專利名稱：一種用于高能束加工的智能數(shù)控機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高能束加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于高能束加工的智能數(shù)控機床。
背景技術(shù)：
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(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向，造成轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)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(zhuǎn)向，造成小圓弧處的形狀誤差(如圖3)。缺陷3 :流束與材料發(fā)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(dǎo)致該流束切出的切縫產(chǎn)生形狀誤差(如圖4所示)。缺陷4 :高能束切割材料時，被切割材料切割表面的切入切出點靠近射出點處一般會留下一塊未切割的小三角區(qū)(如圖5所示)。導(dǎo)致出現(xiàn)這種未切完的小三角區(qū)的主要原因也是射出點滯后于射入點。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(zhuǎn)角誤差及圓弧誤差，可以采用放慢切割速度的方法；而要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或?qū)⒏吣苁懈铑^側(cè)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，難以為市場接受。而將高能束切割頭偏擺一個小角度可以大大提高切割效率，但目前采用此種方法的高能束切割機只是部分解決了上述形狀誤差問題。實際上，要想以較高效率完全消除高能束切割出現(xiàn)的形狀誤差，需要同時滿足三個條件條件I、高能束切割頭需要能沿任意方向精確偏擺一個小角度；條件2、需要一套完整的控制方案；條件3、需要一套精密控制軟件。三者缺一不可。為了以較高效率完全消除高能束切割出現(xiàn)的形狀誤差，條件I (高能束切割頭需要能沿任意方向精確偏擺一個小角度)是必須的。條件I實際上包含兩層含義A、需要一個能實現(xiàn)X、Y、Z方向移動及高能束切割頭兩個旋轉(zhuǎn)運動的運動系統(tǒng)；Β、運動系統(tǒng)的分辨率和精度要足夠高。舉例說，切割一條直線時，從起始切割點，切割速度從O開始沿進刀方向逐步增加，一直增加到一個設(shè)定值，在接近終點時，切割速度又需要逐步減少直到為O。在上述切割過程中，切割速度是變化的，并因此造成切縫錐度的變化，且變化量很細微。為了消除切縫錐度誤差，高能束切割頭需要側(cè)向偏擺一個與切縫錐度對應(yīng)的呈細微變化的角度。因此，僅僅實現(xiàn)了高能束切割頭的偏擺運動還不夠，還需要偏擺運動的分辨率和精度足夠高，才能真正消除形狀誤差。同樣，切割圓弧時，由于圓弧的切割線方向隨時在改變，為了消除形狀誤差，高能束切割頭在任意點均需要側(cè)向偏擺一個小角度。為了以較高效率完全消除高能束切割出現(xiàn)的形狀誤差，條件2(需要一套完整的切割方案)是必須的。舉例說，為了讓射出點與射入點在同一條垂線上，切割直線或圓弧時，可將高能束切割頭后傾一個角度；為了消除切縫錐度誤差，可將高能束切割頭側(cè)偏一個小角度；為了消除切入點處經(jīng)常留下的未切割三角區(qū)，可將切入線方向定為垂直于切割線的方向。采用上述切割方案可以大大提高切割效率，降低切割成本。
為了以較高效率完全消除高能束切割出現(xiàn)的形狀誤差，條件3(需要一套精密控制軟件)是必須的。舉例說，切割一條直線，由于不同切割點的切割速度不一樣，需要高能束切割頭擺動的角度也不一樣，因此，為準確消除形狀誤差，需要準確預(yù)測出高能束切割頭在每一點偏擺的角度，這就需要一套準確的數(shù)學(xué)模型。有了數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果，需要有一套控制方法將數(shù)學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)化為多維度控制信息，該多維度控制信息包括每根軸的速度信息、每根軸的方向信息、閥門啟閉信息等。因此，只有同時具備了上述三個條件，才能有效消除高能束切割產(chǎn)生的形狀誤差?，F(xiàn)有的高能束切割機床種類不少，以高壓水切割機為例，當(dāng)前國內(nèi)外多個廠商都在生產(chǎn)水切割機，這些水切割機歸納起來可以分為三軸水切割機及五軸水切割機。三軸水切割機不能滿足上述條件1，因此，只能通過放慢切割速度的方法來消除形狀誤差。當(dāng)前市場上具有的五軸水切割機大體可以分為兩類A、滿足條件1(高能束切割頭需要能沿任意方向精確偏擺一個小角度)和條件3 (需要一套精密控制軟件):B、僅部分滿足條件I (高能束切割頭需要能沿任意方向精確偏擺一個小角度)及條件3 (需要一套精密控制軟件)。上述A類五軸水切割機可以有效消除部分形狀誤差，如轉(zhuǎn)角誤差、圓弧誤差、切縫錐度誤差等，然而，由于缺乏一套完整的切割方案，切割過程難以得到優(yōu)化，切割效率仍然不夠高，此外，雖然高能束切割頭可沿任意方向偏擺一個角度，但高能束切割頭在旋轉(zhuǎn)過程中存在管路及電纜的纏繞問題。上述B類五軸水切割機由于缺乏精密控制軟件及切割方案，難以滿足切割精度要求及切割效率要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對當(dāng)前高能束加工存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種能夠提高加工效率和加工精度的用于高能束加工的智能數(shù)控機床。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種用于高能束加工的智能數(shù)控機床，包括介質(zhì)源、介質(zhì)通道、多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)、高能束切割頭和數(shù)控系統(tǒng)；介質(zhì)源與介質(zhì)通道相連，用于向高能束切割頭內(nèi)送入工作介質(zhì)；高能束切割頭安裝在多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)上，由多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)帶動而運動；數(shù)控系統(tǒng)用于向多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)的各運動軸發(fā)出控制指令；
