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CN102000911A - 一种五轴联动激光加工机床 - Google Patents

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邵明平
陶涛
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本发明公开了一种五轴联动激光加工机床，包括底座(1)和床身(2)两部分。床身(2)包括安装于底座(1)的立柱模块(3)和平台模块(4)两个模块，立柱模块(3)包括Z轴子模块(8)和A轴回转运动模块(9)，Z轴模块上有竖直方向运动的Z轴溜板(46)，溜板上安装有A轴回转运动模块(9)，激光头(70)安装于A轴末端，随A轴回转。平台模块(4)部分由一个XY工作台(11)和安装于该工作台之上的C轴回转运动模块(10)组成。C轴由力矩电机驱动(52)，C轴上设有回转工作台(53)，工件通过专用夹具呈立式安装于回转工作台。本发明结构布局新颖、尺寸紧凑、加工精度高，同时能显著提高加工效率。

Description

一种五轴联动激光加工机床
技术领域
本发明涉及激光加工领域，是一种五轴激光加工机床，能用于普通零件和各种复杂曲面零件的表面打孔和雕刻。
背景技术
现代激光加工机床是激光加工技术与数控机床的结合，最简单的激光加工机床，将机床主轴及刀具替换为激光头即可形成。但由于激光加工工艺又有雕刻、打孔、切割、焊接等不同的工艺形式，对相应的激光加工机床又有不同的要求，再加上激光加工无切削力且有高速高效的特征，这对机床的性能也提出了很高的要求。
用于叶片表面打孔的激光打孔技术，因具有高精度、高效率以及对叶片损伤小的特点，而被逐步推广。然而该技术的发展和应用一方面要依赖于高能激光技术的发展，另一方面要有适应这项技术的激光加工机床。尤其对叶片表面微孔群的加工，其加工精度和效率则更依赖于机床的性能。然而现有的大部分激光加工机床，是将传统机床技术与激光加工技术的简单结合，并未充分考虑激光加工本身的技术特征，限制了加工的精度和效率。
与本发明相近的已有技术，多为三轴激光加工机床，用于零件表面孔加工的五轴联动激光加工机床市场上也有成熟产品，这其中以DMG公司的LASERTEC 80型激光打孔机床与本发明最为相近，该机床设有X、Y、Z、B、C五个运动轴，具有一定的先进性。但该机床空间布局开阔、占地面积大，而且工件采用水平装夹，一方面受重力悬臂效应的影响，加工精度有所降低；另一方面给排屑带来一定困难，影响打孔效果；同时，给工人操作带来一定不便，影响生产效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构新颖、尺寸紧凑、运行稳定性好、节约生产成本、同时具有很高加工精度和加工效率的五轴联动激光加工机床。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种五轴联动激光加工机床，包括底座和安装于其上方的床身，其特征在于：所述床身包括立柱模块和平台模块两部分；立柱模块和平台模块之间通过定位板定位；所述立柱模块包含沿竖直方向运动的Z轴运动子模块以及安装于Z轴运动子模块的Z轴溜板之上的A轴旋转模块，激光发射头安装于A轴一端；平台模块包括一个由X轴子模块和Y轴子模块组成的XY双轴工作台，以及安装于X轴子模块的溜板之上的C轴回转模块。
上述方案中，所述Z轴运动子模块包括Z轴立柱，Z轴立柱上设置有导轨安装面，Z轴导轨安装于所述安装面；Z轴溜板安装于可沿Z轴导轨滑动的Z轴滑块之上。
所述A轴旋转模块包括伺服电机及与其安装为一体的减速器，联轴器，安装于Z轴溜板上的驱动轴支座及其中的驱动轴，所述伺服电机由电机支架固定于Z轴溜板上；驱动轴一端通过一个联轴器与减速器输出轴相连，另一端安装有转盘，转盘上安装转接板；激光发射头安装于转接板上。
所述X轴子模块和Y轴子模块结构相同，Y轴子模块固定于底座之上，X轴子模块安装于Y轴子模块的Y轴溜板上，运动方向相互垂直；所述X、Y轴子模块均设置有导轨安装面和丝杠安装孔，导轨安装面用于安装导轨；丝杠安装孔用于安装丝杠。
所述C轴回转模块包括基座，基座上安装有力矩电机，力矩电机上设有回转工作台，所述基座安装于X轴子模块的X轴溜板之上。回转工作台上设置有用于夹持工件的夹具，回转工作台中间设有定位中心孔，用于装夹过程中的定位；工件立式装夹于夹具之上。
所述X、Y、Z轴运动子模块上均安装有直线光栅反馈元件，采用全闭环控制；所述A轴旋转模块、C轴回转模块的驱动电机上均设有高精度编码器，采用半闭环控制。
激光发射头采用JK300型激光器，具有红外辅助对刀功能。
本发明的优点及特色有：
1、机床整体采用模块化设计，分床身模块和底座模块，X、Y、Z、A、C轴都可视为相互独立的运动模块。该设计方法为机床的设计和加工提供了便利，在加工过程中，可先保证各个模块本身性能，再考虑各个模块之间的关系。机床更容易获得优良的综合性能。
2、总体布局上，采用了质量分散的原则，防止各部分的负载重量过大，影响综合性能。X、Y、Z、A、C五个运动轴中，A轴子模块安装于Z轴模块的溜板之上，构成立柱模块；C轴子模块安装于XY轴工作台之上构成平台模块。与采用双轴回转工作台的结构相比，重量更加分散。对串联结构中的上游模块带来的负载也更小，机床的性能也就更容易保证。
3、结构新颖，尺寸紧凑。布局上充分考虑激光曲面加工的特征，对空间的利用更为合理；结构设计中，Z轴立柱、XY轴床身均采用了高比强度的结构，使整体的重量减轻。
