并且通过旋转机械轴A，准备根据当前和计划进展的切割区段，从而准备机械轴B至高曲率的旋转，并且允许机械轴B实时地将其本身定向到工件。绕两个机械子轴(其中第二机械轴B分裂)移动的质量有利地是等同的。由于本文所述的架构，中间装置2在不与下面正在加工的工件干涉的情况下具有士 120°的总的角行程。请注意，作为第二部分5和第三部分6的独立的同心和平行移动的结果，能够基于正在加工的工件的形状来修改中间装置的行进结构和构造，以避免工件与机加工头之间的碰撞并近似地针对下面的工件的即时或计划形状准备头的形状。请注意，通过在推挽模式下且同步地移动两个轴Bl和B2，能够通过仅移动装置5 来改变头的构造，使得终端装置3 (工具)未改变，其不改变其相对于工件的取向并保持在计划轨迹上。这样，能够在不影响工具的取向和移动的情况下独立地且实时地执行针对工件形状的头的准备的致动。此外，当聚焦点(TCP工具中心点)与机械旋转点M重合时，能够在所述运动不使切割点移出计划轨迹之外的情况下旋转轴A。在不影响计划路径的情况下连续地或预期接近边缘地执行轴A的此旋转的可能性保持由工具轴(轴C)和切割点的速度矢量V限定的即时切割区段中的轴B的旋转平面与轨迹相切。这样，可在即时加工点处沿着工件表面的法线容易地调整工具轴C，仅旋转轴B。因此，看起来头的所述架构不仅使轴A、B、C独立于轴X、Y、Z，对其给定单独的任务 (对于Χ、Υ、Ζ而言主要是平移且对于Α、Β而言主要是的定向)，而且对于同一个头而言，使得轴Α、B、C的任务相互独立。下面描述汽车车身金属板的激光切割头的一些应用。所述头被安装在具有笛卡尔机械轴X、Y和Z的机器上。对图5进行参考，其中用箭头来指示头相对于机械轴A、B和C的移动。考虑被互锁到传感器16的喷嘴15，喷嘴15的尖端被永久性地设置在固定距离处，例如在与轴A垂直的扁平板50的表面上方约1.5 mm处，并且激光束的聚焦点PO精确地在板的表面上，即处于汽车车身金属板的切割技术的最佳条件。如果在此互锁位置上沿着机械轴Z执行机器的例如20 mm的准备移动，则整个头降低，但是不与板本身碰撞，既然终端装置3由于喷嘴15到传感器16的互锁而向上移动20mm，这趋向于保持喷嘴尖端到板表面的距离不变。在这种情况下，交点M被“沉降”在板表面下面20 mm。如果在这些条件下中间装置2绕第二机械轴B旋转，特别是旋转30°，并且然后激活激光器以开始切割，使紧固装置1绕第一机械轴A旋转通过360°，则切割出半径等于约11.6 mm的完整的圆。此圆由距离其顶点20 mm的30°的半开圆锥的平段给定。类似地，保持紧固装置1牢固，如果只有中间装置2旋转例如距离中心参考角位置从-30°至+30°，则实现约23. 2 mm的直切割。如果在中间装置2的移动末尾，紧固装置 1开始绕着第一机械轴A运动180°，则切割出半圆。因此，通过正确地对紧固装置1和中间装置2绕机械轴A和B的移动进行内插，能够切割所有种类的小局部外形，诸如所得到的那个，实时地组合圆锥和平金属板的基本段。具有相同益处的另一重要应用是诸如图2所示的轮廓的圆周(基准点)的弧形的切割。如果交点M被放置在工件的高曲率弧形的中心上且轴A被布置为使得旋转平面B位于切割区段中，则相当清楚的是仅用绕轴B的移动，能够在同时保持喷嘴的取向垂直于轨迹的同时实现弧形的高速切割。请注意，在前一直线区段的切割期间被覆盖的时间发生设定移动，诸如交点M的“沉降”(使承载了头的机器的轴Z向下移动，以及绕轴A的旋转，使得切割区段与旋转平面B重合)，并且因此不影响生产率或质量，因为技术条件(焦点的位置以及切割速度)不变。根据本发明的头允许创造性的机械轴的直接集成，其消除了对复杂且笨重的机械设备(诸如减速齿轮和螺杆)的需要，使得机械轴的机械结构与其致动电动机及其位置换能器一致，其被直接安装在机械轴上。弓I擎本质上识别机械轴本身且与之集成。机械和电致动和换能接口的消除或减少使得准确度增加，降低构造的复杂性以及总尺寸和成本。由于消除了由传统解决方案中使用的动力系引起的游隙和弹性，直接致动大大地增加机械轴的移动的动态范围和准确度，并且使得可以使电动机的形状适合于轴本身的几何结构(直线、圆柱形、圆弧等)，并由于动力系和部件被减少至它们必需的程度而在有限空间内采用更大数目的机械轴。实际上，机械轴被缩减为滑动导轨、轴本身的支撑机械结构、绕组及定子和转子磁体以及位置换能器。头可以绕固定的交点M机械地旋转，这消除了对安装头的机器的补偿移动的需要，并且使得头的机械轴完全独立于机器。头在不涉及安装头的机器的机械轴的情况下绕其机械轴的致动使得具有高曲率的区段的高度动态且精密的切割成为可能，并且增加了工具轴的取向轨迹的准确度。事实上，虽然在传统头中，此移动必要地涉及通过数值控制以数学方式计算并借助于诸如机器的那些高惯性机械轴来执行的绕旋转中心的补偿移动，但在此创造性的头中，绕作为交点M的机械点产生所述移动，其能够用机械部件的结构准确度和精确度实现。还能够在没有中断的情况下在具有高曲率(其中，本质上将移动工具的是头的机械轴)的区段中获得能够在低曲率的区段(其中，本质上将移动工具的是机器的机械笛卡尔轴)上获得的高速切割系统，具有所生产零件的生产率、准确度和可重复性方面的显著提尚ο这样构思的头可能有许多修改和变体，其全部落在本发明构思内；而且，所有细节可被技术上等同的元素替换。实际上，可以根据要求和技术水平随意地选择所使用的材料以及尺寸。
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权利要求
1.一种用于三维体上的连续精密机加工的头，包括紧固装置(1)，具有机加工设备的凸缘(30)，具有第一机械旋转轴(A)；中间装置(2)，具有与所述第一机械旋转轴(A)相连的第二机械旋转轴(B)，所述第二机械旋转轴(B)关于所述第一机械旋转轴(A)正交，其在交点(M)处与之相交；以及终端机加工装置(3)，具有与所述第一和第二机械旋转轴(A、B)相连的第三机械平移轴(C)，其特征在于，所述中间装置(2)具有弧形的形状，所述弧形的圆周的中心位于所述交点(M)处，并且所述第一机械旋转轴(A)和所述第三机械平移轴(C)针对所述弧形径向地取向。
