基于并联机构的激光切割机

激光切割机被加工零件的质量与运动控制系统的精密程度密切相关。切割的速度和精度与激光发射装置的运动轨迹有重大关系，大量科研工作者对被加工零件运动轨迹的轨迹方面做了大量的研究与探讨。虽然取得了一定的成功，但仍存在很多急需解决的重要问题，因此激光切割机中测控系统的动态性能有待提升。

我国金属零件加工产业的发展激光切割机密切相关，这就会促使大量科研工作者加大对激光切割机技术的研究。国外在激光切割机方面的技术相对国内先进很多，高精度的激光切割机主要依赖进口，无形中加大了零件加工的生产成本，也在一定程度上制约了我国经济的快速发展。

德国通快公司、瑞士百超公司、意大利PRIMA等国际知名公司，已经成功在国际激光切割机市场上销售大功率、立体的激光切割机4。在这种情况下我国每年不得不花费数十亿元购买国外生产的高端激光切割系统和引进相关技术。例如三维激光切割机，价格相当昂贵、订货周期较长、售后服务不能得到保证等因素，在一定程度上影响了我国经济的快速发展。

基于我国的这种激光切割机技术局面，我在该篇文章中对三维激光切割机的运动轨迹控制系统做了一定的研究，希望能够在激光切割运动控轨迹制技术方面做出点滴贡献

一 ．功能设计

随着激光切割技术的进步，三维空间曲线的激光切割以其切面质量好、精度高、柔性强等诸多优点，得到汽车工业、航空航天工业、工程机械等诸多领域的青睐。使用三维激光切割，可以缩短生产周期，节省原材料，提高功效，降低生产成本。

传统的三维数控激光切割机，主机传动机构采用串联方式。串联机构的切割头运动轨迹及姿态控制都是建立在笛卡尔坐标系中，机械结构复杂、笨重，设备动态响应速度差，零部件寿命低。针对上述问题，本文设计了一种结构更加灵巧、刚性更大、惯性更小、精度更高的基于并联机构的三维数控激光切割机，以光纤为光束传输介质，通过五个简单的直线驱动装置来实现对切割头在

三维空间X、Y、Z、A、C五轴运动的控制。

二． 结构设

x轴——横梁3沿机身1上的X向导轨的运动；Y轴——溜板2沿横梁3上的Y向导轨的运动；Z轴——溜板8沿Y轴溜板2上的Z向导轨的运动；A轴——十字架11通过转动副与Z轴溜板8连接，并可在±90的范围内进行旋转运动；C轴——激光头安装支座10通过转动副与十字架11连接，并可在±90的范围内进行旋转运动。

1. 机身 2.Y轴溜板 3.横梁 4、5、6、7.分别为直线驱动装置一、二、三、四 40、50、60、70分别为连杆一、二、三、四 8.Z轴溜板 9.切割头 10.撒光头安装支座 11.十字架

三． 控制系统设计激光切割机控制流程图

上位机

X方向移动 Y方向移动 Z 方向移动 A方向移动 C方向移动 位置板1 XYZ轴 位置开关 I/O 位置板2 AC轴 串口通讯 PLC

驱动器 驱动器 驱动器 驱动器 驱动器 电机 电机 电机 电机 电机

激光切割机工作原理

激光切割机属于非接触式的加工方法，主要是依靠聚焦的高功率、高密度的能量激光束对工件进行照射，从而使被加工材料吸收到足够的热量，并且工件吸收热量会使温度持续上升，当吸收到的热量积累到一定程度材料将极速熔化、气化或者达到燃点。

激光头工作原理

激光器是三维激光切割机的重要组成部分，与机床主体、运动控制系统构成了完整的三维激光切割机。

运动轨迹控制系统主要工作内容是协调激光切割机内部系统的各个组成部分，实现对运动轨迹、加工位置、加工速度的完美控制。

机床主体也就是机械部分由机床的底座，XY工作台、Z轴机构、加载切割头的机械臂、激光器、运动机构等组成。激光切割机运动原理

要能够进行三维零件的加工，必须能够使激光发射器发射的光斑能够出现

在被加工零件的空间的任意位置，与此同时激光发射器发射的激光束必须要在加工点平面法线所在方向的沿线上。比较常见的二维激光切割机，只要能够实现水平面X、Y轴和与水平面垂直的Z轴运动就能完成零件的加工。而三维激光切割机要实现五轴联动需要在此基础上，在激光切割头上增加两个转动运动。根据三维激光切割机的运动轨迹设计如下三维激光头结构形式。

激光切割机五轴运动示意图

这种三维激光切割头的设计使用偏置布置的方式，此种三维激光切割头结构紧凑、布局简单，其中C轴能够实现绕自身轴线方向的正反向任意角度的旋转，而A轴能够绕自身轴线方向正负135度的旋转，因为激光切切割不是接触式加工所以切割头末端与工件之间需要存在一个恒定的距离，所以随动系统的设计要能够具有沿A轴垂直运动的功能。