混合反射式三維聯動激光切割頭
目前三維激光切割機市場的發展趨勢，主要有以下幾點：
隨著加工件復雜程度提升，平面激光切割機已無法滿足部分行業的加工需求，三維激光切割機應運而生。三維激光切割機設備可對工件進行多角度、多方位的柔性切割，加工方式更加靈活，能有效提升加工效率，廣泛應用于汽車、航天航空工業、工程機械、造船、模具、健身器材、鈑金加工等制造領域。
三維激光切割技術還廣泛應用在模具制造、雕刻、石油工業等行業之中。在印刷行業中，激光雕刻切割機利用激光的高能量性和高效率性，通過程序控制對橡膠版進行燒蝕，制造出的印刷版不僅成本低，而且雕刻精細，質量很高；在模具制造領域，可以用于加工模具、試模、制造模具。由模具CAD和激光切割相結合能夠完成模具內部的復雜結構制造，如深孔、型孔、中空體以及復雜的冷卻水道；用激光精細切割薄鋼板，然后將其疊加成凹?；蛲鼓?。在石油工業中，用該技術來加工割縫篩管。
目前，市場上的三維激光切割系統均采用二次折返鏡全反射光路結構，其有光路結構復雜，調試難度大，維護成本高，光路不穩定等缺點。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的在于提供一種混合反射式三維聯動激光切割頭，以解決現有三維激光切割系統存在的光路結構復雜，調試難度大，維護成本高，光路不穩定的問題。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種混合反射式三維聯動激光切割頭，包括聚焦模塊、防碰撞模塊、隨動模塊、光學元件模塊、光纖90°模塊、擺動軸模塊、旋轉軸模塊、垂直主軸模塊及旋轉拖鏈模塊，其中防碰撞模塊的上、下端分別與擺動軸模塊和聚焦模塊連接，所述擺動軸模塊可驅動所述聚焦模塊繞水平軸上下方向擺動，所述隨動模塊和光學元件模塊設置于所述擺動軸模塊內，所述隨動模塊與所述防碰撞模塊連接，用于驅動所述聚焦模塊沿豎直方向升降，所述光學元件模塊與光纖線纜連接，用于光束的傳輸和轉向，所述光纖90°模塊為所述擺動軸模塊與旋轉軸模塊之間的過渡連接模塊，所述旋轉軸模塊通過垂直主軸模塊與旋轉拖鏈模塊連接。
所述光學元件模塊包括折返鏡模塊和準直器模塊，其中準直器模塊的一端與折返鏡模塊連接，另一端與光纖線纜連接，所述準直器模塊將光纖線纜中的激光光束轉變為平行光路，所述折返鏡模塊用于將平行光折返90°至所述聚焦模塊內。
所述準直器模塊與所述擺動軸模塊之間設有中心補償模塊，所述中心補償模塊用于調節所述擺動軸模塊與所述準直器模塊的同軸度。
所述中心補償模塊環套在所述準直器模塊的外側，包括C形塊、調整塊組件及連接塊組件，其中C形塊與所述擺動軸模塊連接，所述連接塊組件與所述準直器模塊連接，所述調整塊組件設置于所述C形塊和所述連接塊組件之間、且兩側分別與所述C形塊和所述連接塊組件活動連接，所述準直器模塊具有左右方向和升降的自由度，通過調節調整塊組件使所述擺動軸模塊和所述準直器模塊保持同軸。
所述隨動模塊包括伺服電機、主動輪、皮帶輪、皮帶、連接塊、連接桿及過渡軸，其中伺服電機安裝在所述擺動軸模塊內、且輸出端與主動輪連接，所述皮帶經過主動輪和位于下方的皮帶輪傳動連接，所述連接塊與所述皮帶連接，所述連接桿的上端與所述連接塊連接，下端與所述過渡軸連接，所述過渡軸與所述防碰撞模塊連接。
