用于三维体上的连续精密机加工的头以及包括所述头的机 加工设备 【技术领域】
本发明涉及用于三维体上的连续精密机加工的头以及包括所述头的机加工设备。背景技术 所指的机加工设备能够用于任何精密机加工， 并且因此能够应用于三维工件 （pieces） 的连续轮廓 （profile） 上的机械工具机加工领域， 诸如激光切割和焊接、 氧气切 割、 高压水切割、 手术、 跟踪操作、 轮廓的调查和测量、 连续轮廓的研磨、 标记、 胶合等。
参考激光切割和焊接领域， 在当前工业机械中使用的头通常具有如图 1 所示的架 构布局。
在图 1 中， 所述头包括 ： 紧固装置 1， 其具有机加工设备的凸缘， 具有第一机械旋转 轴A； 中间装置 2， 其具有与第一机械旋转轴 A 相连的第二机械旋转轴 B， 第二机械旋转轴 B 与第一机械旋转轴 A 正交 （其在交点 M 处与之相交） ； 以及终端机加工装置 3， 其具有与第一 和第二机械旋转轴 A、 B 相连的第三机械平移轴 C。
未聚焦激光束 4 在所述头本身内部通过并被位于与射束 4 本身成 45°的位置处的 两个反射镜 5、 6 偏转。两个反射镜 5、 6 相对于两个机械旋转轴 A、 B 也处于 45°处。
终端装置 3 包括在透镜 8 上与轴 C 共轴的喷嘴 9， 透镜 8 使在喷嘴 9 的上游的激光 束 4 聚焦， 激光切割气体通过入口管道 11 被注入到喷嘴 9 中。
喷嘴的移动被以高动态性互锁到来自工件喷嘴距离传感器 10（通常为电容传感 器） 的信号， 从而在切割期间保持恒定的喷嘴工件距离， 即使在工件的形成期间存在使得当 前轮廓不同于计划理论轮廓的表面褶皱或小表面缺陷的情况下也是如此。
这保证了切割的技术质量和一致性， 因为尽管存在此类缺陷， 聚焦点仍在相对于 工件表面的相同轴向位置上。聚焦激光束在通过位于聚焦透镜 8 下游的管道注入的支持气 体的辅助下进行切割。
此架构的精髓是， 为了允许激光束 4 从其中通过， 喷嘴 9 被定位为使得激光束 4 的 焦点具有两个旋转半径 LA 和 LB， 其分别遵循所述头绕轴 A 和 B 的操作。
基本事实如下， 随着绕轴 A 和 / 或 B 的每次旋转 （以改变喷嘴 9 的取向） ， 还将发生 焦点从其原始位置沿着弧线的移动。因此， 如果仅仅需要改变喷嘴 9 的取向， 而不改变焦点 的初始位置， 则此头的几何结构不允许这样， 因为其始终包括焦点远离其初始位置的旋转 偏移。
用此头架构， 如图 2 所示， 以 90°弯曲或大体上呈曲线的工件 P 的切割涉及喷嘴 9 的轴的方向变化以保持其与轨迹正交 （根据切割技术的要求） ， 以及因此与头绕两个旋转轴 A 和 B 的移动正交。
如果头被以笛卡尔结构 X、 Y、 Z 安装在机器上， 并且仅仅喷嘴 9 的取向需要改变， 由 于旋转半径 LA 和 LB 的有限尺寸， 还要求由机器的轴 X、 Y、 Z 同时补偿头中心 CT 的圆形移 动 （轴 A 和 B 的交点） ， 使得喷嘴的端部被保持在计划轨迹上， 如在图 2 中， 图 2 示出轴 B 的
90°旋转的简单情况。
图 2 为了简单起见仅仅用虚线示出与绕轴 B 的 90°旋转相比的头中心 CT 的补偿 移动 （其本质上意味着喷嘴的端部仍在旋转起始点 P0 的坐标 X0、 Y0、 Z0 上， 仅仅改变了喷嘴 9 的取向） 。未表示出头中心 CT 的轨迹移动， 其遵循计划轮廓至喷嘴， 并且其被实时地叠加 到补偿的移动。
此类移动组成 （其中， 当需要喷嘴 9 的取向变化时， 轴 X、 Y、 Z 的内插算法、 以及必须 遵循工件的计划轮廓还必须同时地产生由绕轴 A 和 B 的旋转引起的补偿移动） 给其带来关 于处理工具的所得到移动的速度、 加速度和准确度方面的显著不利结果和振动， 其对切割 技术不利， 导致已生产工件的生产率和可重复性、 准确度和质量的降低。
