用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置及方法

摘要

本发明属于准直器位姿调节领域，并公开了一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置及方法，该装置包括内啮合齿轮机构、圆形滑轨、十字交叉滑台机构，内啮合齿轮机构包括套装在机床主轴外部的大齿轮及与大齿轮内啮合的小齿轮，机床主轴下方连接有刀具，大齿轮固定在机床主轴上，小齿轮连接有第一伺服电机，圆形滑轨套装在机床主轴外部；十字交叉滑台机构位于大齿轮的旁侧，其与第一伺服电机相连，其可随着小齿轮的运动在圆形滑轨的导向下做圆周运动，其上通过安装固定机构安装有准直器；所述方法利用上述准直器位姿调节装置实现。本发明可针对任意走刀路径实时调节激光光斑，使其始终位于刀具前方材料的既定位置。

权利要求

1.一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置，其特征在于，包括内啮合齿轮机构、圆形滑轨(31)、十字交叉滑台机构，其中：所述内啮合齿轮机构包括套装在机床主轴(32)外部的大齿轮(30)及与大齿轮(30)内啮合的小齿轮(1)，所述机床主轴(32)的下方连接有刀具(24)，所述大齿轮(30)通过固定支板(29)固定在机床主轴(32)上，所述小齿轮(1)连接有第一伺服电机(2)，所述圆形滑轨(31)套装在机床主轴(32)外部并安装在大齿轮(30)上；

所述十字交叉滑台机构位于大齿轮(30)的旁侧，其与第一伺服电机(2)相连，在该第一伺服电机(2)的作用下小齿轮(1)通过与大齿轮(30)的啮合作用做圆周运动，十字交叉滑台机构随着小齿轮(1)的运动在圆形滑轨(31)的导向下同样做圆周运动，该十字交叉滑台机构上通过安装固定机构安装有准直器(22)，所述安装固定机构包括第四伺服电机(15)以及与第四伺服电机(15)相连的第五伺服电机(19)，所述第四伺服电机(15)通过连接组件与十字交叉滑台机构相连，所述准直器(22)通过连接组件与所述第五伺服电机(19)相连。

2.如权利要求1所述的用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置，其特征在于，所述十字交叉滑台机构包括竖直调节组件和水平调节组件，所述竖直调节组件包括第二伺服电机(3)、与第二伺服电机(3)相连的且与机床主轴(32)平行布置的第一丝杠(7)以及与第一丝杠(7)相连的第一丝杠端部(16)，所述第一丝杠端部(16)连接有主轴支撑板(27)，该主轴支撑板(27)与机床主轴(32)可转动连接；所述水平调节组件包括第三伺服电机(12)以及与第三伺服电机(12)相连的且与机床主轴(32)垂直布置的第二丝杠(13)，该第三伺服电机(12)安装在支板(9)上，所述支板(9)通过第一丝杠螺母(34)与第一丝杠(7)螺纹配合。

3.如权利要求2所述的用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置，其特征在于，用于连接第四伺服电机(15)与十字交叉滑台机构的连接组件包括第一电机支撑结构(17)，所述第四伺服电机(15)安装在第一电机支撑结构(17)上，该第一电机支撑结构(17)通过第二丝杠螺母(8)与第二丝杠(13)螺纹连接；用于连接准直器(22)与第五伺服电机(19)的连接组件包括准直器支撑板(20)，所述第五伺服电机(19)的主轴连接所述准直器支撑板(20)，所述准直器(22)通过准直器安装机构安装在该准直器支撑板(20)上。

4.如权利要求3所述的用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置，其特征在于，所述准直器安装机构包括V型块(21)和弧形盖板(23)，所述V型块(21)固定安装在准直器支撑板(20)上，准直器(22)放置于V型块(21)的V型槽中，弧形盖板(23)位于准直器(22)上，其通过紧固件紧固于V型块(21)上，以将准直器(22)压紧在V型块(21)上。

5.一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节方法，其特征在于，采用如权利要求2-4任一项所述的装置进行，其包括如下步骤：

