專利名稱：雙心共點萬向動擺機構的制作方法
技術領域：
本發明屬于高能束加工技術領域，具體涉及一種用于調整高能束加工中切割頭角度的雙心共點萬向動擺機構。
背景技術：
在高能束切割(比如水刀、激光、等離子弧)過程中，流束在被切割材料的作用下會自然向后彎曲，如圖I所示，流束經磨料噴嘴21噴出，切割方向為由左向右，在工件22上流束的射入點23和射出點24不在同一條垂 線上，射出點24 —般滯后于射入點23。由于射出點24滯后于射入點23，高能束切割的材料表面一般具有以下缺陷
缺陷I :在切到轉角處需要改變切割方向時，由于流束射出點的滯后，流束上下不能同步轉向，造成轉角處出現形狀誤差(如圖2)。缺陷2 :在切割圓弧時，切割方向隨時需要改變，由于流束射出點的滯后，流束上下不能同步轉向，造成小圓弧處的形狀誤差(如圖3)。缺陷3 :流束與材料發生作用時，在靠近射入點被切割材料的上部，由于流束的能量較大，可以迅速切除材料，但隨著切割深度的增加，流束的能量逐漸衰減，切割能力下降。由于上述原因，流束在射入點的流型與在射出點的流型不一樣，從而導致該流束切出的切縫產生形狀誤差(如圖4所示)。上述形狀誤差實際上是可以消除的。舉例說，要消除由于射出點滯后于射入點造成的轉角誤差及圓弧誤差，可以采用放慢切割速度的方法。此外，為消除由于射出點與射入點的流型不一致造成的切縫錐度誤差，可以采用放慢切割速度及將切割頭側向擺動一個小角度的方法。上述兩種方法中，放慢速度的方法可以消除形狀誤差，但效率非常低，造成成本的極大浪費。毫無疑問，將切割頭偏擺一個角度不但可以消除上述形狀誤差，而且效率較高，此外，偏擺角度的切割頭還可以切割包括不同角度的錐面，擴大了高能束切割的應用范圍。要想實現切割頭切割時朝任意方向偏擺一個角度，至少需要增加兩個自由度，即將三軸機構變為一個五軸機構。目前用于高能束切割的五軸切割頭可歸納為以下幾種1、切割頭偏擺中心不在射入點，偏擺時，射入點的空間絕對坐標位置發生改變，必須通過Χ、γ、Z運動軸的同步運動對切割頭進行精確補償。這種方法的優勢在于設計簡單，劣勢在于補償要求高，不易實現精密控制。2、切割頭的偏擺中心在射入點，比如兩個旋轉自由度由一個繞垂直軸轉動的自由度及一個擺動自由度組成，這種切割頭的優勢在于射入點與旋轉自由度的轉動中心重合，運動時不需要X、Y、Z自由度的同步補償。劣勢在于垂直旋轉軸會導致切割頭所接的管路及電纜出現纏繞問題。3、切割頭的偏擺中心與射入點近似重合，與第一種方法相比，這種切割頭的優勢在于所需要的補償量較小，容易實現精確補償，劣勢在于設計比較復雜，容許的偏擺角小
發明內容
本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種雙心共點萬向動擺機構；該雙心共點萬向動擺機構既可保證切割頭的射入點重合于兩個旋轉自由度的旋轉中心，避免了旋轉運動時的X、Y、Z同步補償問題；又可避免切割頭繞自身軸線旋轉，不會形成管路及電纜的纏繞問題。本發明是通過如下技術方案實現的
一種雙心共點萬向動擺機構，其特征在于，包括第一驅動單元、第二驅動單元、旋轉臂、夾持裝置和介質通道；
第一驅動單元的輸出端與旋轉臂相連，用于驅動旋轉臂繞第一旋轉軸轉動；夾持裝置安裝在旋轉臂上，與旋轉臂聯動；第二驅動單元的輸出端與夾持裝置相連；夾持裝置用于夾持切割頭，并可帶動切割頭繞第二旋轉軸轉動；第一旋轉軸與工件表面夾角小于70°，第二旋轉軸與工件表面平行，第一旋轉軸與第二旋轉軸成直角相交，交點為旋轉中心；切割頭軸線與工件表面的交點與所述旋轉中心重合； 所述介質通道用于向切割頭內送入工作介質；介質通道包括至少四個旋轉接頭，第一旋轉接頭安裝在第一驅動單元上，用于與外部介質源相連；第一旋轉接頭的中心軸線與第一旋轉軸重合，第二旋轉接頭安裝在旋轉臂上；第三旋轉接頭懸空安裝在旋轉臂和夾持裝置外部；第四旋轉接頭安裝在切割頭上，與切割頭的相對位置固定，用于向切割頭內輸送工作介質；第一旋轉接頭、第二旋轉接頭、第三旋轉接頭和第四旋轉接頭依次通過剛性管道連通。