所述擺動軸模塊包括力矩電機、主動帶輪、從動帶輪、同步帶及中空擺動軸，其中力矩電機設置于所述光纖90°模塊內、且輸出端與主動帶輪連接，所述中空擺動軸水平設置、且與所述光纖90°模塊轉動連接，所述中空擺動軸一端設有從動帶輪，另一端與所述防碰撞模塊固定連接，所述主動帶輪和從動帶輪通過同步帶傳動連接。
所述光纖90°模塊包括殼體，所述殼體內設有使光纖線纜折彎90°的弧形固定槽。
所述旋轉軸模塊包括中空力矩電機、環形光柵、氣動抱閘及傳動軸，其中中空力矩電機設置于所述垂直主軸模塊的下端、且與傳動軸連接，所述傳動軸與所述光纖90°模塊連接，所述環形光柵和氣動抱閘安裝在中空力矩電機上，所述環形光柵用于檢測角度，所述氣動抱閘用于加工時鎖緊所述中空力矩電機的旋轉軸。
所述垂直主軸模塊包括垂直主軸模塊主體輪廓及設置在主體輪廓內部的中空轉軸，所述中空轉軸的下端與所述中空力矩電機的旋轉軸連接，上端與所述旋轉拖鏈模塊連接。
所述旋轉拖鏈模塊包括鏈盒及盤繞在所述鏈盒內的拖鏈，所述鏈盒與所述垂直主軸模塊的主體輪廓固定連接，所述拖鏈的內側端與所述中空轉軸連接，外側端與所述鏈盒連接。
本發明的優點及有效果是：
1.本發明全新設計旋轉拖鏈模塊11**替代旋轉光路；
2.本發明的旋轉軸模塊采用特殊設計的中空軸力矩伺服電機，中空直徑Φ≥80mm，可以輕松穿過光纖及水冷接頭；
3.本發明的光纖90°模塊布置，可替代一套折返鏡組，降低成本并提高設備可維護性；
4.本發明的擺動軸模塊采用旁軸式驅動中空設計，更利于光路布置，光纖插拔更方便；
5.本發明的擺動軸模塊采用內層和外層雙層浮動設計，特殊設計的中心補償模塊，可避免加工不同軸造成的影響，易于調試和維修。
附圖說明
圖1為本發明的軸測圖；
圖2為本發明的主視圖；
圖3為圖2的俯視圖；
圖4為圖3中B-B剖視圖；
圖5為本發明中隨動模塊的結構示意圖；
圖6為本發明中折返鏡模塊的結構示意圖；
圖7為本發明中準直器模塊和中心補償模塊的連接示意圖之一；
圖8為本發明中準直器模塊和中心補償模塊的連接示意圖之二；
圖9為本發明中擺動軸模塊的結構示意圖；
圖10為本發明中旋轉軸模塊的結構示意圖；
圖11為本發明中旋轉拖鏈模塊的結構示意圖。
圖中：1為聚焦模塊，2為防碰撞模塊，3為隨動模塊，301為伺服電機，302為主動輪，303為皮帶輪，304為皮帶，305為連接塊，306為連接桿，307為過渡軸，4為折返鏡模塊，5為準直器模塊，6為中心補償模塊，601為C形塊，602為連接座，603為調整塊I，604為調整塊II，605為連接塊Ⅰ，606為連接塊Ⅱ，7為光纖90°模塊，8為擺動軸模塊，801為力矩電機，802為主動帶輪，803為從動帶輪，804為同步帶，805為中空擺動軸，9為旋轉軸模塊，901為中空力矩電機，902為環形光柵，903為氣動抱閘，904為傳動軸，10為垂直主軸模塊，11為旋轉拖鏈模塊，1101為鏈盒，1102為拖鏈。A為正極限位置，B為中間位置，C為負極限位置。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。