(1)通过第五伺服电机(19)带动准直器在竖直面上旋转，实现激光入射角度的调节；

(2)通过第二伺服电机(3)带动十字交叉滑台水平调节组件与准直器上下移动，以改变激光入射点与激光光斑中心之间的距离，进而实现激光光斑大小的调节；

(3)通过第三伺服电机(12)带动准直器左右移动，以实现激光光斑中心与刀具中心在刀具进给方向上距离的调节；

(4)通过第一伺服电机(2)带动准直器绕机床主轴旋转，以实现激光光斑中心与刀具中心在垂直于刀具进给方向上距离的调节；

(5)通过第四伺服电机(15)带动准直器在水平面上旋转，使得激光光斑的方向发生改变，以保证激光光斑的长轴平行于刀具路径的切线。

6.如权利要求5所述的用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节方法，其特征在于，步骤(1)-(5)同时进行。

说明书

用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于准直器位姿调节领域，更具体地，涉及一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置及方法。

背景技术

[0002] 近年来，激光辅助铣削技术得到快速发展。在激光辅助铣削时，将高功率激光聚焦在切削区域前方的工件材料上，在材料被切除前的短时间内将工件材料局部加热到较高的温度，使被加工材料的切削区域受热软化，从而有效降低工件材料的屈服强度，改善切削性能，在提高加工效率的同时改善加工表面质量。

[0003] 但在目前的激光辅助铣削加工中，多采用固定式准直器连接到铣床上的方式对工件进行激光辅助铣削，这就导致激光辅助铣削只能在一个方向进行，只适用于比较简单的平面单向加工。而在铣削任何具有曲面特征的零件时，铣削过程涉及到复杂的刀具路径，刀具进给方向会不断变化。因此，在刀具路径变化时，安装在铣床上的固定式准直器无法调节激光光斑加热刀具前面的工件材料，使得激光无法对工件准确预热，最终导致激光辅助铣削加工失败。

[0004] 综上，在自由曲面激光辅助铣削的过程中，为了使激光光斑能够始终位于刀具前方材料的既定位置，需要研究设计一套准直器位姿调节装置，使其能够对激光光斑进行实时调节。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置及方法，其对关键组件如内啮合齿轮机构、圆形滑轨及十字交叉滑台机构的结构及其具体布置方式进行研究和设计，可实现在自由曲面激光辅助铣削的过程中，针对任意走刀路径实时调节激光光斑，使其始终位于刀具前方材料的既定位置，可应用于大型复杂零件尤其是曲面零件的激光辅助铣削加工中。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面提供了一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置，其包括内啮合齿轮机构、圆形滑轨、十字交叉滑台机构，其中：

[0007] 所述内啮合齿轮机构包括套装在机床主轴外部的大齿轮及与大齿轮内啮合的小齿轮，所述机床主轴的下方连接有刀具，所述大齿轮通过固定支板固定在机床主轴上，所述小齿轮连接有第一伺服电机，所述圆形滑轨套装在机床主轴外部并安装在大齿轮上；

[0008] 所述十字交叉滑台机构位于大齿轮的旁侧，其与第一伺服电机相连，在该第一伺服电机的作用下小齿轮通过与大齿轮的啮合作用做圆周运动，十字交叉滑台机构随着小齿轮的运动在圆形滑轨的导向下同样做圆周运动，该十字交叉滑台机构上通过安装固定机构安装有准直器。

[0009] 作为进一步优选的，所述十字交叉滑台机构包括竖直调节组件和水平调节组件，所述竖直调节组件包括第二伺服电机、与第二伺服电机相连的且与机床主轴平行布置的第一丝杠以及与第一丝杠相连的第一丝杠端部，所述第一丝杠端部连接有主轴支撑板，该主轴支撑板与机床主轴可转动连接；所述水平调节组件包括第三伺服电机以及与第三伺服电机相连的且与机床主轴垂直布置的第二丝杠，该第三伺服电机安装在支板上，所述支板通过第一丝杠螺母与第一丝杠螺纹配合。

[0010] 作为进一步优选的，所述安装固定机构包括第四伺服电机以及与第四伺服电机相连的第五伺服电机，该第四伺服电机安装在第一电机支撑结构上，该第一电机支撑结构通过第二丝杠螺母与第二丝杠螺纹连接，所述第五伺服电机的主轴连接有准直器支撑板，所述准直器通过准直器安装机构安装在该准直器支撑板上。

[0011] 作为进一步优选的，所述准直器安装机构包括V型块和弧形盖板，所述V型块固定安装在准直器支撑板上，准直器放置于V型块的V型槽中，弧形盖板位于准直器上，其通过紧固件紧固于V型块上，以将准直器压紧在V型块上。