其特征在于，所述數(shù)控系統(tǒng)包括一上位機和一下位機；
所述上位機內(nèi)設(shè)置有CAD模塊、CAM模塊和CNC模塊；
CAD模塊，用于將切割圖形矢量化，將矢量化后的切割圖形拆分成若干個線段單元；并根據(jù)加工工件和切割圖形，設(shè)計切入線和切出線；
CAM模塊，用于根據(jù)切割圖形的各個線段單元、切入線和切出線，設(shè)計射出點在加工工件下表面運動的規(guī)劃路徑；并根據(jù)射出點的規(guī)劃路徑，設(shè)計切割方案；
CNC模塊，用于根據(jù)加工工件、射出點的規(guī)劃路徑、切割方案和預(yù)先設(shè)計的加工工藝參數(shù)，計算出射入點在加工工件上表面運動的多維空間軌跡，以及與多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，并把所述多維度預(yù)規(guī)劃信息發(fā)送到下位機；
所述下位機，用于接收上位機中CNC模塊發(fā)送的多維度預(yù)規(guī)劃信息，并把多維度預(yù)規(guī)劃信息分別發(fā)送給各軸的驅(qū)動器進行加工。進一步的，所述多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)為兩軸及兩軸以上聯(lián)動運動系統(tǒng)。進一步的，所述多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)為五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)，所述五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)包括一具有三個自由度的正交三軸運動系統(tǒng)和一具有兩自由度的雙心共點萬向動擺機 構(gòu)；
所述雙心共點萬向動擺機構(gòu)包括第一驅(qū)動單元、第二驅(qū)動單元、旋轉(zhuǎn)臂和夾持裝置；
第一驅(qū)動單元的輸出端與旋轉(zhuǎn)臂相連，用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；夾持裝置安裝在旋轉(zhuǎn)臂上，與旋轉(zhuǎn)臂聯(lián)動；第二驅(qū)動單元的輸出端與夾持裝置相連；夾持裝置用于夾持高能束切割頭，并可帶動高能束切割頭繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；第一旋轉(zhuǎn)軸與工件表面夾角小于70°，第二旋轉(zhuǎn)軸與工件表面平行，第一旋轉(zhuǎn)軸與第二旋轉(zhuǎn)軸成直角相交，交點為旋轉(zhuǎn)中心；高能束切割頭軸線與工件表面的交點與所述旋轉(zhuǎn)中心重合；
所述介質(zhì)通道包括至少四個旋轉(zhuǎn)接頭，第一旋轉(zhuǎn)接頭安裝在第一驅(qū)動單元上，用于與介質(zhì)源相連；第一旋轉(zhuǎn)接頭的中心軸線與第一旋轉(zhuǎn)軸重合，第二旋轉(zhuǎn)接頭安裝在旋轉(zhuǎn)臂上；第三旋轉(zhuǎn)接頭懸空安裝在旋轉(zhuǎn)臂和夾持裝置外部；第四旋轉(zhuǎn)接頭安裝在高能束切割頭上，與高能束切割頭的相對位置固定，用于向高能束切割頭內(nèi)輸送工作介質(zhì)；第一旋轉(zhuǎn)接頭、第二旋轉(zhuǎn)接頭、第三旋轉(zhuǎn)接頭和第四旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)桿、固定桿、連接桿、第一聯(lián)動桿和第二聯(lián)動桿，回轉(zhuǎn)桿與第二驅(qū)動單元的輸出端相連；連接桿的兩端分別與回轉(zhuǎn)桿和固定桿鉸接，固定桿用于固定高能束切割頭；第一聯(lián)動桿與回轉(zhuǎn)桿平行且等長，兩端分別與旋轉(zhuǎn)臂和連接桿鉸接，第二聯(lián)動桿與連接桿平行且等長，兩端分別與回轉(zhuǎn)桿和固定桿鉸接，中間與第一聯(lián)動桿鉸接；旋轉(zhuǎn)臂與回轉(zhuǎn)桿的鉸接點、回轉(zhuǎn)桿與連接桿的鉸接點、連接桿與第一聯(lián)動桿的鉸接點、第一聯(lián)動桿與旋轉(zhuǎn)臂的鉸接點依次首尾相連構(gòu)成一平行四邊形結(jié)構(gòu)；第一聯(lián)動桿與旋轉(zhuǎn)臂的鉸接點、連接桿與第一聯(lián)動桿的鉸接點、連接桿與固定桿的鉸接點、高能束切割頭軸線與工件表面的交點依次首尾相連構(gòu)成另一平行四邊形結(jié)構(gòu)。進一步的，所述上位機為一 PC機。進一步的，所述切割方案包括以下的至少一種
Ca)切割外角時采用過切方法和/或高能束切割頭后傾方法；
(b)切割內(nèi)角時采用高能束切割頭后傾方法；
(C)切割圓弧時采用高能束切割頭后傾方法；
Cd)消除切面自然錐度或切出設(shè)計錐度時采用高能束切割頭側(cè)向偏擺角度方法。 進一步的，所述CNC模塊包括
一路徑規(guī)劃子模塊，用于將射出點的規(guī)劃路徑向切入線所在一側(cè)偏移一個設(shè)定值，得到偏移后的規(guī)劃路徑，并根據(jù)偏移后的規(guī)劃路徑上每個線段單元的幾何參數(shù)和加工工藝參數(shù)，設(shè)計出每個線段單元的理想切割速度。若切割方案為切割外角時采用過切方法，則在位于外角位置并處于切入的一側(cè)的線段單元之后均添加正向延長線和反向延長線；正向延長線和反向延長線的長度為該線段單元射出點后拖量的1-2倍；
一插補子模塊，用于把偏移后的規(guī)劃路徑的每個線段單元都拆分為一條或者多條短線段，計算出每條短線段終止端點的XYZ坐標，根據(jù)每個短線段所在線段單元的理想切割速度以及速度連續(xù)性和平滑性的要求設(shè)計該短線段的切割速度，根據(jù)每個短線段的切割速度以及加工工藝參數(shù)，計算出每個短線段對應(yīng)的射出點后拖量和射流錐度角，根據(jù)每個短線段的射出點后拖量和射流錐度角，計算出對應(yīng)的高能束切割頭后傾角度和高能束切割頭側(cè)偏角度以及偏擺方向，根據(jù)每個短線段的方位角和對應(yīng)的高能束切割頭后傾角度、側(cè)偏角度以及偏擺方向，計算出與每個短線段對應(yīng)的繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角分量，將每個短線段的終止端點的XYZ坐標以及相應(yīng)的X軸、Y軸轉(zhuǎn)角分量組成一個五個自由度的空間點,將與所有短線段對應(yīng)的所有空間點連起來即構(gòu)成射入點在加工工件上表面運動的多維空間軌 跡，在射入點的多維空間軌跡上選擇若干個空間點作為工藝控制點，在這些工藝控制點上添加切割過程所需的操控命令，計算多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，所述多維度預(yù)規(guī)劃信息包括但不限于多軸運動的電機步數(shù)、運動方向、操控命令和速度；