而且， 由许多轴的同时移动的总和给出处理工具的所得到的轨迹 （即使在必须执 行简单旋转时） ， 所述许多轴的互锁在其之间具有各种动态误差特性， 并且其补偿运动的计 算纯粹是数学的， 由数值控制来执行， 并且不是非常精确的纯机械移动的结果。
这一事实取决于机器及其机加工头之间的行程的尺寸和质量的巨大差异 ： 事实 上， 虽然由于机加工头的低质量而可以用当前的技术获得头相对于其轴 A、 B、 C 的高加速度 操作， 但由于机器的大质量而不可能用当前技术获得相对于轴 X、 Y、 Z 的高加速度机器操 作。
机器与其头之间的这些动态能力差异对于以精确且一致的方式使涉及轴 A、 B和C 以及轴 X、 Y 和 Z 两者的组合移动获得同步的能力不利。
使机器的动态能力适合于头的动态能力的尝试将导致成本、 设备总尺寸的显著增 加， 以避免呈现出作为结果的振动和不准确、 以及将支撑惯性推力的结构的加强， 这使得此 解决方案不切实际。
由此可见， 用此架构， 实现所要求的切割规范的唯一方式是降低头的动态能力并 使其适合于机器， 结果使得不利于切割工件的质量和生产率， 因为激光加工未很好地对切 割速度的变化作出反应。 发明内容
因此， 本发明提出的技术目的是实现一种用于三维体的连续精密机加工的头以及 包括所述头的机加工设备， 以解决现有技术的技术缺点。
在所述技术目的的范围内， 本发明的一个目标是产生一种用于三维体的连续精密 机加工的头以及包括所述头的机加工设备， 使得可以在保持或者甚至提高机加工精度的同 时增加生产率。
通过制造根据权利要求 1 的用于三维体上的连续精密机加工的头来实现根据本 发明的技术目的以及这些及其它目标。
而且， 在随后的权利要求中限定了本发明的其它特性。
可以将新的头安装在经典笛卡尔结构的端部凸缘上或任何类型的机器人结构 （铰 接的、 极坐标的、 拟人的、 圆柱的等） 的端部凸缘上。
新的头 （尤其是在机器人应用中） 提供更大的灵巧性和穿透能力， 能够以更大自由 度对其本身进行定向以用于复杂三维工件的机加工， 以各向同性方式沿着所有方向延伸， 包括竖直方向。此外， 其消除了机器在头的操作之后执行补偿移动的需要。
实质上， 改变机加工工具的取向的简单移动将对应于所述头的一个或至多两个轴 的简单且精确的移动。
有利地， 头相对于其机械轴的操作完全与机器相对于其机械轴的操作脱离， 使得 机器和头的任务被清楚地限定且是独立的。
特别地， 机器的操作可以优选地局限于缓慢平移移动或具有低曲率的路径， 而头 的操作可以涉及定向移动和 / 或涉及以高的角加速度和 / 或线加速度的移动。
此外， 由于机器和头的轴的脱离， 不再存在由机械笛卡尔轴实现的头旋转轴的补 偿移动。
头的高动态移动的准确度本质上由其机械结构的精确度和头绕着机械旋转中心 旋转的能力决定。 附图说明 参考附图， 通过根据本发明的头的优选但非排他性实施例的说明， 本发明的附加 特性和优点将更加明显， 在附图中 ： 图 1 示出传统激光切割头的布局 ；
图 2 示出图 1 中的头的补偿运动 ； 图 3 示出根据本发明的激光切割头的示意性前视图 ； 图 4 联合示出图 3 中的头沿着包含机械轴 A 的平面截取的示意性侧视图 ； 以及 图 5 示出图 3 中的头应用于执行圆形切割。 具体实施方式
用于三维体上的精密机加工的头包括到机加工设备的凸缘 30 的紧固装置 1、 中间 装置 2 和终端装置 3。
所述头意图用于激光切割加工， 诸如汽车领域中的金属板的切割， 但是该概念同 样地可以扩展至其它领域。
紧固装置 1 呈现第一机械旋转轴 A， 中间装置 2 呈现与第一机械旋转轴 A 相连的第 二机械旋转轴 B， 并且终端机加工装置 3 呈现与第一和第二机械旋转轴 A、 B 相连的第三机 械旋转轴 C。