進一步的，所述夾持裝置包括回轉桿、固定桿、連接桿、第一聯動桿和第二聯動桿，回轉桿與第二驅動單元的輸出端相連；連接桿的兩端分別與回轉桿和固定桿鉸接，固定桿用于固定切割頭；第一聯動桿與回轉桿平行且等長，兩端分別與旋轉臂和連接桿鉸接，第二聯動桿與連接桿平行且等長，兩端分別與回轉桿和固定桿鉸接，中間與第一聯動桿鉸接；旋轉臂與回轉桿的鉸接點、回轉桿與連接桿的鉸接點、連接桿與第一聯動桿的鉸接點、第一聯動桿與旋轉臂的鉸接點依次首尾相連構成一平行四邊形結構；第一聯動桿與旋轉臂的鉸接點、連接桿與第一聯動桿的鉸接點、連接桿與固定桿的鉸接點、切割頭軸線與工件表面的交點依次首尾相連構成另一平行四邊形結構。進一步的，所述第二驅動單元包括第二電機和連接板，第二電機安裝在旋轉臂上，連接板與第二電機的輸出軸固定連接；連接板上設置有一滑軌，回轉桿上設置有一滑塊，滑塊與滑軌相互配合實現滑移。本發明所述的雙心共點萬向動擺機構是一個具備兩個旋轉軸的切割頭夾持機構，該夾持機構在第一驅動單元、第二驅動單元、旋轉臂、夾持裝置及介質通道等的共同作用下，能夠實現切割頭以射入點為轉動中心在偏擺角度不大于設定值的情況下向任意方向偏擺；在切割過程中，可通過該雙心共點萬向動擺機構調整切割頭的角度，消除高能束在射入點及射出點流態不同所造成的轉角、圓弧誤差和切縫錐度誤差。此外切割頭的可調傾角可允許工件的任意斜邊切割，大大增加了工藝柔性。同時，本發明所述的雙心共點萬向動擺機構中由至少四個旋轉接頭組成的介質通道組成一剛性連接的四連桿機構，該四連桿機構可配合切割頭的任意擺動，實現高能束介質的傳輸。由于沒有垂直或近似垂直旋轉軸的存在，保證了當切割頭連續作圓周錐面切割時不會造成切割頭繞自身軸線的旋轉，因而避免了切割頭所接管路和電纜的纏繞問題。


圖I為水刀切割材料時顯現的自然彎曲現象示意 圖2為射出點滯后于射入點在轉角處造成的轉角形狀誤差示意 圖3為射出點滯后于射入點造成的圓弧形狀誤差示意 圖4為射流切割效率隨切割深度增加而降低造成的錐度誤差示意 圖5為雙心共點萬向動擺機構的左視圖；
圖6為雙心共點萬向動擺機構的右視 圖7為雙心共點萬向動擺機構的旋轉軸示意 圖8為介質通道示意 圖9為介質通道組成的四連桿機構 圖10為夾持機構示意 圖11為夾持機構組成的平行四邊形結構 圖12為雙心共點萬向動擺機構的工作原理 圖中1、旋轉臂2、切割頭3、第一旋轉接頭4、第二旋轉接頭5、第三旋轉接頭6、第四旋轉接頭 7、回轉桿 8、固定桿 9、連接桿 10、第一聯動桿 11、第二聯動桿12、第一電機13、安裝板14、第二電機15、連接板16、滑軌17、滑塊。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
，以切割頭為高壓水射流切割的噴嘴為例，對本發明做進一步詳細的說明。如圖5-11所示，本發明提供了一種雙心共點萬向動擺機構，包括第一驅動單元、第二驅動單元、旋轉臂I、夾持裝置和介質通道；第一驅動單元的輸出端與旋轉臂I相連，用于驅動旋轉臂I繞第一旋轉軸Rl轉動；夾持裝置安裝在旋轉臂I上，與旋轉臂I聯動；第二驅動單元的輸出端與夾持裝置相連；夾持裝置用于夾持切割頭2，并可帶動切割頭2繞第二旋轉軸R2轉動；第一旋轉軸與工件表面夾角小于70°，第二旋轉軸與工件表面平行，兩軸成直角相交，交點為旋轉中心。所述介質通道用于向切割頭2內送入工作介質，本實施例中的介質通道即為高壓水通道。