一數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，用于把多維度預(yù)規(guī)劃信息一次性發(fā)送到下位機；或者把多維度預(yù)規(guī)劃信息以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到下位機。本發(fā)明所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床，通過在上位機內(nèi)設(shè)置CAD模塊、CAM模塊和CNC模塊，使得幾何運算、切割模型和插補計算等工作均由上位機完成，能夠最大程度的發(fā)揮上位機的計算功能，簡化下位機的計算工作量，增加下位機工作的穩(wěn)定性。同時，本發(fā)明通過設(shè)計優(yōu)化的切割方案，能夠有效消除由射出點和射入點流束表現(xiàn)形態(tài)不同引起的形狀誤差，有效優(yōu)化切割過程，以最短時間切割出質(zhì)量等級最高的工件，顯著提高加工效率和加工精度。


圖I為水刀切割材料時顯現(xiàn)的自然彎曲現(xiàn)象示意 圖2為射出點滯后于射入點在轉(zhuǎn)角處造成的轉(zhuǎn)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為切入切出點靠近射出點處留下未切割三角區(qū)示意 圖6為用于高能束加工的智能數(shù)控機床的結(jié)構(gòu) 圖7為切入線和切出線垂直于切割線示意 圖8為切入線垂直于切割線消除未切割三角區(qū)示意 圖9為內(nèi)外角描述示意 圖10為過切方法示意 圖11為聞能束切割頭后傾方法不意 圖12為高能束切割頭側(cè)向偏擺角度方法示意圖；圖13為雙心共點萬向動擺機構(gòu)的左視 圖14為雙心共點萬向動擺機構(gòu)的右視 圖15為雙心共點萬向動擺機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸示意 圖16為介質(zhì)通道示意 圖17為介質(zhì)通道組成的四連桿機構(gòu) 圖18為夾持機構(gòu)示意 圖19為夾持機構(gòu)組成的平行四邊形結(jié)構(gòu) 圖20為雙心共點萬向動擺機構(gòu)的工作原理圖； 圖中各標號的含義如下
101、介質(zhì)源102、介質(zhì)通道103、多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)104、高能束切割頭105、數(shù)控系統(tǒng)I、旋轉(zhuǎn)臂3、第一旋轉(zhuǎn)接頭4、第二旋轉(zhuǎn)接頭5、第三旋轉(zhuǎn)接頭6、第四旋轉(zhuǎn)接頭7、回轉(zhuǎn)桿8、固定桿9、連接桿10、第一聯(lián)動桿11、第二聯(lián)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、21、磨料噴嘴22、工件23、射入點24、射出點。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細的說明。如圖6所示，本發(fā)明提供了一種用于高能束加工的智能數(shù)控機床，包括介質(zhì)源101、介質(zhì)通道102、多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103、高能束切割頭104和數(shù)控系統(tǒng)105 ;介質(zhì)源101與介質(zhì)通道102相連，用于向高能束切割頭104內(nèi)送入工作介質(zhì)；高能束切割頭104安裝在多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103上，由多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103帶動而運動；數(shù)控系統(tǒng)105用于向多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103的各運動軸發(fā)出控制指令，數(shù)控系統(tǒng)105包括一上位機和一下位機。其中，多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103為兩軸及兩軸以上聯(lián)動運動系統(tǒng)，比如三軸聯(lián)動運動系統(tǒng)或者五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)等。數(shù)控系統(tǒng)105的上位機內(nèi)設(shè)置有CAD模塊、CAM模塊和CNC模塊；所述上位機為可以采用工控機或者PC機實現(xiàn)，優(yōu)選為采用PC機實現(xiàn)，CAD模塊、CAM模塊和CNC模塊均由軟件程序來實現(xiàn)，可顯著降低系統(tǒng)成本，有利于產(chǎn)品更新?lián)Q代。CAD模塊，用于生成矢量化的切割圖形，將矢量化后的切割圖形拆分成若干個線段單元；并根據(jù)加工工件和切割圖形，設(shè)計切入線和切出線；CAM模塊，用于根據(jù)切割圖形的各個線段單元、切入線和切出線，設(shè)計射出點在加工工件下表面運動的規(guī)劃路徑；并根據(jù)射出點的規(guī)劃路徑，設(shè)計切割方案；CNC模塊，用于根據(jù)加工工件、射出點的規(guī)劃路徑、切割方案和預(yù)先設(shè)計的加工工藝參數(shù)，計算出射入點在加工工件上表面運動的多維空間軌跡，以及與多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，并把所述多維度預(yù)規(guī)劃信息發(fā)送到下位機。數(shù)控系統(tǒng)105的下位機，用于接收上位機中CNC模塊發(fā)送的多維度預(yù)規(guī)劃信息，并把多維度預(yù)規(guī)劃信息分別發(fā)送給各軸的驅(qū)動器進行加工。下面對數(shù)控系統(tǒng)105的上位機做進一步詳細的說明。CAD模塊，用于生成矢量化的切割圖形，將矢量化后的切割圖形拆分成若干個線段單元；并根據(jù)加工工件和切割圖形，設(shè)計切入線和切出線；所述線段單元定義為由同一線素組成的一段連續(xù)圖線。若矢量圖中包含有由不同線素組成的連續(xù)圖線，則需要將該連續(xù)圖線拆分成由同一線素組成的圖線。切入線和切出線的設(shè)計分兩種情形
