專利名稱：特別用于激光加工機的操作頭的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種特別用于激光加工機的操作頭。
背景技術(shù)：
用于激光加工機的操作頭可以從同一申請人的專利文獻EP927596文件中得知， 該操作頭包括具有第一鏡的支撐基座，該第一鏡適于沿第一軸接收激光束，并沿第二軸偏 轉(zhuǎn)激光束。旋轉(zhuǎn)體繞第二軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在基座上，并且支撐終端體，該終端體在第二軸方 向上可相對于旋轉(zhuǎn)體運動。由基座承載的第一馬達通過包括一對圓錐齒輪的傳動機構(gòu)控制 旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)。第二馬達由終端體承載，并且通過齒輪驅(qū)動終端體運動，所述齒輪通過帶連 接到馬達，并且與固定支架配合。 上文所述類型的頭允許激光束沿短的二維路徑高速運動，而不需要移動機器的主 軸。 從同一申請人的專利文獻EP1134052文件中可知一種用于激光加工機的操作頭， 該操作頭具有主權(quán)項的前序部分中公開的特征，并且改進了專利文獻EP927596文件中描 述的操作頭，減少了部件的數(shù)量并實現(xiàn)了具有較低慣量的運動部件的較簡單的頭。

發(fā)明內(nèi)容
在該上下文中，本發(fā)明的目的是提供上述操作頭的進一步改進，特別是增加上述 操作頭的運動精度和通用性。 根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有構(gòu)成主權(quán)項范圍的特征的操作頭來實現(xiàn)。根據(jù)從屬 權(quán)利要求的特征可以獲取更多的優(yōu)點。 此外，本發(fā)明的目的還在于改進設置有根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的操作頭的機器的 性能，設想了具有權(quán)利要求9的特征的用于該機器的控制方法。這種方法的優(yōu)選實施方式 體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求10和11中。


現(xiàn)在參照附圖通過非限制性實施例來詳細描述本發(fā)明，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的操作頭的正視圖；
圖2是沿圖1中II-II線的截面圖；
圖3是圖1中操作頭的透視圖； 圖4表示包含圖1至3中的操作頭的機器的控制單元的方框圖；以及 圖5a-5c表示示意圖，舉例說明了根據(jù)本發(fā)明的控制方法的包含圖1至3中的操
作頭的機器的操作。
具體實施例方式
參照附圖，用于激光加工機的操作頭由附圖標記IO標示。頭IO包括基座12，基座12具有用于固定到激光加工機的可動體(未示出)的終端部分上的接合部14。參照圖 2，基座12承載第一鏡16，使用時第一鏡16沿第一軸A接收激光束，并使激光束沿第二軸B 轉(zhuǎn)向90° 。優(yōu)選地，基座12繞軸A旋轉(zhuǎn)，如圖1和2中雙箭頭18所示。在基座12上，在 鏡16和第一軸A的交叉處，限定了操作頭10的凸緣中心CF。參照圖2，頭10包括旋轉(zhuǎn)體 20，該旋轉(zhuǎn)體通過一對軸承22由基座12繞著軸B可旋轉(zhuǎn)地支撐。在通過圖例示出的實施 方式中，旋轉(zhuǎn)體20由與軸B同軸布置的管狀元件形成。第二管狀元件24布置在旋轉(zhuǎn)體20 內(nèi)部。第二管狀元件24通過直線型棱柱弓I導件連接到旋轉(zhuǎn)體20，該引導件允許第二管狀元 件24沿軸B的方向運動，并將管狀元件20、24剛性地連接在一起，以沿如圖2中雙箭頭26 所示方向繞軸B旋轉(zhuǎn)運動。 終端體30被固定在第二管狀元件24上，并且與第二管狀元件24 —起在圖2中雙 箭頭W所示的方向上是可動的。終端體30支撐第二鏡34，該第二鏡34沿軸B接收激光束 并將其以90度沿第三軸C方向反射出去。由鏡34反射的光束然后被導向聚焦透鏡35，該 聚焦透鏡由終端體30的操作端37承載，可沿平行于第三軸C的方向相對于該操作端37運 動，這將在下文中說明。適于檢測聚焦透鏡35和被焊接的部件之間的距離的電容傳感器也 位于操作端37，處于聚焦透鏡35下方(參照圖2)。 參照圖2，第一直流馬達36具有固定到主體12上的定子38和固定到旋轉(zhuǎn)體20 上的轉(zhuǎn)子40。馬達36控制終端體30繞軸B的旋轉(zhuǎn)，不需要減速機構(gòu)。已知直流馬達靠其 自身能以非常小的角度(以10—3°的級數(shù))、以高扭矩及精度相對于與其關聯(lián)的可動構(gòu)件以 1 : 1的傳動比運轉(zhuǎn)，并且不需要減速齒輪機構(gòu)或運動學構(gòu)件(帶、滑輪等)。