第二机械旋转轴 B 与第一机械旋转轴 A 正交， 其与之在交点 M 处相交。
中间装置 2 采取弧形的形状， 所述弧形的圆周的中心在交点 M 处。
有利地， 第一机械旋转轴 A 和第三机械旋转轴 C 针对弧形径向地取向。特别地， 第 一机械轴 A 和第三机械轴 C 在头的参考结构中重叠。
中间装置 2 具有 ： 第一支撑和引导部分 4， 其与绕第一机械轴 A 旋转的紧固装置 1 的部分 32 成一整体 ； 第二支撑和引导部分 5， 其在绕第二机械轴 B 的旋转中由第一部分 4 引 导； 第三部分 6， 其与终端装置 3 的部分 38 成一整体且在绕第二机械轴 B 的旋转 （其独立于 第二部分 5 绕第二机械轴 B 的旋转） 中由第二部分 5 引导。
紧固装置 1 具有用于驱动部分 32 的直流电动机 （direct motor） 7 和用于检测角 位置的传感器 8， 其读取紧固装置 1 的部分 32 绕轴 A 的旋转角 （轴 A 也是紧固装置 1 的中心对称轴） 。
特别地， 直流电动机 7 包括 ： 缠绕定子 27， 其与相对于凸缘 30 固定的紧固装置 1 的 部分 31 成一整体 ； 永磁体转子 26， 其与绕第一机械轴 A 旋转的紧固装置 1 的部分 32 成一 整体 ； 以及在部分 31 与部分 32 之间的滑动轴承 28。
第二部分 5 具有用于其致动的直流电动机 9 和检测其相对于第一部分 4 的角位置 的传感器 10。
特别地， 直流电动机 9 包括与第一部分 4 成一整体的缠绕定子 33、 与第二部分 5 成 一整体的永磁体转子 29 以及第一部分 4 与第二部分 5 之间的滑动轴承 34。
第三部分 6 具有用于其致动的直流电动机 11 和检测其相对于第二部分 5 的角位 置的传感器 12。
特别地， 直流电动机 11 包括与第二部分 5 成一整体的缠绕定子 35、 与第三部分 6 成一整体的永磁体转子 36 以及在第二部分 5 与第三部分 6 之间的滑动轴承 37。
终端装置 3 具有用于其致动的直流电动机 13 和检测其线位置 14 的传感器。
特别地， 终端装置具有与第三部分 6 成一整体的部分 38 和可向机械轴 C 平移的部 分 39。 直流电动机 13 示出与部分 38 成一整体的缠绕定子 40、 与部分 39 成一整体的永磁 体回转件 41 以及在部分 38 与部分 39 之间的滑动轴承 42。
在适当的情况下， 终端装置 3 包括用于激光切割的喷嘴 15， 其被定位为与第三机 械轴 C 共轴。
喷嘴 15 在其尖端处具有距离传感器 16。
有利地， 喷嘴 15 包括用于光纤 18 以便传输激光束入口 17。
在喷嘴 15 的上游， 设置了激光束的准直器 19、 用于经准直的激光束沿着喷嘴 15 的 轴反射的反射镜 20 以及能够使经反射的激光束聚焦在喷嘴 15 的尖端处的透镜 21。
在喷嘴 15 的尖端与透镜 21 之间的是用于工艺气体以便激光切割的入口 22。
假定切割和激光焊接头未使用具有反射镜的传统光学装置， 而是使用了用于传输 激光束的光纤， 其对用于其架构的设计选择不施加约束。
结果， 通过使用光纤， 可以例如采用机械轴 B 的弧形结构。
而且， 其使用光纤的事实意味着激光能够在头的运动学特性的下游进入， 并且仅 要求一个反射镜， 与机械轴 C 平行地发送激光， 这大大地简化了激光束的几何校准。
相反， 在现有技术中， 需要用必须严格相互平行且与机械轴 A 和 B 成 45°的两个反 射镜使光束在运动学特性的上游进入， 这显著地使激光束的几何校准变得复杂。现有技术 中的光学链的此相同使用决定了图 1 所示的偏移 LA 和 LB， 其进而导致需要轨迹的补偿移 动。