如圖1-4所示，本發明提供的一種混合反射式三維聯動激光切割頭，包括聚焦模塊1、防碰撞模塊2、隨動模塊3、光學元件模塊、光纖90°模塊7、擺動軸模塊8、旋轉軸模塊9、垂直主軸模塊10及旋轉拖鏈模塊11，其中防碰撞模塊2的上、下端分別與擺動軸模塊8和聚焦模塊1連接，擺動軸模塊8可驅動聚焦模塊1繞水平軸上下方向擺動，隨動模塊3和光學元件模塊設置于擺動軸模塊8內，隨動模塊3與防碰撞模塊2連接，用于驅動聚焦模塊1沿豎直方向升降，光學元件模塊與光纖線纜連接，用于光束的傳輸和轉向，光纖90°模塊7為擺動軸模塊8與旋轉軸模塊9之間的過渡連接模塊，旋轉軸模塊9通過垂直主軸模塊10與旋轉拖鏈模塊11連接。
如圖5所示，隨動模塊3包括伺服電機301、主動輪302、皮帶輪303、皮帶304、連接塊305、連接桿306及過渡軸307，其中伺服電機301安裝在擺動軸模塊8內、且輸出端與主動輪302連接，皮帶304經過主動輪302和位于下方的皮帶輪303傳動連接，連接塊305與皮帶304連接，連接桿306的上端與連接塊305連接，下端與過渡軸307連接，過渡軸307與防碰撞模塊2連接。
通過聚焦模塊1內部的電容傳感器檢測聚焦模塊1的切割噴嘴到被切割件表面的距離，反饋給系統，控制伺服電機301正反轉帶動帶輪旋轉，通過主動輪302、皮帶輪303、皮帶304的傳動轉換成連接塊305與連接桿306的上下升降運動(連接塊305連接在皮帶304上)，連接桿306連接在過渡軸307上，過渡軸307與防碰撞模塊2螺栓連接，從而帶動聚焦模塊1上下升降，保證聚焦模塊1的切割噴嘴距離被切割件表面的距離(在±10mm偏差內)始終不變；(見圖5)
如圖4、圖6所示，光學元件模塊包括折返鏡模塊4和準直器模塊5，其中準直器模塊5的一端與折返鏡模塊4連接，另一端與光纖線纜連接，準直器模塊5將光纖線纜中的激光光束轉變為平行光路，附帶光纖快插接口，連接光纖線纜。折返鏡模塊4用于將平行光折返90°至聚焦模塊1內。
進一步地，準直器模塊5與擺動軸模塊8之間設有中心補償模塊6，中心補償模塊6用于調節擺動軸模塊8與準直器模塊5的同軸度。
如圖7-8所示，中心補償模塊6環套在準直器模塊5的外側，包括C形塊601、調整塊組件及連接塊組件，其中C形塊601與擺動軸模塊8連接，連接塊組件與準直器模塊5連接，調整塊組件設置于C形塊601和連接塊組件之間、且兩側分別與C形塊601和連接塊組件活動連接，準直器模塊5具有左右方向和升降的自由度，通過調節調整塊組件使擺動軸模塊8和準直器模塊5保持同軸。
本發明的實施例中，連接塊組件包括連接塊Ⅰ605和位于連接塊Ⅰ605上方的連接塊Ⅱ606。調整塊組件包括連接座602與連接座602連接的調整塊I603和調整塊II604，調整塊I603為兩個、且分別設置于準直器模塊5的上下側，兩個調整塊I603通過兩個導向螺栓分別與連接塊Ⅰ605和連接塊Ⅱ606上設有的兩個水平方向的條形槽滑動連接。調整塊II604為兩個、且分別設置于準直器模塊5的左右兩側，兩個調整塊II604通過導向螺釘與C形塊601上設有的兩個豎直方向的條形槽滑動連接。通過調節調整塊I603的左右位置可調節左右偏差，通過調節調整塊II604的上下位置可調節上下偏差，條形槽滑動連接上下左右方向具有足夠的間隙以供調整使用，最終使擺動軸模塊8和準直器模塊5同軸。
中心補償模塊6通過中空十字滑塊結構，用來抵消在擺動軸高速擺動過程中擺動軸模塊8和準直器模塊5因加工產生的不同軸。