4、工件采用立式装夹，一方面可以防止由重力引起的悬臂效应影响加工精度；另一方面更便于加工过程中的排屑；同时便于工人操作、提高了装夹效率。
5、回转运动轴定位精度高。设计中有A轴和C轴两个回转轴。A轴采用了伺服电机加减速器的驱动形式，一方面增强了驱动力矩，另一方面提高了定位精度。C轴采用力矩电机驱动，力矩电机本身具有定位精度高，驱动力矩大的特点，从而保证了回转工作台的定位精度。
6、激光器所发射激光束可控性强、精度高，并设有红外辅助对刀功能，保证了对刀的精度和效率。
7、整机具有高精度的特性。上述的1-6条优点，从不同角度保证了机床的性能和定位精度，再加上直线运动轴采用了成熟的控制技术，同样可以达到极高的定位精度。因此，整机定位精度很高，加工精度可达10um。
8、整机具有高效率的特性。首先，各个进给运动轴都有较高的加速度和速度；其次，机床布局合理，减少了空进给；另外，工件采用了立式装夹，提高了操作效率；同时辅助对刀功能，也能显著提高对刀效率。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明五轴联动激光加工机床整体结构示意图。
图2为图1中的立柱模块示意图。
图3为图1中的Z轴子模块结构示意图。
图4为图1中的A轴旋转模块结构示示意图。
图5为图1中的平台模块示意图。
图6为图5中的X轴子模块示意图。
图7为图5中的Y轴子模块示意图。
图8为X、Y轴子模块基座的结构示意图。
图9为图5中的C轴旋转模块示意图。
图1至图9中：1-底座，2-床身，3-立柱模块，4-平台模块，5-定位板，6-X轴子模块，7-Y轴子模块，8-Z轴子模块，9-A轴旋转模块，10-C轴旋转模块，11-XY双轴工作台，12-导轨安装面，13-丝杠安装孔，20-X轴基座，21-X轴导轨，22-X轴导轨滑块，23-X轴丝杠，24-X轴丝杠螺母，25-X轴丝杠螺母支座，26-X轴溜板，27-X轴光栅反馈元件，28-X轴联轴器，29-X轴伺服电机，30-Y轴基座，31-Y轴导轨，32-Y轴导轨滑块，33-Y轴丝杠，34-Y轴丝杠螺母，35-Y轴丝杠螺母支座，36-Y轴溜板，37-Y轴光栅反馈元件，38-Y轴联轴器，39-Y轴伺服电机，40-Z轴基座，41-Z轴导轨，42-Z轴导轨滑块，43-Z轴丝杠，44-Z轴丝杠螺母，45-Z轴丝杠螺母支座，46-Z轴溜板，47-Z轴光栅反馈元件，48-Z轴联轴器，49-Z轴伺服电机，50-Z轴安装支座，51-C轴基座，52-C轴力矩电机，53-回转工作台，60-A轴伺服电机，61-A轴减速器，62-A轴电机支座，63-A轴联轴器，64-A轴驱动轴，65-A轴驱动轴支座，66-A轴转盘，67-A轴转接板，70-激光发射头，71-夹具，72-工件。
具体实施方式
如图1所示：一种五轴联动激光加工机床，它包括底座1和床身2两部分。底座1为一块符合国家标准的平板工作台，床身2包括如图2所示的立柱模块3和图5所示的平台模块4，两个模块均安装于所述底座平面之上。
图2所示的立柱模块包括图3所示的Z轴子模块8和图4所示的A轴子模块9。立柱模块上有竖直方向运动的Z轴溜板46，溜板上安装有A轴回转运动模块9，激光头安装于A轴末端，随A轴回转。
图3所示的Z轴子模块，设置有立柱40，其上有导轨安装面和丝杠支座安装面；Z轴导轨41安装于导轨安装面，丝杠支座50安装于支座安装面，丝杠43连同轴承安装于所述丝杠支座50内；Z轴驱动电机49，通过联轴器48与丝杠相连；Z轴溜板46安装于导轨滑块42之上，其上安装有丝杠螺母支座45，丝杠螺母支座45内安装有丝杠螺母44；Z轴溜板46之上设置有A轴安装孔。
图4所示的A轴运动模块9，包括伺服电机60、减速器61、电机支架62、联轴器63、驱动轴64及轴支座65、转盘66、转接板67。伺服电机60及减速器61安装为一体，由电机支架62固定于Z轴溜板46之上；驱动轴支座6安装于Z轴溜板46之上；驱动轴64安装于所述支座内；驱动轴64一端通过联轴器63与减速器输出轴相连，另一端安装有转盘66，转盘上安装转接板67；激光发射头70安装于转接板之上。
图5所示的平台模块包括图6所示的X轴子模块6、图7所示的Y轴子模块7和图9所示的C轴子模块10。
图7所示的Y轴子模块7，设置有如图8所示的基座40，该基座40安装于底座1平板之上，在图8所示的“凸”形基座40之上，设置有导轨安装面12和丝杠安装孔13。丝杠33安装于所述安装孔13内，导轨安装于所述安装面12之上；Y轴溜板36安装于可沿Y轴导轨31运动的滑块32之上，其上安装有X轴运动模块6。
图6所示的X轴运动模块6，结构上与Y轴运动模块7相同，X轴基座20安装于Y轴溜板36，形成XY双轴工作台11。X轴溜板26上设置有图9所示的C轴旋转模块10安装位置。
图9所示的C轴旋转模块10，包括基座51、力矩电机52和回转工作台53。基座51安装于X轴溜板26之上，其上安装有力矩电机52，力矩电机52之上安装有回转工作台53，回转工作台的中心孔为装夹定位孔。工件72通过专用夹具71呈立式装夹于回转工作台53上。
图3、图6、图7所示三个直线运动模块，安装有直线光栅反馈元件27、37、47。直线光栅反馈元件27、37、47，光栅尺设置于基座20、30、40侧面，读数头安装于溜板26、36、46测面。所述光栅反馈元件，为闭环控制提供反馈信号。
图4、图9中的A、C轴回转模块两驱动电机，设有高精度编码器，采用半闭环控制。