第二直流馬達42控制終端體30沿雙向箭頭W所示方向運動。具體地，第二直流 馬達42包括由基座12支撐的定子43和固定到滾珠螺桿45的內(nèi)螺紋45a上的轉(zhuǎn)子44。滾 珠螺桿的內(nèi)部元件45b接合凸緣46，該凸緣46安裝在管狀元件24的終端體30的緊固凸 緣47上，緊固凸緣具有插設的軸承50。在圖示實施方式中軸承50是交叉滾子軸承，其具有 將終端體30連接到滾珠螺桿45 (特別是連接到內(nèi)部元件45b)上以便在W方向上運動的功 能，并且能夠使其和滾珠螺桿45脫離以便繞第二軸B旋轉(zhuǎn)運動。 由于所述配置，通過由馬達42致動的內(nèi)螺紋45a的旋轉(zhuǎn)作用，終端體30被拉動沿 滾珠螺桿45的內(nèi)部元件45b的第二軸B平移。 如總被提到的，終端體30的操作端37被安裝成能夠相對于終端體30沿與第二軸 B垂直的第三軸C平移。這種運動是通過第三馬達53控制的第二滾珠螺桿48的動作實現(xiàn) 的。 特別地，第三馬達53包括定子51，該定子51可沿第三軸C相對于終端體30運動、 并且固定到滾珠螺桿48的內(nèi)螺紋48a上，該滾珠螺桿通過圖1所示的倒U形外夾頭33與 操作端37整體水平運動。而馬達53的轉(zhuǎn)子52固定在滾珠螺桿53的內(nèi)部元件48b上，該 滾珠螺桿又與鏡34上方的終端體30 —體安裝。 由于上述配置，元件52在馬達53引導下的旋轉(zhuǎn)引起了內(nèi)螺紋48a和定子51的平 移，該動作帶動操作端37與它們一起沿第三軸C方向移動。 在圖中示出的實施方式中，直流馬達36、42和53沿相對于各自控制軸平行的方向 定向。這種布置由于其能減少操作頭的負擔而尤其有利。直流旋轉(zhuǎn)馬達42和53能夠被其 可動部件分別直接連接到凸緣47和定子51上的直線型直流馬達取代。
馬達36和42由基座12承載。因而，可動體的慣量較低，這提高了終端體30的運 動速度。直流馬達也能使運動鏈中的間隙消除，并且減少頭10中的部件數(shù)量。馬達在基座 12上的布置也能簡化電線。 從圖3中可看出，終端體30的平移和旋轉(zhuǎn)運動以及操作端37的平移運動能被組 合到一起來移動沿軸C從操作頭出來的激光束，或者改善沿包含在工作空間V中的任何軌 跡方向的操作頭37的操作參考點T(已知為工具中心點(TCP))，該工作空間的邊界通過馬 達36、42和53的工作沖程的長度限定。 在應用中，上述操作頭10參照激光加工機的笛卡爾坐標軸X、Y和Z被安裝在可動
結(jié)構(gòu)上。由這種可動結(jié)構(gòu)和操作頭io組合而成的激光加工機能夠被描述成冗軸機。 事實上，當操作機的關節(jié)(或軸)的數(shù)目大于用來描述操作空間所需的自由度時， 該操作機被定義成冗余。這需要大量可能的關節(jié)配置來為終端構(gòu)件實現(xiàn)所需定位和方向。
不論從運動學結(jié)構(gòu)而言，還是與外圍環(huán)境的相互作用上講，冗余解決方案的組合 允許獲得更具柔性的操作機。尤其是該冗余能被充分利用來滿足由工作空間帶來的約束， 以便不會違反操作機自身的物理約束，并且遵循軌跡而不會碰撞。 分析冗余操作機的重要方面在于分析管理冗余，來識別笛卡爾空間和關節(jié)空間中 的終端構(gòu)件的坐標之間的關系。在具體事例中，關節(jié)空間通過圖3所示的量B來表示，該量 是由馬達36、42和53的工作沖程的振幅限定的。 申請人:已經(jīng)實現(xiàn)了用于包括根據(jù)本發(fā)明的操作頭的操作機器的控制系統(tǒng)，其使得 操作頭的有利特征得到最好利用，尤其是以有效方式管理了冗余的量，以保障機器的更好 性能。 根據(jù)本發(fā)明，在操作頭IO被安裝在上述類型的操作機器上的應用中，操作頭10的 馬達36、42和53可操作地連接到數(shù)控單元上。而且，這種數(shù)控單元控制機器的可動結(jié)構(gòu)的 軸X、 Y和Z的致動器以及軸A的致動器。 