情形I、切割圖形只包含一個封閉區(qū)域，此種情形下，只需設(shè)計一條切入線及一條切出線，且切入、切出線應(yīng)設(shè)計在該封閉區(qū)域的外面，設(shè)計時，操作者可根據(jù)自己的意愿任意選擇切入、切出點的位置。比如在切割圖形附近任意選擇一點，根據(jù)所選擇的點找出切割圖形上離該點最近線段單元的垂足點，該垂足點便可為切入點或切出點。情形2、切割圖形包含若干個封閉區(qū)域，此種情形下，每個封閉區(qū)域要么為外封閉區(qū)域，要么為內(nèi)封閉區(qū)域。所述外封閉區(qū)域指該區(qū)域包含其它封閉區(qū)域，所述內(nèi)封閉區(qū)域指該區(qū)域包含于其它封閉區(qū)域。對于每一外封閉區(qū)域，需要設(shè)計一條切入線及一條切出線，且切入、切出線在該封閉區(qū)域的外面；對于每一內(nèi)封閉區(qū)域，同樣也需要設(shè)計一條切入線及一條切出線，但切入、切出線在該區(qū)域的里面。同樣，操作者可以根據(jù)自己意愿任意選擇切入、切出點的位置。定出切入、切出線所屬區(qū)域后，下一步需要確定切入線和切出線的長度及方向，切入線的長度應(yīng)不小于磨料噴嘴的直徑，但切入線也不宜過長，過長的切入線只會增加加工路徑和加工成本；切出線的長度越短越好，最短可以為零。切入、切出線方向的優(yōu)選的設(shè)計 方案為切入線的方向垂直于切割線，且切入點和切出點重合；所述切割線為切割圖形上切入點所在的直線或者為切割圖形在切入點的切線。如圖7所示，圖中A1、A2、A3、A4分別為四組切入、切出線。切入線垂直于切割線的優(yōu)勢是切入和切出時流束底部的滯后量相匹配，以消除兩者不匹配時留下的三角區(qū)誤差。如圖8所示，切入、切出點為O點，切入線AO垂直于切割線，當(dāng)射流從A點進入至O點并轉(zhuǎn)向B點時，由于射出點滯后于射入點，切割面上流束線如OD所示，當(dāng)射流從C點回至O點時，同樣由于射出點滯后于射入點，切割面上流束線也為0D，這樣，可有效去除未切割三角區(qū)。CAM模塊，用于根據(jù)切割圖形的各個線段單元、切入線和切出線，設(shè)計射出點在加工工件下表面運動的規(guī)劃路徑；并根據(jù)射出點的規(guī)劃路徑，設(shè)計切割方案。如果有多條切入線和多條切出線，則要添加上一個切出線與下一個切入線的非加工連線；可以采用最短路徑法來添加非加工連線，當(dāng)然也可以采用其他方法，比如自由設(shè)定
坐寸ο將所有切入線、切割圖形的各個線段單元、切出線和非加工連線排序形成一個前后相連的單向運動路徑軌跡，該路徑即為射出點在加工工件下表面運動的切割路徑軌跡。若僅有一條切入線和一條切出線，則切入線、切割圖形和切出線相連就構(gòu)成了射出點在加工工件下表面運動的切割路徑軌跡。切割方案包括以下各方法中的一種或多種
Ca)切割外角時采用過切方法和/或高能束切割頭后傾方法；
(b)切割內(nèi)角時采用高能束切割頭后傾方法；
(C)切割圓弧時采用高能束切割頭后傾方法；
(d)消除切面錐度或切出設(shè)計錐度時采用高能束切割頭側(cè)向偏擺角度方法。其中，本發(fā)明中所述的內(nèi)、外角定義如下
如圖9所示，線段AO及OB交于O點，組成角Z Α0Β,切割時，為補償?shù)毒甙霃?，需要找到線段的偏移路徑。圖8中線段AO的偏移線段可為CP或EQ，線段OB的偏移線段可為H)或QF，因此，偏移線段組成的角可為角Z CPD或Z EQF，交點分別為P點及Q點。若偏移線段在交點端的延長線可與原線段相交，則該偏移線段組成的角稱為內(nèi)角；若不能相交，則為外角。具體采用哪種切割方案是根據(jù)切割路徑軌跡的特征來確定的，如切割內(nèi)角只能采用高能束切割頭后傾方法。但切割外角時，操作者可以根據(jù)自己意愿選擇過切方法或高能束切割頭后傾方法或者同時采用過切方法和高能束切割頭后傾方法。過切方法的具體實現(xiàn)步驟為
Ca)檢測切割路徑軌跡上是否存在外角(可在繪圖軟件上進行)，若存在，則在外角的第一條邊線AB上自動或手動添加其正向延長線BE及反向延長線EB (如圖10所示),延長線BE的長度與高能束刀刃在B點的后拖量相關(guān)，是后拖量的1-2倍。 后拖量與切割速度呈線性關(guān)系，且隨被切割材料的厚度增加而增加。因此，根據(jù)切割速度以及加工工件的厚度，便可計算出后拖量的大小，具體計算方法為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中不再贊述，可參見“cutting of steam turbine components using anabrasive water jet，，，in A. Lichtarowicz (Ed), Jet Cutting Technology-Proceedingsof the Ilth International Conference on Jet Cutting Technology, StAndrews,Scotland, September8-10, pp543_554)。(b)控制高能束刀刃沿外角的第一條邊線AB切割至轉(zhuǎn)角B時不減速；
(c)沿延長線BE繼續(xù)切割至端點E后，再急劇減速；
Cd)快速反向沿延長線EB返回轉(zhuǎn)角B ；
Ce)急劇加速開始切割第二條邊線BC。本發(fā)明通過過切方法來消除形狀誤差，與現(xiàn)有的通過放慢速度消除射出點和射入點的滯后量的方法相比，過切方法可以以更快的速度切拐角，且不會因放慢速度而造成的形狀誤差，因此，切割效率更高、切割精度更高。高能束切割頭后傾方法的具體實現(xiàn)步驟為
調(diào)整高能束切割頭向后傾斜一個角度，如圖11所示，即調(diào)整高能束切割頭在XOZ平面上向切割方向(X正向)的反方向傾斜一個角度，使得流束底部與頂部處于同一根豎直線上；傾斜角度大小的確定方法為首先計算后拖量的大小，之后根據(jù)加工工件的厚度計算出射入點與射出點連線和豎直線之間的夾角，該夾角即為高能束切割頭向后傾斜的角度。高能束切割頭后傾方法可消除由于流束底部的滯后量所造成的形狀誤差。高能束切割頭后傾方法不僅效率高，而且不會引入切縫形狀的改變。高能束切割頭側(cè)向偏擺角度方法的具體實現(xiàn)步驟為調(diào)整高能束切割頭，把高能流束側(cè)向擺動一個角度，如圖12所示，即調(diào)整高能束切割頭在YOZ平面(垂直于切割方向的平面)上擺動一個角度，所述角度與切縫的錐角相等。對于水切割而言，被切割表面的錐度與切割速度、磨料噴嘴直徑大小、磨料顆粒大小、磨料流量及切割壓力成一定的函數(shù)關(guān)系，此為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中不再贅述，具體可參見Annoni，M. & Monno, M(2000) ”Alower limit for the feed rate in AffJ precision machining，，，in Proceedings ofthe 15th International Conference on Jetting Technology, Ronneby, Sweden, Sepember 6-8，pp 285-296)，因此，根據(jù)上述加工工藝參數(shù)和函數(shù)關(guān)系便可計算出切縫的錐角。要消除錐角，只要將高能流束側(cè)向擺動與錐角相等的角度即可。
