一种应用于五轴激光加工的新型导向头

1 国内外发展现状

在五轴机床中，3个移动轴和2个旋转轴分别控制刀具相对加工表面的位移和指向。将此五轴按照不同顺序串联可获得多种布局，其中两旋转轴直连正交的布局具有特殊优点:①符合运动学思维习惯;②与两转轴非直连结构相比，旋转轴改变刀杆空间指向时，刀尖相对工件的位置偏移较小，减少了移动轴补偿;③后置处理计算简单，一般类似于球镜刀半径补偿。该布局具体分为两种:①两旋转轴共同驱动工件，即双转盘结构;②两旋转轴共同驱动刀具，其结构类似机械臂。前者的刀轴安装简单、刚性好，多用于机加工；而后者可获得更高的转角速度、更灵便，多用于激光切割等领域而被称为导向头。

导向头的典型结构如图1所示，旋转轴C、A与刀轴T相交于同一点，光束经过4次90°反射，从该几何交点射出，轴C和轴A分别控制刀具(或光束)的水平转角和俯仰角α，其光路与字符Ω形似，暂命名为Ω结构，以便表述。

图2是Ω结构的简化版本，其应用也十分广泛。因为缩短了光路，上述三轴无法相交于一点。其优点是结构简单易于制造和安装，并且光路损耗较小;缺点是后置处理比Ω结构复杂，加工曲面时，需要移动轴来补偿图中的偏心距LCA。同时，移动轴行程的利用率也被降低。

近年来，在激光切割领域处于领先地位的NTC(日平富山)和三菱等公司在其五轴激光加工系统中都采用了一种新型导向头(如图3），轴C按常规布置，另一旋转轴φ与轴C成45°角相交，刀轴T绕轴φ 旋转并与之保持45°。其光路与字符三形似，暂命名为∑结构。∑结构在国内相关领域尚不多见，其新颖的设计带来了许多优点，非常值得借鉴。

图3 光束导向头∑结构

2 ∑结构的运动学特性

如图3和图4，在∑结构中，轴C、轴φ和刀轴T相交于一点，并且在安装时保证刀尖(或激光焦点)精确位于该几何交点处。这就使得轴C和轴φ进行任意旋转时，刀尖位置不会被改变，因而在五轴联动过程中，加工轨迹的位置精度仅取决于三移动轴，而与两旋转轴元关。

通过与传统的Ω结构进行比较正结构的优点在具体应用中主要体现在:

① 由于三系统的位置控制独立于转角控制，其位置精度的可靠性更高，这一点对于激光切割等加工尤其重要。因为加工中位置精度不仅决定了轨迹生成，还关系到导向头到工件表面的距离，这直接影响激光焦点和辅助吹气气嘴的位置，并最终影响切割质量，包括缝宽均匀性、切口平整性和背面挂渣状况等。此外，这一点对机床的安装和调试也十分有利。

② ∑结构中各导轨行程得以完全利用，而Ω结构中移动轴的加工范围通常小于其导轨行程。

例如，考察Ω导向头加工图4中半径为R的半圆I-II-III-IV，其移动轴合成轨迹却是半径等于(R+Lr)的半圆(Lr为刀轴T的长度，图4中Lr=MII)，因而，能够加工的最大工件半径相比立结构减少了Lr(暂且不考虑Z轴的行程限制)。

③传统的Ω导向头与∑结构相比，对于同样的加工对象，耗时和耗能更多，而且移动轴被迫以更高的速度运行，这对于半径很小的圆弧(包括整圆)的加工尤为不利，分析如下。

目前激光切割通常采用吹氧辅助，为了实现切口平整、减少挂渣，切割速度较高，通常V≈15mm/s(薄板的对应速度更高)。在图4中，设R=lOmm, Lr=295mm，由几何关系可知，Ω导向头加工该半圆时，移动轴合成线速度为:

VΩ=(Lr + R)V/R=450 mm/s

该速度超过了一般机床的移动轴速度极限，多轴联动时该速度对各移动轴的动态特性也有很苛刻的要求，无形之中增加了机床的硬件成本，而∑结构则避免了该问题。

④立结构应用于机床的示教编程时特别方便。示教编程已经逐渐成为多轴加工机的必备功能，它可以在没有零件3D模型时，实现迅捷加工。示教编程时，一般只需获得移动轴坐标，基于移动轴坐标进行曲面重构之后，再可得到旋转轴坐标。

在曲面的任意点位上，∑系统均可直接获取移动轴坐标，而Ω结构则必须进行刀具半径补偿的逆运算。另外，示教时需要在各个点位上手动对刀，调整刀尖(或测头尖端)位置刚好与加工点接触，并且调整刀轴尽量沿着曲面法向，操作十分麻烦。由于∑结构的移动轴和旋转轴运动独立，其示教工作的劳动强度要大大低于0 结构。固立结构的刀路数据后置处理。

由前述分析可知，在3个移动轴方面，∑结构不需要特别的后处理，CAM软件基于零件3D模型生成的移动轴数据可直接用于后续加工，而Ω结构则需要进行后置处理，即在各移动轴原始数据上叠加对刀轴长度Lr的补偿。

而在两旋转轴方面，情况却相反。∑结构需要额外地对水平转角进行补偿。这是因为轴φ在改变刀轴的俯仰角α时，也同时改变了刀轴的水平转角θ，产生的附加水平转角偏移为△c(见图4)，轴C必须对此偏移进行补偿。具体分析如下。

图4 中，辅助线IIs平行于X轴，M'和N'分别为M和N在轴C-轴φ平面内的投影。定义C为连杆JK绕轴C相对X轴正向的转角。定义φ为连杆PM绕轴φ相对其初始位置PQ的转角。点I处φ=O(点I处光路己省略)，点W处φ=2n。定义曲面法矢的水平转角θ为法矢(IIM)的水平投影(IIN)与X轴的夹角。定义曲面法矢的俯仰角α为法矢(IIM)与其水平投影(IIN)的夹角。

不失一般性，在点II处，现已知曲面法矢为IIM，其角度坐标为(θ，α)，需求解轴C和轴φ的转角位置(c，φ) 。

由图中几何关系可得，

转角φ对水平转角θ产生的附加偏移为△c，图中对△c有如下关系：

在水平面SIIQ内可得轴C位置为：

C=θ+(-△c)，其中，

φ- α和△c-α的关系曲线如图5所示，φ-α曲线十分光顺，无奇异点，曲线整体上与斜率为2的直线接近，这些都有利于对刀轴矢量的控制。较为不利的是，曲线在起始段(α=0附近)斜率很大，此处对应φ轴的转速很高，不过该情形在实际加工中较少碰到。△c-α曲线与之类似。

图5

轴C 和轴φ在2Л范围内旋转时，∑结构的运动分解不唯一。例如图4 中点II处，导向头关于圆柱端面的镜像，也能使得刀轴T与该点法矢匹配。具体的运动分解由CAM软件根据加工类型定制，以提高加工效率。例如，对于水平面 (或接近水平)内的加工时，轴C允许2Л范围旋转，而轴φ限制在0-Л；加工图4所示的拉伸曲面的截断面时，轴φ允许2Л旋转，而轴C在拉伸方向(图4中圆柱轴向)附近作小范围摆动。 

3 结论

本文介绍了一种新颖的五轴加工导向头，并结合实际应用分析了该结构的多种优点。在切削力很小(或为零)的激光加工、高速锐和坐标测量等领域，该导向头结构均可获得很好的应用。