介質通道包括至少四個旋轉接頭，第一旋轉接頭3安裝在第一驅動單元上，用于與外部介質源相連；第一旋轉接頭3的中心軸線與第一旋轉軸Rl重合，以此保證其余三個旋轉接頭及切割頭組成的介質通道在繞第一旋轉軸Rl旋轉時與第一旋轉接頭3保持連接狀態；第二旋轉接頭4安裝在旋轉臂I上；第三旋轉接頭5懸空安裝在旋轉臂I和夾持裝置外部；第四旋轉接頭6安裝在夾持裝置上，與切割頭2的相對位置固定，用于向切割頭2內輸送工作介質；由于傳輸高壓水需要剛性管道，第一旋轉接頭3、第二旋轉接頭4、第三旋轉接頭5和第四旋轉接頭6依次通過剛性管道連通。第二旋轉接頭4的中心點D、第三旋轉接頭5的中心點C、第四旋轉接頭6的中心點B和射入點A依次首尾相連，也可組成一四連桿結構，如此可使切割頭2在繞第二旋轉軸R2轉動時與介質通道保持連接狀態而不受剛性管道的約束。所述夾持裝置包括回轉桿7、固定桿8、連接桿9、第一聯動桿10和第二聯動桿11，回轉桿7與第二驅動單元的輸出端相連；連接桿9的兩端分別與回轉桿7和固定桿8鉸接，固定桿8與連接桿9鉸接，固定桿8用于固定切割頭2 ;第一聯動桿10與回轉桿7平行且等長，兩端分別與旋轉臂I和連接桿9鉸接，第二聯動桿11與連接桿9平行且等長，兩端分別與回轉桿7和固定桿8鉸接，中間與第一聯動桿10鉸接。旋轉臂I與回轉桿7的鉸接點E、回轉桿7與連接桿9的鉸接點J、連接桿9與第一聯動桿10的鉸接點G和第一聯動桿10與旋轉臂I的鉸接點F依次首尾相連構成一平行四邊形結構。同時第一聯動桿10與旋轉臂I的鉸接點F、連接桿9與第一聯動桿10的鉸接點G、連接桿9與固定桿8的鉸接點H、切割頭軸線與工件表面的交點A依次首尾相連構成另一平行四邊形。夾持裝置還可以采用其他結構形式，比如把固定桿8和第一聯動桿10合并為一個零件，去掉第二聯動桿11，前面所提到的二個平行四邊形E-J-G-F和F-G-H-A也就合并為一個平行四邊形E-J-H-A，但因此造成鉸接點F與射入點A重合，會使該結構的應用受到很大的限制。所述第一驅動單兀包括第一電機12,第一電機12通過一安裝板13固定在三軸或者二軸機床上，由三軸或者二軸機床帶動；第一電機12帶動旋轉臂I和安裝在旋轉臂I上 的第二驅動單元及夾持裝置繞著第一旋轉軸Rl轉動。第一驅動單元的結構還可以為其他的設計，比如在第一電機輸出端加上一個齒輪減速箱。所述第二驅動單元包括第二電機14和連接板15，第二電機14安裝在旋轉臂I上，連接板15與第二電機14的輸出軸固定連接；連接板15上設置有一滑軌16，回轉桿7上設置有一滑塊17，滑塊17與滑軌16相互配合實現滑移，從而帶動回轉桿7繞其與旋轉臂I的鉸接點E轉動。回轉桿7為夾持裝置中的主動桿，回轉桿7的運動可帶動整個平行四邊形結構運動，進而實現切割頭2的偏擺。第二驅動單元的結構還可以為其他的設計，比如在第二電機輸出端加上一個齒輪或皮帶減速機構。如圖12所示，O點為切割頭的旋轉中心，OA代表切割頭位置，在第一驅動單元、第二驅動單元、旋轉臂、夾持裝置及介質通道等的共同作用下，切割頭OA可隨意占據圖12所示 OB、0C、0D、0E、OF、OG 等位置。本發明所述雙心共點萬向動擺機構的工作過程為
介質流經介質通道，從切割頭噴出，形成高能束流，此高能束流可用來切割各種材料。切割過程中，為了消除形狀誤差，切割頭需要在任意方向上偏擺一個角度，此偏擺角度可以通過兩個旋轉自由度實現，舉例說，在第一旋轉軸所在的垂直平面上偏擺角度只需要第二驅動單元單獨驅動便可；工作時，第二電機14旋轉，帶動連接板15轉動，連接板15上的滑軌16帶動滑塊17及回轉桿7 —起轉動，進一步帶動整個平行四邊形機構轉動，從而實現切割頭繞旋轉軸R2的擺動，擺動的方向由第二電機的旋轉方向決定。在除第一旋轉軸Rl所在的垂直平面以外的垂直平面上的偏擺則必須由第一驅動單元和第二驅動單元的組合運動實現；工作時，在第一電機12的驅動下，旋轉臂I帶動安裝于其上的切割頭夾持機構繞Rl軸旋轉，而第二驅動單元則以上述方式運動，兩者配合實現切割頭在除第一旋轉軸Rl所在的垂直平面以外的垂直平面上的偏擺。切割頭偏擺時，由于有四個旋轉接頭的存在，剛性連接的四連桿機構也可配合切割頭的任意擺動，實現高能束介質的傳輸。本發明不僅局限于上述具體實施方式