Claims (8)

1.一种五轴联动激光加工机床，包括底座(1)和安装于其上方的床身(2)，其特征在于：所述床身(2)包括立柱模块(3)和平台模块(4)两部分；立柱模块(3)和平台模块(4)之间通过定位板(5)定位；所述立柱模块(3)包含沿竖直方向运动的Z轴运动子模块(8)以及安装于Z轴运动子模块(8)的Z轴溜板(46)之上的A轴旋转模块(9)，激光发射头(70)安装于A轴一端；平台模块(4)包括一个由X轴子模块和Y轴子模块组成的XY  轴工作台(11)，以及安装于X轴子模块的溜板(26)之上的C轴回转模块(10)。
2.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：所述Z轴运动子模块(8)包括Z轴立柱(40)，Z轴立柱(40)上设置有导轨安装面，Z轴导轨(41)安装于所述安装面；Z轴溜板(46)安装于可沿Z轴导轨(41)滑动的Z轴滑块(42)之上。
3.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：所述A轴旋转模块(9)包括伺服电机(60)及与其安装为一体的减速器(61)，联轴器(63)，安装于Z轴溜板(46)上的驱动轴支座(65)及其中的驱动轴(64)，所述伺服电机(60)由电机支架(62)固定于Z轴溜板(46)上；驱动轴(64)一端通过一个联轴器(63)与减速器输出轴相连，另一端安装有转盘(66)，转盘上安装转接板(67)；激光发射头(70)安装于转接板上。
4.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：所述X轴子模块和Y轴子模块结构相同，Y轴子模块固定于底座(1)之上，X轴子模块安装于Y轴子模块的Y轴溜板(36)上，运动方向相互垂直；所述X、Y轴子模块均设置有导轨安装面和丝杠安装孔，导轨安装面用于安装导轨；丝杠安装孔用于安装丝杠。
5.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：所述C轴回转模块(10)包括基座(51)，基座(51)上安装有力矩电机(52)，力矩电机(52)上设有回转工作台(53)，所述基座(51)安装于X轴子模块的X轴溜板(26)之上。
6.根据权利要求5所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：回转工作台(53)上设置有用于夹持工件(72)的夹具(71)，回转工作台(53)中间设有定位中心孔，用于装夹过程中的定位；工件(72)立式装夹于夹具(71)之上。
7.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：所述X、Y、Z轴运动子模块上均安装有直线光栅反馈元件，采用全闭环控制；所述A轴旋转模块(9)、C轴回转模块(10)的驱动电机上均设有高精度编码器，采用半闭环控制。
8.根据权利要求1所述的五轴联动激光加工机床，其特征在于：激光发射头(70)采用JK300型激光器，具有红外辅助对刀功能。
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