[发明专利]双心共点万向动摆机构

说明书

技术领域

 本发明属于高能束加工技术领域，具体涉及一种用于调整高能束加工中切割头角度的双心共点万向动摆机构。

背景技术

在高能束切割（比如水刀、激光、等离子弧 ）过程中，流束在被切割材料的作用下会自然向后弯曲，如图1所示，流束经磨料喷嘴21喷出，切割方向为由左向右，在工件22上流束的射入点23和射出点24不在同一条垂线上，射出点24一般滞后于射入点23。由于射出点24滞后于射入点23，高能束切割的材料表面一般具有以下缺陷：

缺陷1：在切到转角处需要改变切割方向时，由于流束射出点的滞后，  流束上下不能同步转向，造成转角处出现形状误差（如图2）。

缺陷2：在切割圆弧时，切割方向随时需要改变，由于流束射出点的滞后，流束上下不能同步转向，造成小圆弧处的形状误差（如图3）。

缺陷3：流束与材料发生作用时，在靠近射入点被切割材料的上部，由于流束的能量较大，可以迅速切除材料，但随着切割深度的增加，流束的能量逐渐衰减，切割能力下降。由于上述原因，流束在射入点的流型与在射出点的流型不一样，从而导致该流束切出的切缝产生形状误差（如图4所示）。

上述形状误差实际上是可以消除的。举例说，要消除由于射出点滞后于射入点造成的转角误差及圆弧误差，可以采用放慢切割速度的方法。此外，为消除由于射出点与射入点的流型不一致造成的切缝锥度误差，可以采用放慢切割速度及将切割头侧向摆动一个小角度的方法。上述两种方法中，放慢速度的方法可以消除形状误差，但效率非常低，造成成本的极大浪费。毫无疑问，将切割头偏摆一个角度不但可以消除上述形状误差，而且效率较高，此外，偏摆角度的切割头还可以切割包括不同角度的锥面，扩大了高能束切割的应用范围。

要想实现切割头切割时朝任意方向偏摆一个角度，至少需要增加两个自由度，即将三轴机构变为一个五轴机构。目前用于高能束切割的五轴切割头可归纳为以下几种：1、切割头偏摆中心不在射入点，偏摆时，射入点的空间绝对坐标位置发生改变，必须通过X、Y、Z运动轴的同步运动对切割头进行精确补偿。这种方法的优势在于设计简单，劣势在于补偿要求高，不易实现精密控制。2、切割头的偏摆中心在射入点，比如两个旋转自由度由一个绕垂直轴转动的自由度及一个摆动自由度组成，这种切割头的优势在于：射入点与旋转自由度的转动中心重合，运动时不需要X、Y、Z自由度的同步补偿。劣势在于：垂直旋转轴会导致切割头所接的管路及电缆出现缠绕问题。3、切割头的偏摆中心与射入点近似重合，与第一种方法相比，这种切割头的优势在于所需要的补偿量较小，容易实现精确补偿，劣势在于设计比较复杂，容许的偏摆角小。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种双心共点万向动摆机构；该双心共点万向动摆机构既可保证切割头的射入点重合于两个旋转自由度的旋转中心，避免了旋转运动时的X、Y、Z同步补偿问题；又可避免切割头绕自身轴线旋转，不会形成管路及电缆的缠绕问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种双心共点万向动摆机构，其特征在于，包括第一驱动单元、第二驱动单元、旋转臂、夹持装置和介质通道；

第一驱动单元的输出端与旋转臂相连，用于驱动旋转臂绕第一旋转轴转动；夹持装置安装在旋转臂上，与旋转臂联动；第二驱动单元的输出端与夹持装置相连；夹持装置用于夹持切割头，并可带动切割头绕第二旋转轴转动；第一旋转轴与工件表面夹角小于70°，第二旋转轴与工件表面平行，第一旋转轴与第二旋转轴成直角相交，交点为旋转中心；切割头轴线与工件表面的交点与所述旋转中心重合；

所述介质通道用于向切割头内送入工作介质；介质通道包括至少四个旋转接头，第一旋转接头安装在第一驱动单元上，用于与外部介质源相连；第一旋转接头的中心轴线与第一旋转轴重合，第二旋转接头安装在旋转臂上；第三旋转接头悬空安装在旋转臂和夹持装置外部；第四旋转接头安装在切割头上，与切割头的相对位置固定，用于向切割头内输送工作介质；第一旋转接头、第二旋转接头、第三旋转接头和第四旋转接头依次通过刚性管道连通。