CNC模塊，用于根據(jù)加工工件、射出點的規(guī)劃路徑、切割方案和預(yù)先設(shè)計的加工工藝參數(shù)，計算出射入點在加工工件上表面運動的多維空間軌跡，以及與多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，并把所述多維度預(yù)規(guī)劃信息發(fā)送到下位機。所述CNC模塊包括
一路徑規(guī)劃子模塊，用于將射出點的規(guī)劃路徑向切入線所在一側(cè)偏移一個設(shè)定值，得到偏移后的規(guī)劃路徑，并根據(jù)偏移后的規(guī)劃路徑上每個線段單元的幾何參數(shù)和加工工藝參數(shù)，設(shè)計出每個線段單元的理想切割速度。若切割方案為切割外角時采用過切方法，則在位于外角位置并處于切入的一側(cè)的線段單元之后均添加正向延長線和反向延長線；正向延長線和反向延長線的長度為該線段單元射出點后 拖量的1-2倍；其中，設(shè)定值的優(yōu)選值一般為射入點處流束半徑，當(dāng)然設(shè)定值還可以為用戶選定的任何數(shù)值。所述幾何參數(shù)是指構(gòu)成該線段單元幾何形狀的數(shù)學(xué)參數(shù)(比如長度、弧度、半徑等參數(shù))。本發(fā)明針對每條短線段的所處的幾何形狀(直線或圓弧)以及所處的位置(比如在切入線、切出線或轉(zhuǎn)角處)安排相應(yīng)的切割速度，以保證不同幾何形狀以及轉(zhuǎn)角的平滑過渡。對于水切割而言，切割速度與水壓、磨料噴嘴大小、磨料種類、磨料流量、磨料粒度、被切割材料種類、被切割材料厚度、被切割表面質(zhì)量要求等多個參數(shù)有關(guān)，理想切割速度的設(shè)計可根據(jù)上述各參數(shù)計算得出，t匕如可以米用 “Jiyue Zeng, Mechanism of brittle material erosion associated withhigh pressure abrasive waterjet processing - A modeling and application study,dissertation, 1992, University of Rhode Island. ”中提到的計算方法來設(shè)計每條短線段的理想切割速度。此為現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中不再贅述。并不是在所有的位于外角位置并處于進入的一側(cè)的線段單元之后均添加正向延長線和反向延長線，在實際應(yīng)用當(dāng)中還需要做干涉檢測，如果加了過切線(即正向延長線和反向延長線)會與偏移后的規(guī)劃路徑的其他線段相干涉的話，就不采用過切方法來切割外角。一插補子模塊，用于把偏移后的規(guī)劃路徑的每個線段單元都拆分為一條或者多條短線段。這里包含兩種情況，一種情況是進行精插補，即短線段的長度越短越好，但不能小于電機步長度。短線段的長度越短，切割精度越高。優(yōu)選為采用電機步長作為短線段的長度。另一種情況是粗插補，即短線段的長度不必很短，甚至不必對線段單元進行拆分，而由下位機做精插補。之后，計算出每條短線段終止端點的XYZ坐標，根據(jù)每個短線段所在線段單元的理想切割速度以及速度連續(xù)性和平滑性的要求設(shè)計該短線段的切割速度，設(shè)計切割速度時主要考慮加速度不能過高，從而保證速度的逐漸增加或減少。在相鄰兩個線段單元的理想切割速度不一樣的情況下，以較低的速度數(shù)值為基準開始增加速度，直到達到較高的速度數(shù)值，可以采用直線加速或曲線加速。根據(jù)每個短線段的切割速度以及加工工藝參數(shù)，計算出每個短線段對應(yīng)的射出點后拖量和射流錐度角，根據(jù)每個短線段的射出點后拖量和射流錐度角，計算出對應(yīng)的高能束切割頭后傾角度和高能束切割頭側(cè)偏角度以及偏擺方向，后傾角的正切值為射出點后拖量與被切割材料厚度的比值，因此可根據(jù)射出點后拖量，計算出后傾角。高能束切割頭側(cè)偏角的大小與射流錐度角的大小相等，偏擺方向垂直于切割線。根據(jù)每個短線段的方位角和對應(yīng)的高能束切割頭后傾角度、側(cè)偏角度以及偏擺方向，計算出與每個短線段對應(yīng)的繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角分量，將每個短線段的終止端點的XYZ坐標以及相應(yīng)的X軸、Y軸轉(zhuǎn)角分量組成一個五個自由度的空間點，將與所有短線段對應(yīng)的所有空間點連起來即構(gòu)成射入點在加工工件上表面運動的多維空間軌跡。
在射入點的多維空間軌跡上選擇若干個空間點作為工藝控制點，在這些工藝控制點上添加切割過程所需的操控命令，計算多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，所述多維度預(yù)規(guī)劃信息包括但不限于多軸運動的電機步數(shù)、運動方向、操控命令和速度；工藝控制點主要包括以下幾點1、切割程序開始執(zhí)行點；2、切入線起始點；3、切出線結(jié)束點；4、切割程序結(jié)束執(zhí)行點。操控命令指對切割過程進行控制的命令，包括I、動力源的啟動/停止；2、閥門啟閉等。添加時，在相關(guān)執(zhí)行點添加控制信號。電機步數(shù)和運動方向取決于具體實施多軸運動的驅(qū)動與傳動機構(gòu)，用于高能束切割的五軸運動機構(gòu)通常由三個正交軸(XYZ)和兩個擺動軸組成，通常采用伺服或步進電機驅(qū)動，X、Y、Z軸的傳動通常采用絲桿或皮帶或齒輪齒條傳動或幾個傳動方式的組合，電機步數(shù)由各軸的位移除以傳動比再除以電機步長而獲得，運動方向在確定傳動方案后便得以確定。實現(xiàn)兩根擺動軸的運動通常采用如下兩種方案之一。方案一兩根擺動軸的軸線相交，交點與流束射入點重合；方案二 兩根軸的交點與流束射入點不重合。采用方案二必須在擺動軸擺動的同時在XYZ方向作補償運動，否則在切割的過程中流束射入點就會偏離 切割路徑。這種方法比較容易實現(xiàn)，但補償運動過大會影響響應(yīng)時間以及運動精度。采用方案一兩軸交點與流束射入點必須重合，這種方法比較復(fù)雜，但在理論上不必作補償運動(實際上可能由于制造誤差而進行誤差補償)。采用這種方法的其中一個實施例是，兩個擺動軸是由一根垂直軸和一根傾斜軸構(gòu)成，兩軸相交于高能束切割頭末端，傾斜軸的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)高能束切割頭與垂直線的夾角，而垂直軸的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)周向轉(zhuǎn)角，兩者組合起來可以實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的任意擺角，高能束切割頭繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)角分量可以轉(zhuǎn)換成垂直軸和傾斜軸的轉(zhuǎn)角分量，轉(zhuǎn)角位移(即轉(zhuǎn)角分量)除以傳動比再除以電機角位移步長即得到電機步數(shù)。