2.如权利要求1所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述交点 (M)是机械固定旋转中心。
3.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述第一机械轴(A)和所述第三机械轴(C)在所述头的参考结构处重叠。
4.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述中间装置(2)具有第一支撑和引导部分(4)，其与绕所述第一轴(A)旋转的所述紧固装置的部分(32)成一整体；第二支撑和引导部分(5)，其由所述第一部分(4)引导以便绕所述第二机械轴(B)旋转；第三部分(6)，其与所述终端装置(3)的部分(38)成一整体且由所述第二部分(5)引导以便独立于所述第二部分(5)绕所述第二机械轴(B)的旋转而绕所述第二机械轴(B)旋转。
5.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述紧固装置(1)具有用于绕所述第一轴(A)致动所述旋转紧固装置的所述部分(32) 的直流电动机(7)、以及用于检测所述旋转紧固装置的所述部分(32)绕所述第一轴(A)的角位置的传感器(8)。
6.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述第二部分(5)具有用于其致动的直流电动机(9)以及用于检测其相对于所述第一部分(4)的角位置的传感器(10)。
7.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述第三部分(6)具有用于其致动的直流电动机(11)以及用于检测其相对于所述第二部分(5)的角位置的传感器(12)。
8.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述终端装置(3 )具有用于对能够关于所述第三轴(C)平移的其部分中的一个(39 )进行致动的直流电动机(13)以及用于检测能够关于所述第三轴(C)平移的所述部分(39)的线位置的传感器(14)。
9.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，每个电动机(7、9、11、13)根据其致动的部分(1、5、6、3)的几何结构而在结构上确定形状。
10.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述终端装置(3)具有喷嘴(15)，所述喷嘴(15)用于激光切割并与所述第三机械轴(C) 共轴。
11.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，用于激光切割的所述喷嘴(15 )在其尖端处具有距离传感器(16 )。
12.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，用于激光切割的所述喷嘴(15)具有用于纤维(18)以便传输激光束的入口(17)。
13.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，用于纤维(18)以便传输激光束的入口(17)关于所述头的运动学特性位于下游。
14.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述喷嘴(15)具有在上游的激光束的准直器(19)、用于沿着所述喷嘴(15)的轴反射经准直激光束的反射镜(20)、以及用于使经反射的激光束聚焦在所述喷嘴(15)的尖端处的透镜(21)。
15.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述喷嘴(15)在其尖端与所述透镜(21)之间具有用于工艺气体以便激光切割的入口 (22)。
16.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，在一个实施例中，所述激光束的聚焦点与所述机械旋转点M重合。
17.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述紧固装置(1)具有至少士360°的角范围，所述第二部分(5)具有关于所述第一部分(4)的不低于士60°的角范围，并且所述第三部分(5)具有关于所述第二部分(5)的不低于士60的角范围。
18.如前述权利要求中任一项所述的用于三维体上的连续精密机加工的头，其特征在于，所述终端装置(3)具有不低于士40 mm的线范围。
19.机加工设备，包括如前述权利要求中的一个或多个所述的用于三维体上的连续精密机加工的头。
20.如前述权利要求所述的机加工设备，其特征在于，其具有从所述头的那些脱离的机械轴。
21.如前述权利要求所述的机加工设备，其特征在于，其具有仅关于其机械轴的用于具有低线加速度和/或角加速度的机加工操作的致动、以及仅关于所述头的轴的用于具有高线加速度和/或角加速度的机加工操作的致动。
22.如前述权利要求所述的机加工设备，其特征在于，所述头的机械轴具有相互独立的功能。
全文摘要
用于三维体上的连续精密机加工的头包括到机加工设备的凸缘的紧固装置(1)，具有第一机械旋转轴(A)；中间装置(2)，具有与第一机械旋转轴(A)相连的第二机械旋转轴(B)，第二机械旋转轴(B)与在交点(M)处相交的第一机械旋转轴(A)正交；以及终端加工装置(3)，具有与第一和第二机械旋转轴(A、B)相连的第三机械平移轴(C)，中间装置(2)具有弧形结构，其圆周的中心在交点(M)处，第一机械旋转轴(A)和第三机械平移轴(C)针对弧形径向地取向。
文档编号B23K26/04GK102333614SQ201080008278
公开日2012年1月25日 申请日期2010年2月16日 优先权日2009年2月18日
发明者格拉齐亚诺·罗兰多, 法布里齐奥·格拉西 申请人:格拉齐亚诺·罗兰多, 法布里齐奥·格拉西