，本發明所述的雙心共點萬向動擺機構也不局限于應用在高壓水射流切割領域，還可以應用在其他需要調整切割頭角度的領域。本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發明， 因此，凡是采用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種雙心共點萬向動擺機構，其特征在于，包括第一驅動單元、第二驅動單元、旋轉臂、夾持裝置和介質通道； 第一驅動單元的輸出端與旋轉臂相連，用于驅動旋轉臂繞第一旋轉軸轉動；夾持裝置安裝在旋轉臂上，與旋轉臂聯動；第二驅動單元的輸出端與夾持裝置相連；夾持裝置用于夾持切割頭，并可帶動切割頭繞第二旋轉軸轉動；第一旋轉軸與エ件表面夾角小于70°，第二旋轉軸與エ件表面平行，第一旋轉軸與第二旋轉軸成直角相交，交點為旋轉中心；切割頭軸線與エ件表面的交點與所述旋轉中心重合； 所述介質通道用于向切割頭內送入工作介質；介質通道包括至少四個旋轉接頭，第一旋轉接頭安裝在第一驅動單元上，用干與外部介質源相連；第一旋轉接頭的中心軸線與第一旋轉軸重合，第二旋轉接頭安裝在旋轉臂上；第三旋轉接頭懸空安裝在旋轉臂和夾持裝置外部；第四旋轉接頭安裝在切割頭上，與切割頭的相對位置固定，用于向切割頭內輸送エ作介質；第一旋轉接頭、第二旋轉接頭、第三旋轉接頭和第四旋轉接頭依次通過剛性管道連 通。
2.根據權利要求I所述的雙心共點萬向動擺機構，其特征在于，所述夾持裝置包括回轉桿、固定桿、連接桿、第一聯動桿和第二聯動桿，回轉桿與第二驅動單元的輸出端相連；連接桿的兩端分別與回轉桿和固定桿鉸接，固定桿用于固定切割頭；第一聯動桿與回轉桿平行且等長，兩端分別與旋轉臂和連接桿鉸接，第二聯動桿與連接桿平行且等長，兩端分別與回轉桿和固定桿鉸接，中間與第一聯動桿鉸接；旋轉臂與回轉桿的鉸接點、回轉桿與連接桿的鉸接點、連接桿與第一聯動桿的鉸接點、第一聯動桿與旋轉臂的鉸接點依次首尾相連構成一平行四邊形結構；第一聯動桿與旋轉臂的鉸接點、連接桿與第一聯動桿的鉸接點、連接桿與固定桿的鉸接點、切割頭軸線與エ件表面的交點依次首尾相連構成另一平行四邊形結構。
3.根據權利要求2所述的雙心共點萬向動擺機構，其特征在于，所述第二驅動單元包括第二電機和連接板，第二電機安裝在旋轉臂上，連接板與第二電機的輸出軸固定連接；連接板上設置有ー滑軌，回轉桿上設置有ー滑塊，滑塊與滑軌相互配合實現滑移。
全文摘要
本發明提供了一種雙心共點萬向動擺機構，包括第一驅動單元、第二驅動單元、旋轉臂、夾持裝置和介質通道；第一驅動單元的輸出端與旋轉臂相連，夾持裝置安裝在旋轉臂上，與旋轉臂聯動；第二驅動單元的輸出端與夾持裝置相連，夾持裝置用于夾持切割頭，介質通道用于向切割頭內送入工作介質。本發明能夠消除高能束在射入點及射出點流態不同所造成的轉角、圓弧誤差和切縫錐度誤差。同時由至少四個旋轉接頭組成的介質通道組成一剛性連接的四連桿機構，該四連桿機構可配合切割頭的任意擺動，實現高能束介質的傳輸。由于沒有垂直或近似垂直旋轉軸的存在，切割頭連續作圓周錐面切割時，不會繞自身軸線旋轉，因而避免了切割頭所接管路和電纜的纏繞問題。
文檔編號B23K26/08GK102848110SQ201210378230
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者曾繼躍, 張仕進 申請人:上海獅邁科技有限公司