所述控制單元根據(jù)作為加工部件的請求的函數(shù)中預建立的程序并以互相配合的 方式控制所述馬達和致動器的操作。這些程序被設置成使得操作端37在圖3中的容積V 中以基本連續(xù)的方式并以極其高的速度和加速度運動，而機器的可動結(jié)構(gòu)卻以相對低的加 速度對應于軸X、Y和Z運動，限定了所述容積V能被移動的較寬的空間，并且對應于軸A運 動，以限定在空間X、 Y和Z中容積V的方向。 因此，上述控制類型通過提供包括第一定位過濾器和第二定向過濾器的過濾裝置 來獲得，其允許工作軌跡被分解成分別用于由軸X、 Y、 Z和A形成的第一低動態(tài)系統(tǒng)和用于 由軸W、B和C形成的第二高動態(tài)系統(tǒng)的確定軌跡。定位過濾器和定向過濾器能以也可以是 不同的過濾頻率操作。 因此，用來限定第一系統(tǒng)，并將操作頭的凸緣中心CF傳輸經(jīng)過機器的整個工作區(qū) 的機器的可動結(jié)構(gòu)的軸X、 Y、 Z和A具有低加速度，而且圖3所示的操作頭的小工作容積V 根據(jù)確定的方向也具有低加速度，然而，限定第二系統(tǒng)的操作頭10的軸W、B和C(參見圖3) 具有高加速度。機器所有軸(包括第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng))是七個。 所形成的激光操作機在三維空間中運作，但是具有為參考點或TCP的運動而協(xié)作 的冗余笛卡爾軸。 因此，為了控制這種激光操作機，需要總體上協(xié)調(diào)第一系統(tǒng)的軸X、Y及Z、A和第二
6系統(tǒng)的軸W、B及C的運動，同時考慮第一系統(tǒng)的軸X、 Y和Z、A負責整個工作區(qū)中不斷地傳 送操作頭10的操作端37，其動態(tài)跟隨該頭10的運動，不會阻止操作頭10的軸W、B和C以 等待移動系統(tǒng)的軸X、 Y和Z的運動。 在圖4中，示意圖是介紹包括用于管理致動器的控制的兩個個人計算機61和62 的數(shù)控單元60的結(jié)構(gòu)。 個人計算機61作為向第二個人計算機62發(fā)送指令和命令的用戶接口來運轉(zhuǎn)，其 中第二個人計算機優(yōu)選地包括與用于機器管理的實時型擴展機62b關聯(lián)的Li皿x型操作系 統(tǒng)62a。因此，個人計算機62提供用于控制致動器的DSP PCI型的伺服控制器板63遵循的 軌跡。 在個人計算機62中和伺服控制器板63中實施用來管理冗余軸的方法，這將在后 面詳細介紹。 根據(jù)本領域中已知的方法，響應于具有加速度和速度的確定規(guī)格的所謂的用于
"虛擬"機的"部件程序"，數(shù)控單元60產(chǎn)生指令P的序列。該指令P的序列來自于個人計
算機51，并由適當?shù)某绦蛏桑糜陔x線設置機器的軌跡和運動。對其應用插值函數(shù)，基于
所述指令P的序列提供操作機的軌跡的生成。該插值響應于在指令P的序列中發(fā)送的預備
代碼或者G代碼而操作。該插值操作通過在個人計算機52上的軟件來執(zhí)行。 圖5a、5b、5c用示意方式顯示了用于本文中說明的冗余軸機器的提出的控制方法
的例子。 通常，這種機器將工作參考點T或者TCP的軌跡和其斜度限定成操作機的軌跡來 操作。通常這對應于提供可動結(jié)構(gòu)的運動軸X、Y、Z的相對軌跡，繞第一軸A的旋轉(zhuǎn)提供工 具方向，繞操作頭的軸B的旋轉(zhuǎn)建立工作參考點T的斜度。 圖5a顯示了設想如何通過首先生成凸緣中心CF的軌跡來獲取工作參考點T的這 種軌跡，其中凸緣中心CF是和低動態(tài)機關聯(lián)，即是和定向軸A最終附接到的軸X、Y、Z關聯(lián)。 因此，凸緣中心CF的這種軌跡允許工作參考點T的部分軌跡在低動態(tài)機上被細分，該低動 態(tài)機基于程序設定的軌跡實時操作，無需考慮冗余軸的存在。 然后工作參考點T的軌跡通過在工作容積V中實現(xiàn)的高動態(tài)機的軌跡來完成，其 主要包括繞傾斜軸B的旋轉(zhuǎn)。 在圖5a中，在確定的工作周期中操作頭10的參考點T的所需軌跡用線111標示 出。虛線101表示由機器的可動結(jié)構(gòu)引導的操作頭的預定點的軌跡，在所示的實施例中具 體為凸緣中心CF，其根據(jù)常規(guī)控制方法設定，用于獲取所需軌跡111。