以上所述是插補已經(jīng)完成的情況，短線段對應(yīng)的軸向位移相當(dāng)于一個電機步長。如果短線段對應(yīng)的軸向位移大于電機步長，那么就必須先做精插補以生成對應(yīng)電機步長的短線段以及相應(yīng)的速度。除了以上所述，還必須加上切割過程所需的操控命令，所有這些構(gòu)成多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息。一數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，用于把多維度預(yù)規(guī)劃信息一次性發(fā)送到下位機；或者把多維度預(yù)規(guī)劃信息以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到下位機。本實施例以多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103為五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)為例進行說明。該五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)103包括一具有三個自由度的正交三軸運動系統(tǒng)和一具有兩自由度的雙心共點萬向動擺機構(gòu)。雙心共點萬向動擺機構(gòu)是一個具備兩個旋轉(zhuǎn)軸的高能束切割頭夾持機構(gòu)，該夾持機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高能束切割頭104以射入點為轉(zhuǎn)動中心在偏擺角度不大于設(shè)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(gòu)調(diào)整高能束切割頭104的角度，消除高能束在射入點及射出點流態(tài)不同所造成的轉(zhuǎn)角、圓弧誤差和切縫錐度誤差。此外高能束切割頭104的可調(diào)傾角可允許工件的任意斜邊切割，大大增加了工藝柔性。如圖13-19所示，雙心共點萬向動擺機構(gòu)包括第一驅(qū)動單元、第二驅(qū)動單元、旋轉(zhuǎn)臂I和夾持裝置；第一驅(qū)動單元的輸出端與旋轉(zhuǎn)臂I相連，用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂I繞第一旋轉(zhuǎn)軸Rl轉(zhuǎn)動；夾持裝置安裝在旋轉(zhuǎn)臂I上，與旋轉(zhuǎn)臂I聯(lián)動；第二驅(qū)動單元的輸出端與夾持裝置相連；夾持裝置用于夾持高能束切割頭104，并可帶動高能束切割頭104繞第二旋轉(zhuǎn)軸R2轉(zhuǎn)動；第一旋轉(zhuǎn)軸與工件表面夾角小于70°，第二旋轉(zhuǎn)軸與工件表面平行，兩軸成直角相交，交點為旋轉(zhuǎn)中心。介質(zhì)通道102包括至少四個旋轉(zhuǎn)接頭，第一旋轉(zhuǎn)接頭3安裝在第一驅(qū)動單元上，用于與介質(zhì)源101相連；第一旋轉(zhuǎn)接頭3的中心軸線與第一旋轉(zhuǎn)軸Rl重合，以此保證其余三個旋轉(zhuǎn)接頭及高能束切割頭組成的介質(zhì)通道在繞第一旋轉(zhuǎn)軸Rl旋轉(zhuǎn)時與第一旋轉(zhuǎn)接頭3保持連接狀態(tài);第二旋轉(zhuǎn)接頭4安裝在旋轉(zhuǎn)臂I上；第三旋轉(zhuǎn)接頭5懸空安裝在旋轉(zhuǎn)臂I和夾持裝置外部；第四旋轉(zhuǎn)接頭6安裝在夾持裝置上，與高能束切割頭104的相對位置固定，用于向高能束切割頭104內(nèi)輸送工作介質(zhì)；由于傳輸高壓水需要剛性管道，第一旋轉(zhuǎn)接頭3、第二旋轉(zhuǎn)接頭4、第三旋轉(zhuǎn)接頭5和第四旋轉(zhuǎn)接頭6依次通過剛性管道連通。第二旋轉(zhuǎn)接頭4的中心點D、第三旋轉(zhuǎn)接頭5的中心點C、第四旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，如此可使高能束切割頭104在繞第二旋轉(zhuǎn)軸R2轉(zhuǎn)動時與介質(zhì)通道保持連接狀態(tài)而不受剛性管道的約束。由至少四個旋轉(zhuǎn)接頭組成的介質(zhì)通道102組成一剛性連接的四連桿機構(gòu)，該四連桿機構(gòu)可配合高能束切割頭104的任意擺動，實現(xiàn)高能束介質(zhì)的傳輸。由于沒有垂直或近似垂直旋轉(zhuǎn)軸的存在，保證了當(dāng)高能束切割頭連續(xù)作圓周錐面切割時不會造成高能束切割頭繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)，因而避免了高能束切割頭 所接管路和電纜的纏繞問題。所述夾持裝置包括回轉(zhuǎn)桿7、固定桿8、連接桿9、第一聯(lián)動桿10和第二聯(lián)動桿11，回轉(zhuǎn)桿7與第二驅(qū)動單元的輸出端相連；連接桿9的兩端分別與回轉(zhuǎn)桿7和固定桿8鉸接，固定桿8與連接桿9鉸接，固定桿8用于固定高能束切割頭104 ;第一聯(lián)動桿10與回轉(zhuǎn)桿7平行且等長，兩端分別與旋轉(zhuǎn)臂I和連接桿9鉸接，第二聯(lián)動桿11與連接桿9平行且等長，兩端分別與回轉(zhuǎn)桿7和固定桿8鉸接，中間與第一聯(lián)動桿10鉸接。旋轉(zhuǎn)臂I與回轉(zhuǎn)桿7的鉸接點E、回轉(zhuǎn)桿7與連接桿9的鉸接點J、連接桿9與第一聯(lián)動桿10的鉸接點G和第一聯(lián)動桿10與旋轉(zhuǎn)臂I的鉸接點F依次首尾相連構(gòu)成一平行四邊形結(jié)構(gòu)。同時第一聯(lián)動桿10與旋轉(zhuǎn)臂I的鉸接點F、連接桿9與第一聯(lián)動桿10的鉸接點G、連接桿9與固定桿8的鉸接點H、高能束切割頭軸線與工件表面的交點A依次首尾相連構(gòu)成另一平行四邊形。夾持裝置還可以采用其他結(jié)構(gòu)形式，比如把固定桿8和第一聯(lián)動桿10合并為一個零件，去掉第二聯(lián)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到很大的限制。所述第一驅(qū)動單元包括第一電機12，第一電機12通過一安裝板13固定在正交三軸運動系統(tǒng)上，由正交三軸運動系統(tǒng)帶動；第一電機12帶動旋轉(zhuǎn)臂I和安裝在旋轉(zhuǎn)臂I上的第二驅(qū)動單元及夾持裝置繞著第一旋轉(zhuǎn)軸Rl轉(zhuǎn)動。