如圖9所示，擺動軸模塊8包括力矩電機801、主動帶輪802、從動帶輪803、同步帶804及中空擺動軸805，其中力矩電機801設置于光纖90°模塊7內、且輸出端與主動帶輪802連接，中空擺動軸805水平設置、且與光纖90°模塊7轉動連接，中空擺動軸805一端設有從動帶輪803，另一端與防碰撞模塊2固定連接，主動帶輪802和從動帶輪803通過同步帶804傳動連接。
力矩電機801通過帶動主動帶輪802、從動帶輪803以及同步帶804，將力矩傳遞給中空擺動軸805，實現擺動。
光纖90°模塊7包括殼體，殼體內設有使光纖線纜折彎90°的弧形固定槽，利用光纖的柔性，將光纖平滑改變90゜，光纖可沿著大圓弧固定槽緩慢過渡，保護光纖在折彎90°的情況下，仍滿足光纖最小轉彎半徑(≥100mm)。
如圖10所示，旋轉軸模塊9包括中空力矩電機901、環形光柵902、氣動抱閘903及傳動軸904，其中中空力矩電機901設置于垂直主軸模塊10的下端、且與傳動軸904，傳動軸904與光纖90°模塊7連接，環形光柵902和氣動抱閘903安裝在中空力矩電機901上，環形光柵902用于檢測角度，氣動抱閘903用于加工時鎖緊中空力矩電機901的旋轉軸。
如圖4所示垂直主軸模塊10包括垂直主軸模塊主體輪廓及設置在主體輪廓內部的中空轉軸，中空轉軸的下端與中空力矩電機901的旋轉軸連接，上端與旋轉拖鏈模塊11連接。
垂直主軸模塊10的主體輪廓為鑄件結構，內部通過中空轉軸將旋轉軸模塊9的扭矩傳遞到旋轉拖鏈模塊11。
如圖11所示，旋轉拖鏈模塊11包括鏈盒1101及盤繞在鏈盒1101內的拖鏈1102，鏈盒1101與垂直主軸模塊10的主體輪廓固定連接，拖鏈1102的內側端與中空轉軸連接，外側端與鏈盒1101連接，拖鏈1102可繞旋轉軸做±200゜旋轉纏繞，其最小直徑Φ≥400mm，即有效保護光纖又解決了旋轉問題。正極限位置A為+200゜，負極限位置C為-200゜。
本發明中，聚焦模塊1和防碰撞模塊2為市購產品，聚焦模塊1將平行光路聚焦成切割光斑，可同時噴出高壓切割氣體并附帶冷卻裝置；防碰撞模塊2由永磁鐵和柔性結構組成，防止誤操作引起的碰撞損傷。折返鏡模塊4為市購產品，型號YK52-C，準直器模塊5為市購產品，型號YK52-D。
激光經由光纖從旋轉拖鏈模塊11進入系統，依次穿過中空設計的垂直主軸模塊10(中空直徑Φ≥80mm)、旋轉軸模塊9、擺動軸模塊8、光纖90°模塊7，中心補償模塊6，到達準直器模塊5(光纖插拔接口)，激光內光路經由準直器模塊5、折返鏡模塊4、隨動模塊3、防碰撞模塊2達到聚焦模塊1，完成聚焦。
三維激光切割系統主要技術指標：
1)旋轉軸行程：±200°；速度：90rpm；加速度：200rad/s2。
2)擺動軸行程：±135°；速度：90rpm；加速度：100rad/s2。
本發明兩次光路折返機構簡化為一套，設備成本降低10％以上，減少一次折返鏡光路折返，即減少一倍加工誤差及旋轉機構運動本身帶來的穩定性影響，穩定性高，同時大大降低了調整及維修旋轉光路的難度。
以上所述僅為本發明的實施方式，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進、擴展等，均包含在本發明的保護范圍內。