[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节方法，其包括如下步骤：

[0013] (1)通过第五伺服电机带动准直器在竖直面上旋转，实现激光入射角度的调节；

[0014] (2)通过第二伺服电机带动十字交叉滑台水平调节组件与准直器上下移动，以改变激光入射点与激光光斑中心之间的距离，进而实现激光光斑大小的调节；

[0015] (3)通过第三伺服电机带动准直器左右移动，以实现激光光斑中心与刀具中心在刀具进给方向上距离的调节；

[0016] (4)通过第一伺服电机带动准直器绕机床主轴旋转，以实现激光光斑中心与刀具中心在垂直于刀具进给方向上距离的调节；

[0017] (5)通过第四伺服电机带动准直器在水平面上旋转，使得激光光斑的方向发生改变，以保证激光光斑的长轴平行于刀具路径的切线。

[0018] 作为进一步优选的，步骤(1)-(5)同时进行。

[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0020] 1.本发明的准直器位姿调节装置可实现准直器四个自由度的调节，包括准直器的水平旋转、水平移动、竖直移动以及入射方向的调节，可实现在自由曲面激光辅助铣削的过程中，实时调节准直器位姿，使激光光斑始终位于刀具前方材料的既定位置。

[0021] 2.本发明的准直器位姿调节装置的每个自由度均由伺服电机进行控制，可根据实际刀具路径和切削参数实时地调节准直器位姿，满足切削需求，保证切削质量。

[0022] 3.本发明的准直器位姿调节装置采用上下双支撑(即利用上下布置的主轴支板及主轴支撑板进行支撑)的方式安装于机床主轴上，具有较好的结构刚度，整体结构布局紧凑，尺寸较小，占用空间小。

附图说明

[0023] 图1是本发明实施例提供的一种准直器位姿调节装置的前侧视图；

[0024] 图2是本发明实施例提供的一种准直器位姿调节装置的后侧视图；

[0025] 图3a是十字交叉滑台机构的正视图；

[0026] 图3b是十字交叉滑台机构的俯视图；

[0027] 图3c是十字交叉滑台机构的左视图；

[0028] 图4是主轴支撑板与机床主轴的连接示意图；

[0029] 图5是自由曲面激光辅助铣削的原理图；

[0030] 图6是激光光斑位置调节原理图。

[0031] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0032] 1-小齿轮，2-第一伺服电机，3-第二伺服电机，4-连接板，5-滑板，6-第一圆柱导轨，7-第一丝杠，8-第二丝杠螺母，9-支板，10-第三圆柱导轨，11-第二联轴器，12-第三伺服电机，13-第二丝杠，14-第四圆柱导轨，15-第四伺服电机，16-第一丝杠端部，17-第一电机支撑结构，18-第二电机支撑结构，19-第五伺服电机，20-准直器支撑板，21-V型块，22-准直器，23-弧形盖板，24-刀具，25-对顶螺母，26-螺母，27-主轴支撑板，28-双列圆锥滚子轴承，29-主轴支板，30-大齿轮，31-圆形滑轨，32-机床主轴，33-第二圆柱导轨，34-第一丝杠螺母，35-第一联轴器。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0034] 如图1所示，本发明实施例提供的一种用于自由曲面激光辅助铣削的准直器位姿调节装置，其包括内啮合齿轮机构、圆形滑轨31、十字交叉滑台机构，该装置可以实现在自由曲面激光辅助铣削的过程中，针对任意走刀路径实时地调节激光光斑，使其始终位于刀具前方材料的既定位置。

[0035] 如图1所示，内啮合齿轮机构采用内啮合的方式，以提高整个装置的刚度，其包括套装在机床主轴32外部的大齿轮30及与大齿轮30内啮合的小齿轮1，其中，机床主轴32的下方连接有刀具24，大齿轮30通过固定支板29安装在机床主轴32上，该固定支板29起到将整个位姿调节装置固定在机床主轴上的作用，小齿轮1连接有第一伺服电机2，具体的小齿轮1与第一伺服电机的主轴相连，圆形滑轨31套装在机床主轴32外部并安装在大齿轮30上。