第一驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)還可以為其他的設(shè)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(qū)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(zhuǎn)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(shè)置有一滑軌16，回轉(zhuǎn)桿7上設(shè)置有一滑塊17，滑塊17與滑軌16相互配合實現(xiàn)滑移，從而帶動回轉(zhuǎn)桿7繞其與旋轉(zhuǎn)臂I的鉸接點E轉(zhuǎn)動?；剞D(zhuǎn)桿7為夾持裝置中的主動桿，回轉(zhuǎn)桿7的運動可帶動整個平行四邊形結(jié)構(gòu)運動，進而實現(xiàn)高能束切割頭104的偏擺。第二驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)還可以為其他的設(shè)計，比如在第二電機輸出端加上一個齒輪或皮帶減速機構(gòu)。
如圖20所示，O點為高能束切割頭的旋轉(zhuǎn)中心，OA代表高能束切割頭位置，在第一驅(qū)動單元、第二驅(qū)動單元、旋轉(zhuǎn)臂、夾持裝置及介質(zhì)通道等的共同作用下，高能束切割頭OA可隨意占據(jù)圖12所示OB、0C、0D、0E、OF、OG等位置。雙心共點萬向動擺機構(gòu)的工作過程為介質(zhì)流經(jīng)介質(zhì)通道102，從高能束切割頭104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，高能束切割頭104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(zhuǎn)自由度實現(xiàn)，舉例說，在第一旋轉(zhuǎn)軸Rl所在的垂直平面上偏擺角度只需要第二驅(qū)動單元單獨驅(qū)動便可；工作時，第二電機14旋轉(zhuǎn)，帶動連接板15轉(zhuǎn)動，連接板15上的滑軌16帶動滑塊17及回轉(zhuǎn)桿7 —起轉(zhuǎn)動，進一步帶動整個平行四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)高能束切割頭104繞旋轉(zhuǎn)軸R2的擺動，擺動的方向由第二電機的旋轉(zhuǎn)方向決定。在除第一旋轉(zhuǎn)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(qū)動單元和第二驅(qū)動單元的組合運動實現(xiàn)；工作時，在第一電機12的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)臂I帶動安裝于其上的夾持機構(gòu)繞Rl軸旋轉(zhuǎn)，而第二驅(qū)動單元則以上述方式運動，兩者配合實現(xiàn)高能束切割頭104在除第一旋轉(zhuǎn)軸Rl所在的 垂直平面以外的垂直平面上的偏擺。高能束切割頭104偏擺時，由于有四個旋轉(zhuǎn)接頭的存在，剛性連接的四連桿機構(gòu)也可配合高能束切割頭的任意擺動，實現(xiàn)高能束介質(zhì)的傳輸。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于高能束加工的智能數(shù)控機床，包括介質(zhì)源、介質(zhì)通道、多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)、高能束切割頭和數(shù)控系統(tǒng)；介質(zhì)源與介質(zhì)通道相連，用于向高能束切割頭內(nèi)送入工作介質(zhì)；高能束切割頭安裝在多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)上，由多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)帶動而運動；數(shù)控系統(tǒng)用于向多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)的各運動軸發(fā)出控制指令； 其特征在于，所述數(shù)控系統(tǒng)包括一上位機和一下位機； 所述上位機內(nèi)設(shè)置有CAD模塊、CAM模塊和CNC模塊； CAD模塊，用于生成矢量化的切割圖形，將矢量化后的切割圖形拆分成若干個線段單元；并根據(jù)加工エ件和切割圖形，設(shè)計切入線和切出線； CAM模塊，用于根據(jù)切割圖形的各個線段単元、切入線和切出線，設(shè)計射出點在加工エ件下表面運動的規(guī)劃路徑；并根據(jù)射出點的規(guī)劃路徑，設(shè)計切割方案； CNC模塊，用于根據(jù)加工エ件、射出點的規(guī)劃路徑、切割方案和預(yù)先設(shè)計的加工エ藝參數(shù)，計算出射入點在加工エ件上表面運動的多維空間軌跡，以及與多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，并把所述多維度預(yù)規(guī)劃信息發(fā)送到下位機； 所述下位機，用于接收上位機中CNC模塊發(fā)送的多維度預(yù)規(guī)劃信息，并把多維度預(yù)規(guī)劃信息分別發(fā)送給各軸的驅(qū)動器進行加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床，其特征在于，所述多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)為兩軸及兩軸以上聯(lián)動運動系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床，其特征在于，所述多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)為五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)，所述五軸聯(lián)動運動系統(tǒng)包括一具有三個自由度的正交三軸運動系統(tǒng)和一具有兩自由度的雙心共點萬向動擺機構(gòu)； 所述雙心共點萬向動擺機構(gòu)包括第一驅(qū)動單元、第二驅(qū)動單元、旋轉(zhuǎn)臂和夾持裝置；第一驅(qū)動單元的輸出端與旋轉(zhuǎn)臂相連，用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；夾持裝置安裝在旋轉(zhuǎn)臂上，與旋轉(zhuǎn)臂聯(lián)動；第二驅(qū)動單元的輸出端與夾持裝置相連；夾持裝置用于夾持高能束切割頭，并可帶動高能束切割頭繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；第一旋轉(zhuǎn)軸與エ件表面夾角小于70度，第二旋轉(zhuǎn)軸與エ件表面平行，第一旋轉(zhuǎn)軸與第二旋轉(zhuǎn)軸成直角相交，交點為旋轉(zhuǎn)中心；高能束切割頭軸線與エ件表面的交點與所述旋轉(zhuǎn)中心重合； 