該所需軌跡111對應 于凸緣中心CF被偏移一定距離的軌跡101，該偏移的距離通過水平軸間距KLA和豎直軸間 距KLB來限定。參考圖2，水平軸間距KLA形成在第一軸A和第三軸C之間，基本上對應于 第一鏡16和第二鏡34的中心之間的距離，而豎直軸間距KLB形成在第二軸B和操作參考 點TCP之間，基本上對應于第二鏡34的中心和操作端37上的操作參考點之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明，提供了將過濾裝置應用到凸緣中心的該軌跡101上。在圖5b中，線 102表示為同一 目的按上述控制方法指定的過濾軌跡。這也是通過軸X、 Y、 Z、 A來限定的。
在根據(jù)本發(fā)明的控制方法中，然后通過消除軸X、Y、Z、A的軌跡中的高頻分量來獲 取凸緣中心的該過濾軌跡102，以獲取僅包含低頻分量的軌跡。舉例而言，該過濾操作能設 想用于各個軸X、 Y、 Z以及可能用于軸A的切斷頻率或門限頻率的限定。指定用于凸緣中
7心CF，并因此用于該機器的可動結(jié)構(gòu)的軸的過濾軌跡102相對于與傳統(tǒng)控制方法的相應軌 跡更簡單，因此該軌跡能由具有基本連續(xù)速度趨勢的這種可動結(jié)構(gòu)遵循，這樣減少了所包 含的慣性力。然而，如圖5b所示，相對于所需軌跡111， TCP的最終位置受位置誤差E的影 響。 因此，如圖5c所示，設想到為了產(chǎn)生相對于操作頭的軸B、C、W的機器的第二高動 態(tài)軌跡，計算該軌跡，以獲取工作參考點T的整個軌跡所需的斜度，并補償由過濾裝置所引 入的位置誤差E。尤其是，沿著軸W、沿著軸C、沿著軸B產(chǎn)生分量，上述軸為獲取操作頭最 初需要的定位而共同工作。總的來說，該調(diào)節(jié)高動態(tài)地在有冗余的小容積V中發(fā)生，操作頭 10憑借馬達36、42、53的存在而能跟隨它。 正如上述提到的，當改變工具的方向時，可以設想到也將工具定向軸A看作過濾 軸。在這種情況下，提供了定位的和定向的兩個過濾器，其以也可不同的過濾頻率同時操作。 當然，在不脫離隨后的權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的范圍的情況下，相對于已經(jīng) 說明和圖示的，可以很大程度地改變結(jié)構(gòu)以及實施方式的細節(jié)。 應用于機器軌跡的過濾裝置根據(jù)分配給不同系統(tǒng)的動態(tài)特征可以是不同的類型。
權(quán)利要求
一種特別用于激光加工機的操作頭，包括基座(12)，其繞第一軸(A)可旋轉(zhuǎn)地與激光加工機的可動結(jié)構(gòu)聯(lián)接；旋轉(zhuǎn)體(20)，其繞第二軸(B)可旋轉(zhuǎn)地由所述基座(12)支撐；終端體(30)，其設有操作端(37)，所述終端體沿所述第二軸(B)的方向可動地由所述旋轉(zhuǎn)體(20)支撐；第一馬達(36)，用于控制所述旋轉(zhuǎn)體(20)繞所述第二軸(B)的旋轉(zhuǎn)；以及第二馬達(42)，用于控制所述終端體(30)沿所述第二軸(B)的運動，其特征在于，所述操作端(37)安裝在所述終端體上，使得所述操作端(37)能夠沿垂直于所述第二軸(B)的第三軸(C)平移，并且所述操作頭還包括用來沿所述第三軸(C)移動所述操作端(37)的第三馬達(53)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的操作頭，其特征在于，所述第三馬達由所述終端體(30)承載， 并包括基本上平行于所述第三軸(C)定位的第一線性致動器(48)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的操作頭，其特征在于，所述操作端(37)包括適于聚焦來自所 述機器的激光束的聚焦透鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的操作頭，其特征在于，所述第二馬達由所述基座(12)承載，并 包括基本上平行于所述第二軸(B)定位的第二線性致動器(45)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的操作頭，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)體(20)承載固定到所述終端 體(30)上的管狀元件(24)，所述管狀元件(24)以旋轉(zhuǎn)方式通過平行于所述第二軸(B)布 置的線性棱柱形引導件連接到所述管狀體(20)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的操作頭，其特征在于，所述管狀元件(24)通過軸承(50)連接 到第二致動器(45)上，所述軸承(50)能夠使所述管狀元件(24)與所述第二致動器分離以 繞所述第二軸(B)運動。