[0036] 如图1所示，十字交叉滑台机构位于大齿轮30的旁侧，其与第一伺服电机2的主轴相连，该十字交叉滑台机构具体通过连接板4与第一伺服电机2相连，在该第一伺服电机2的作用下小齿轮1通过与大齿轮30的啮合作用做圆周运动，而十字交叉滑台机构随着小齿轮1的运动并在圆形滑轨31的导向下同样做圆周运动，该十字交叉滑台机构上还安装有准直器22，该准直器22在十字交叉滑台机构的作用下实现位姿的调整。通过实时调整第一伺服电机2带动小齿轮1沿大齿轮30旋转，进而带动准直器位姿调节装置位于大齿轮外部的结构沿圆形滑轨31进行旋转，以保证在加工过程中当进给方向发生改变时，实时调整准直器在圆周方向的位置，使激光光斑始终位于刀具前方的工件材料上。

[0037] 如图2、3a-3c所示，十字交叉滑台机构包括竖直调节组件和水平调节组件，其中，竖直调节组件包括第二伺服电机3、与第二伺服电机3相连的第一丝杠7以及与第一丝杠7相连的第一丝杠端部16，第二伺服电机3安装在连接板4上，第一丝杠7通过第一联轴器35与第二伺服电机3的主轴相连，该第一丝杠7的布置方向与机床主轴32平行，第一丝杠端部16连接有主轴支撑板27，该主轴支撑板27与机床主轴32可转动连接；水平调节组件包括第三伺服电机12以及与第三伺服电机12相连的且与机床主轴32垂直布置的第二丝杠13，即第二丝杠13与第一丝杠7呈十字交叉布置，该第二丝杠13通过第二联轴器11与第三伺服电机12的主轴相连，第三伺服电机12安装在支板9上，支板9通过第一丝杠螺母34与第一丝杠7螺纹配合，即第一丝杠7穿过第一丝杠螺母，并与第一丝杠螺母螺纹配合。通过第二伺服电机3和第三伺服电机12来控制第一丝杠7与第二丝杠13的旋转，通过第二伺服电机3可带动第一丝杠7转动，进而使得水平调节组件上下运动，从而使得准直器上下运动，以实现激光入射点与激光光斑中心间距离的调节，进而实现对激光光斑大小的调节，通过第三伺服电机12可带动第二丝杠转动，进而带动准直器水平移动，以实现在刀具进给方向上激光光斑中心与刀具中心之间距离的调节。优选的，第一丝杠7两侧对称设置有第一圆柱导轨6和第二圆柱导轨33，第一圆柱导轨6和第二圆柱导轨33穿过第一丝杠螺母34，以实现十字交叉滑台水平调节组件的导向。

[0038] 具体的，连接板4的下方设置有滑板5，滑板5上安装有滚轮，具体在滑板的四个角上安装四个滚轮，滚轮与圆形滑轨31滚动配合，在小齿轮相对于大齿轮运动过程中，滚轮沿着圆形滑轨31滚动以实现导向，四个滚轮的其中两个位于圆形滑轨31的内侧，另两个位于圆形滑轨31的外侧。

[0039] 进一步的，准直器22通过安装固定机构与十字交叉滑台机构相连。如图1所示，安装固定机构包括第四伺服电机15以及与第四伺服电机15相连的第五伺服电机19。具体的，该第四伺服电机15安装在第一电机支撑结构17上，该第一电机支撑结构17通过第二丝杠螺母8与第二丝杠13螺纹连接，即第二丝杠13穿过第二丝杠螺母8，并与第二丝杠螺母螺纹配合，该第五伺服电机19通过第二电机支撑结构18与第四伺服电机15主轴相连，该第五伺服电机19的主轴连接有准直器支撑板20，准直器22通过准直器安装机构安装在该准直器支撑板20上。通过第五伺服电机19带动准直器支撑板20旋转，进而带动准直器支撑板20上的准直器旋转，以实现激光入射角度的实时调节，该激光入射角度为准直器发射的激光束与激光光斑中心处曲面法线间的夹角。具体的，第二丝杠13的两侧对称设置有第三圆柱导轨10和第四圆柱导轨14，第三圆柱导轨10和第四圆柱导轨14穿过第二丝杠螺母8，以实现第一电机支撑结构17的导向和支撑。

[0040] 如图2所示，准直器安装机构包括V型块21和弧形盖板23，V型块21固定安装在准直器支撑板20上，准直器22放置于V型块21的V型槽中，弧形盖板23位于准直器22上，弧形盖板23通过紧固件譬如螺钉紧固于V型块21上，以将准直器22压紧在V型块21上，实现将准直器
22固定安装在准直器位姿调节装置的末端。