光纤的使用还减小了头的尺寸， 并增加了精确度、 灵巧性和动态性。
优 选 地， 紧 固 装 置 1 且 特 别 是 其 旋 转 部 分 32 具 有 绕 第 一 机 械 轴 A 的 不 小 于 ±360°的角偏移， 与第一部分 4 相比， 第二部分 5 具有绕第二机械轴 B 的不小于 ±60°的 角偏移， 并且与第二部分 5 相比， 第三部分 6 具有绕第二机械轴 B 的不小于 ±60°的角偏 移。
此外， 终端装置 3 且特别是可平移部分 39 具有优选地不小于 ±40 mm 的线偏移。
终端装置 3 具有高动态性以适合于要切割的工件的表面中的小局部变化， 诸如褶 皱、 表面瑕疵、 表面与标称结构的略微偏差。在此功能中， 终端装置 3 服从工件喷嘴距离传 感器 16 的信号。为了执行此功能， 给定上述表面缺陷的典型的尺度， 仅仅几毫米的行程将 是足够的， 但是如将看到的， 执行更大平移行程的能力在特定的切割应用中尤其有用。
中间装置 2 在结构上被设计为复制第二机械轴 B。
此结构是有利的， 主要是由于如下原因 ： 空间 （灵巧性和穿透能力） ， 以及使头准备 好用于正在被加工的工件的平均进展以避免与工件本身干涉的更大可能性。
此复制使得能够实现执行由绕 90°角的旋转组成的临界移动时的速度和加速度 的加倍， 使得即使在具有高曲率的区段上， 具有低曲率的区段的典型的最大切割速度未改 变和减小 （在技术上可行） 。
轴 B 的此类复制还允许头的形状适合于当前和未来潜在工件的形状， 并且通过旋 转机械轴 A， 准备根据当前和计划进展的切割区段， 从而准备机械轴 B 至高曲率的旋转， 并 且允许机械轴 B 实时地将其本身定向到工件。
绕两个机械子轴 （其中第二机械轴 B 分裂） 移动的质量有利地是等同的。
由于本文所述的架构， 中间装置 2 在不与下面正在加工的工件干涉的情况下具有 ±120°的总的角行程。 请注意， 作为第二部分 5 和第三部分 6 的独立的同心和平行移动的结果， 能够基于 正在加工的工件的形状来修改中间装置的行进结构和构造， 以避免工件与机加工头之间的 碰撞并近似地针对下面的工件的即时或计划形状准备头的形状。
请注意， 通过在推挽模式下且同步地移动两个轴 B1 和 B2， 能够通过仅移动装置 5 来改变头的构造， 使得终端装置 3（工具） 未改变， 其不改变其相对于工件的取向并保持在 计划轨迹上。这样， 能够在不影响工具的取向和移动的情况下独立地且实时地执行针对工 件形状的头的准备的致动。
此外， 当聚焦点 （TCP 工具中心点） 与机械旋转点 M 重合时， 能够在所述运动不使切 割点移出计划轨迹之外的情况下旋转轴 A。在不影响计划路径的情况下连续地或预期接近 边缘地执行轴 A 的此旋转的可能性保持由工具轴 （轴 C） 和切割点的速度矢量 V 限定的即时 切割区段中的轴 B 的旋转平面与轨迹相切。
这样， 可在即时加工点处沿着工件表面的法线容易地调整工具轴 C， 仅旋转轴 B。
因此， 看起来头的所述架构不仅使轴 A、 B、 C 独立于轴 X、 Y、 Z， 对其给定单独的任务 （对于 X、 Y、 Z 而言主要是平移且对于 A、 B 而言主要是的定向） ， 而且对于同一个头而言， 使得 轴 A、 B、 C 的任务相互独立。
下面描述汽车车身金属板的激光切割头的一些应用。
所述头被安装在具有笛卡尔机械轴 X、 Y 和 Z 的机器上。
对图 5 进行参考， 其中用箭头来指示头相对于机械轴 A、 B 和 C 的移动。考虑被互 锁到传感器 16 的喷嘴 15， 喷嘴 15 的尖端被永久性地设置在固定距离处， 例如在与轴 A 垂直 的扁平板 50 的表面上方约 1.5 mm 处， 并且激光束的聚焦点 P0 精确地在板的表面上， 即处 于汽车车身金属板的切割技术的最佳条件。