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的操作頭，其特征在于，所述第二致動器(45)接合凸緣(47)， 所述凸緣(47)繞所述管狀元件(24)安裝，其中所述軸承(50)插設于所述凸緣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的操作頭，其特征在于，所述軸承是交叉滾子軸承。
9. 一種冗余軸機器的使用方法，所述冗余軸機器包括可動結(jié)構(gòu)和根據(jù)權(quán)利要求1至8 中的任一項所述的操作頭，所述可動結(jié)構(gòu)由致動器控制并根據(jù)第一組變量(X、 Y、 Z、 A)操 作，所述操作頭根據(jù)第二組變量(W、B、C)操作，所述第一組變量(X、Y、Z、A)和所述第二組 變量(W、B、C)限定一個或多個冗余變量，所述方法包括如下操作通過數(shù)控單元(50)和伺服控制模塊(53)來控制所述可動結(jié)構(gòu)的所述致動器和所述操 作頭的馬達，用來實現(xiàn)所述變量作為設定序列(P)的函數(shù)的軌跡； 其特征在于所述方法包括如下操作插值(100)所述序列(P)，以獲取所述冗余軸機器的工作點(TCP)的軌跡(111)， 生成所述可動結(jié)構(gòu)的軌跡(IOI)，從而使所述操作頭的預設點遵循偏移水平(KLA)軸 間距離和豎直(KLA)軸間距離的冗余軸機器的工作點(TCP)的軌跡(111)， 對所述可動結(jié)構(gòu)的所述軌跡(101)進行過濾，以獲得過濾軌跡(102)， 計算(120)操作頭的第二軌跡(W、 B、 C)，以補償工作點(TCP)的軌跡(111)和過濾軌跡(102)之間的位置誤差(E)，將可動結(jié)構(gòu)的所述軌跡((X、Y、Z、A))和操作頭的所述第二軌跡(W、B、C)提供給所述 伺服控制器(63)以分別致動所述可動結(jié)構(gòu)和所述操作頭。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述可動結(jié)構(gòu)的所述軌跡(101)被過濾， 消除了高頻分量，以獲取僅包含低頻分量的過濾軌跡(102)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述操作頭的所述的預定點對應于凸緣 中心(CF)，所述凸緣中心由所述第一軸(A)和第二軸(B)的交點限定。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述的第一組變量(X、Y、Z、A)包括作為 定向軸的所述第一軸(A)，并且，所述可動結(jié)構(gòu)的所述軌跡(101)由第一定位過濾器和第二 定向過濾器過濾。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述定位過濾器和定向過濾器以不同 的過濾頻率操作。
全文摘要
一種特別用于激光加工機的操作頭，以及包括可動結(jié)構(gòu)和操作頭的類型的冗余軸激光加工機的使用方法。所述可動結(jié)構(gòu)由致動器控制并根據(jù)第一組變量(X、Y、Z、A)操作，所述操作頭根據(jù)第二組變量(W、B、C)操作，所述第一組變量(X、Y、Z、A)和所述第二組變量(W、B、C)限定一個或多個冗余變量。這種方法設想了過濾裝置，其允許工作軌跡分別被分解成用于第一低動態(tài)系統(tǒng)和第二高動態(tài)系統(tǒng)的確定軌跡，所述第一低動態(tài)系統(tǒng)由所述的第一組變量(X、Y、Z、A)組成，所述第二高動態(tài)系統(tǒng)由所述的第二組所述變量(W、B、C)組成。
文檔編號B23K26/08GK101722365SQ200910179799
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者C·塔蘭蒂尼, M·卡拉科伊, M·卡迪納爾 申請人:普瑞瑪工業(yè)股份有限公司