[0041] 如图2和4所示，主轴支撑板27的一端通过双列圆锥滚子轴承28与机床主轴32的下端可转动连接，机床主轴32上还设置有对主轴支撑板27下端面进行支撑的螺母26和对顶螺母25，主轴支撑板27另一端与第一丝杠端部16相连，以实现对整个机构的支撑，进而提高整个装置的刚度。

[0042] 下面对本发明的准直器位姿调节装置的工作过程进行说明，在自由曲面激光辅助铣削中，需要通过调整准直器位姿进行控制的激光参数包括：激光入射角度、激光光斑大小、激光光斑中心与刀具中心间相对位置(两中心在进给方向上的距离和垂直于进给方向上的距离)以及激光在垂直于机床主轴平面内的入射方向，具体采用如下方式进行调节：

[0043] (1)对激光入射角度进行调节，通过控制第五伺服电机19主轴的转动，从而带动准直器的旋转，进而实现激光入射角度α的调节，激光入射角度α为准直器发射的激光束与激光光斑中心处曲面法线间的夹角，具体的，如图1所示，第五伺服电机19带动准直器在竖直平面上旋转，即第五伺服电机19的主轴水平布置，其带动准直器绕水平布置的主轴旋转，以调节准直器的轴线与激光光斑中心处曲面法线之间的夹角，进而调节激光入射角度α；

[0044] (2)对激光光斑大小进行调节，通过控制第二伺服电机3主轴的转动，从而带动十字交叉滑台水平调节组件与准直器上下移动，进而改变激光入射点与激光光斑中心之间的距离，从而改变激光光斑的大小；

[0045] (3)对激光光斑中心与刀具中心在刀具进给方向上的距离Lu进行调节，通过控制第三伺服电机12主轴的转动，带动准直器沿着十字交叉滑台水平调节组件中的两圆柱导轨左右移动，从而改变激光光斑中心与刀具中心在刀具进给方向上的距离；

[0046] (4)对激光光斑中心与刀具中心在垂直于刀具进给方向上的距离进行调节，通过控制第一伺服电机2主轴的转动，进而带动准直器位姿调节装置旁侧机构与准直器围绕机床主轴进行旋转，调节激光光斑中心与刀具中心在垂直于刀具进给方向上的距离，使得在垂直于机床主轴的平面内的激光光斑中心与刀具路径间的距离Lv(即激光光斑中心与刀具中心在垂直于刀具进给方向上的距离)始终保持不变，如图6所示，光斑由光斑位置1调整至光斑位置2；

[0047] (5)对激光光斑在垂直于机床主轴平面内的方向进行调节，通过控制第四伺服电机15主轴的转动，使得激光光斑(椭圆形)的方向(光斑的长轴方向)发生改变，保证激光光斑的长轴平行于刀具路径的切线，如图1所示，第四伺服电机15带动准直器在水平面上旋转，即第四伺服电机15的主轴竖直布置，其带动准直器绕其竖直布置的主轴旋转，以调节激光光斑的方向，如图6所示，光斑由光斑位置2调整至光斑位置3。

[0048] 需要注意，由于在整个自由曲面激光辅助铣削的加工过程中，刀具路径在时刻改变，所以需要根据刀具路径对激光各参数进行实时地调节，步骤(1)-(5)基本上同时进行调节。

[0049] 本发明的用于自由曲面激光辅助铣削中的准直器位姿调节装置，可以实现在自由曲面激光辅助铣削的过程中，针对任意走刀路径实时地调节激光光斑，使其始终位于刀具前方材料的既定位置，本发明装置的每个自由度均由伺服电机进行控制，通过调整第一伺服电机可以实现在垂直于刀具进给方向上激光光斑中心与刀具中心的距离的调节，通过调整第二伺服电机可以实现对激光光斑大小的调节，通过调整第三伺服电机可以实现在刀具进给方向上激光光斑中心与刀具中心之间距离的调节，通过调整第四伺服电机可以实现激光光斑在垂直于机床主轴平面内的方向的调节，通过调整第五伺服电机可以实现对激光入射角度的调节。本发明可根据实际走刀路径和切削参数实时调节准直器位姿，因而可应用于大型复杂零件的激光辅助铣削加工中。

[0050] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。