如果在此互锁位置上沿着机械轴 Z 执行机器的例如 20 mm 的准备移动， 则整个头 降低， 但是不与板本身碰撞， 既然终端装置 3 由于喷嘴 15 到传感器 16 的互锁而向上移动 20
mm， 这趋向于保持喷嘴尖端到板表面的距离不变。在这种情况下， 交点 M 被 “沉降” 在板表 面下面 20 mm。如果在这些条件下中间装置 2 绕第二机械轴 B 旋转， 特别是旋转 30°， 并且 然后激活激光器以开始切割， 使紧固装置 1 绕第一机械轴 A 旋转通过 360°， 则切割出半径 等于约 11.6 mm 的完整的圆。此圆由距离其顶点 20 mm 的 30°的半开圆锥的平段给定。
类似地， 保持紧固装置 1 牢固， 如果只有中间装置 2 旋转例如距离中心参考角位置 从 -30°至 +30°， 则实现约 23.2 mm 的直切割。如果在中间装置 2 的移动末尾， 紧固装置 1 开始绕着第一机械轴 A 运动 180°， 则切割出半圆。
因此， 通过正确地对紧固装置 1 和中间装置 2 绕机械轴 A 和 B 的移动进行内插， 能 够切割所有种类的小局部外形， 诸如所得到的那个， 实时地组合圆锥和平金属板的基本段。
具有相同益处的另一重要应用是诸如图 2 所示的轮廓的圆周 （基准点） 的弧形的切 割。如果交点 M 被放置在工件的高曲率弧形的中心上且轴 A 被布置为使得旋转平面 B 位于 切割区段中， 则相当清楚的是仅用绕轴 B 的移动， 能够在同时保持喷嘴的取向垂直于轨迹 的同时实现弧形的高速切割。请注意， 在前一直线区段的切割期间被覆盖的时间发生设定 移动， 诸如交点 M 的 “沉降” （使承载了头的机器的轴 Z 向下移动， 以及绕轴 A 的旋转， 使得 切割区段与旋转平面 B 重合） ， 并且因此不影响生产率或质量， 因为技术条件 （焦点的位置以 及切割速度） 不变。
根据本发明的头允许创造性的机械轴的直接集成， 其消除了对复杂且笨重的机械 设备 （诸如减速齿轮和螺杆） 的需要， 使得机械轴的机械结构与其致动电动机及其位置换能 器一致， 其被直接安装在机械轴上。引擎本质上识别机械轴本身且与之集成。
机械和电致动和换能接口的消除或减少使得准确度增加， 降低构造的复杂性以及 总尺寸和成本。由于消除了由传统解决方案中使用的动力系引起的游隙和弹性， 直接致动 大大地增加机械轴的移动的动态范围和准确度， 并且使得可以使电动机的形状适合于轴本 身的几何结构 （直线、 圆柱形、 圆弧等） ， 并由于动力系和部件被减少至它们必需的程度而在 有限空间内采用更大数目的机械轴。 实际上， 机械轴被缩减为滑动导轨、 轴本身的支撑机械 结构、 绕组及定子和转子磁体以及位置换能器。头可以绕固定的交点 M 机械地旋转， 这消除 了对安装头的机器的补偿移动的需要， 并且使得头的机械轴完全独立于机器。
头在不涉及安装头的机器的机械轴的情况下绕其机械轴的致动使得具有高曲率 的区段的高度动态且精密的切割成为可能， 并且增加了工具轴的取向轨迹的准确度。
事实上， 虽然在传统头中， 此移动必要地涉及通过数值控制以数学方式计算并借 助于诸如机器的那些高惯性机械轴来执行的绕旋转中心的补偿移动， 但在此创造性的头 中， 绕作为交点 M 的机械点产生所述移动， 其能够用机械部件的结构准确度和精确度实现。
还能够在没有中断的情况下在具有高曲率 （其中， 本质上将移动工具的是头的机 械轴） 的区段中获得能够在低曲率的区段 （其中， 本质上将移动工具的是机器的机械笛卡 尔轴） 上获得的高速切割系统， 具有所生产零件的生产率、 准确度和可重复性方面的显著提 高。
这样构思的头可能有许多修改和变体， 其全部落在本发明构思内 ； 而且， 所有细节 可被技术上等同的元素替换。
实际上， 可以根据要求和技术水平随意地选择所使用的材料以及尺寸。