所述介質(zhì)通道包括至少四個旋轉(zhuǎn)接頭，第一旋轉(zhuǎn)接頭安裝在第一驅(qū)動單元上，用干與介質(zhì)源相連；第一旋轉(zhuǎn)接頭的中心軸線與第一旋轉(zhuǎn)軸重合，第二旋轉(zhuǎn)接頭安裝在旋轉(zhuǎn)臂上；第三旋轉(zhuǎn)接頭懸空安裝在旋轉(zhuǎn)臂和夾持裝置外部；第四旋轉(zhuǎn)接頭安裝在高能束切割頭上，與高能束切割頭的相對位置固定，用于向高能束切割頭內(nèi)輸送工作介質(zhì)；第一旋轉(zhuǎn)接頭、第ニ旋轉(zhuǎn)接頭、第三旋轉(zhuǎn)接頭和第四旋轉(zhuǎn)接頭依次通過剛性管道連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙心共點萬向動擺機構(gòu)，其特征在于，所述夾持裝置包括回轉(zhuǎn)桿、固定桿、連接桿、第一聯(lián)動桿和第二聯(lián)動桿，回轉(zhuǎn)桿與第二驅(qū)動單元的輸出端相連；連接桿的兩端分別與回轉(zhuǎn)桿和固定桿鉸接，固定桿用于固定高能束切割頭；第一聯(lián)動桿與回轉(zhuǎn)桿平行且等長，兩端分別與旋轉(zhuǎn)臂和連接桿鉸接，第二聯(lián)動桿與連接桿平行且等長，兩端分別與回轉(zhuǎn)桿和固定桿鉸接，中間與第一聯(lián)動桿鉸接；旋轉(zhuǎn)臂與回轉(zhuǎn)桿的鉸接點、回轉(zhuǎn)桿與連接桿的鉸接點、連接桿與第一聯(lián)動桿的鉸接點、第一聯(lián)動桿與旋轉(zhuǎn)臂的鉸接點依次首尾相連構(gòu)成一平行四邊形結(jié)構(gòu)；第一聯(lián)動桿與旋轉(zhuǎn)臂的鉸接點、連接桿與第一聯(lián)動桿的鉸接點、連接桿與固定桿的鉸接點、高能束切割頭軸線與エ件表面的交點依次首尾相連構(gòu)成另一平行四邊形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床，其特征在于，所述上位機為一 PC機。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床，其特征在于，所述切割方案包括以下的至少ー種 Ca)切割外角時采用過切方法和/或高能束切割頭后傾方法； (b)切割內(nèi)角時采用高能束切割頭后傾方法； (C)切割圓弧時采用高能束切割頭后傾方法； Cd)消除切面自然錐度或切出設(shè)計錐度時采用高能束切割頭側(cè)向偏擺角度方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床，其特征在于，所述CNC模塊包括 一路徑規(guī)劃子模塊，用于將射出點的規(guī)劃路徑向切入線所在一側(cè)偏移ー個設(shè)定值，得到偏移后的規(guī)劃路徑，井根據(jù)偏移后的規(guī)劃路徑上每個線段単元的幾何參數(shù)和加工エ藝參數(shù)，設(shè)計出每個線段単元的理想切割速度。
8.若切割方案為切割外角時采用過切方法，則在位于外角位置并處于切入的ー側(cè)的線段單元之后均添加正向延長線和反向延長線；正向延長線和反向延長線的長度為該線段單元射出點后拖量的1-2倍； ー插補子模塊，用于把偏移后的規(guī)劃路徑的每個線段単元都拆分為一條或者多條短線段，計算出每條短線段終止端點的XYZ坐標，根據(jù)每個短線段所在線段單元的理想切割速度以及速度連續(xù)性和平滑性的要求設(shè)計該短線段的切割速度，根據(jù)每個短線段的切割速度以及加工エ藝參數(shù)，計算出每個短線段對應(yīng)的射出點后拖量和射流錐度角，根據(jù)每個短線段的射出點后拖量和射流錐度角，計算出對應(yīng)的高能束切割頭后傾角度和高能束切割頭側(cè)偏角度以及偏擺方向，根據(jù)每個短線段的方位角和對應(yīng)的高能束切割頭后傾角度、側(cè)偏角度以及偏擺方向，計算出與每個短線段對應(yīng)的繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角分量，將每個短線段的終止端點的XYZ坐標以及相應(yīng)的X軸、Y軸轉(zhuǎn)角分量組成ー個五個自由度的空間點,將與所有短線段對應(yīng)的所有空間點連起來即構(gòu)成射入點在加工エ件上表面運動的多維空間軌跡，在射入點的多維空間軌跡上選擇若干個空間點作為エ藝控制點，在這些エ藝控制點上添加切割過程所需的操控命令，計算多維空間軌跡上每個空間點相應(yīng)的多維度運動預(yù)規(guī)劃信息，所述多維度預(yù)規(guī)劃信息包括但不限于多軸運動的電機步數(shù)、運動方向、操控命令和速度； 一數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊，用于把多維度預(yù)規(guī)劃信息一次性發(fā)送到下位機；或者把多維度預(yù)規(guī)劃信息以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到下位機。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于高能束加工的智能數(shù)控機床，包括介質(zhì)源、介質(zhì)通道、多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)、高能束切割頭和數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)包括上位機和下位機；上位機內(nèi)設(shè)置有CAD模塊、CAM模塊和CNC模塊；下位機用于把多維度預(yù)規(guī)劃信息分別發(fā)送給各軸的驅(qū)動器進行加工。本發(fā)明所述的用于高能束加工的智能數(shù)控機床的幾何運算、切割模型和插補計算等工作均由上位機完成，能夠最大程度的發(fā)揮上位機的計算功能，簡化下位機的計算工作量，增加下位機工作的穩(wěn)定性。同時，本發(fā)明通過設(shè)計優(yōu)化的切割方案，能夠有效消除由射出點和射入點流束表現(xiàn)形態(tài)不同引起的形狀誤差，有效優(yōu)化切割過程，以最短時間切割出質(zhì)量等級最高的工件，顯著提高加工效率和加工精度。
文檔編號G05B19/4097GK102854843SQ20121037823
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者曾繼躍, 張仕進 申請人:上海獅邁科技有限公司