一种高精度五轴激光加工机床的制作方法

1.本发明涉及激光加工机床领域，尤其涉及一种高精度五轴激光加工机床。


背景技术：

2.针对钛合金、高温合金以及高强度钢等领域，采用传统加工方式，刀具与工件接触进行切削加工时，刀具与工件之间存在作用力，使得切削工具和工件产生微量的弹性形变，影响加工精度。为了解决上述问题，需要采用性能更好的刀具，使得加工成本升高。尤其针对一些特殊位置的孔洞，如发动机燃烧室小孔加工等，采用常规加工方式很难实现，因此现有技术采用激光加工孔洞。
3.公开号为cn116079228a的中国发明专利申请公开了一种五轴联动激光加工设备及其加工方法，通过激光加工、人造大理石框架以及直线电机三者结合实现对工件的加工，但该加工方式存在以下问题：直线电机热量主要在线圈中生成，但线圈属于动子，该发明在定子上设置液冷过渡板，不能很好地对直线电机进行散热，其次，人造大理石相较于天然大理石虽然成形性能好，但由于其采用高分子材料粘合使得结构稳定性比天然大理石差；再次，该发明中的直线电机竖直设置，在重力作用下机械部件会发生蠕变，使得设备精度变差，虽然人造大理石一定程度上可提高机床刚性，但仍难以满足高精度的要求。公开号为cn115365646a的中国发明专利申请公开了一种五轴激光加工机床，该机床采用两个y轴安装架，可以提高机床的的稳定性，但该机床未对直线电机进行散热，且x轴运动机构、y轴运动机构和z轴运动机构均采用直线电机，尤其是x轴和z轴的直线电机产生的热量大，导致运动精度大大降低，不能满足高精度加工要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高精度五轴激光加工机床，结合直线电机热量传输特点，对x轴运动机构、y轴运动机构以及z轴运动机构的驱动形式以及机床支撑架结构进行改良设计。本发明提供的高精度五轴激光加工机床定位精度可达0.005mm，激光穿孔的孔径精度可达0.01mm。
5.本发明采用如下技术方案。
6.一种高精度五轴激光加工机床，包括：床身；机械运动组件，所述机械运动组件包括x轴运动机构、y轴运动机构和z轴运动机构，所述x轴运动机构和y轴运动机构采用直线电机驱动，所述z轴运动机构采用旋转电机驱动；ac轴转台，所述ac轴转台安装于所述床身上，用于对工件进行夹装，所述ac轴转台带动工件绕着c轴旋转，所述ac轴转台带动工件绕着a轴进行摆动；激光加工系统，所述激光加工系统包括激光器、光路元件和聚焦组件，所述光路元件与所述聚焦组件安装于所述z轴运动机构上，所述光路元件分别与所述激光器和所述聚焦组件连接。
7.进一步的，所述床身包括底座和设置于两侧的y轴安装架，所述ac轴转台设置于所述底座上且位于两所述y轴安装架之间，所述y轴运动机构设置于所述y轴安装架上，所述床
身采用天然大理石制成。
8.进一步的，所述y轴安装架的顶面设置有y轴轨道和y轴直线电机定子，所述y轴运动机构包括y轴直线电机动子、y轴滑块以及横梁，所述y轴滑块和所述y轴直线电机动子均固定于所述横梁上，所述y轴滑块与所述y轴轨道配合，所述y轴直线电机定子与所述y轴直线电机动子配合。
9.进一步的，所述横梁顶面设置有x轴轨道和x轴直线电机定子，所述x轴运动机构包括x轴直线电机动子，x轴滑块及固定台，所述x轴直线电机动子与x轴滑块固定设置于所述固定台上，所述x轴直线电机定子与x轴直线电机动子配合，所述x轴滑块与所述x轴轨道配合。
10.进一步的，所述固定台还包括竖直安装部，所述竖直安装部上固定设置有z轴轨道、旋转电机以及与所述旋转电机传动连接的滚珠丝杆；所述z轴运动机构包括z轴滑块、螺纹传动件以及z轴安装台，所述螺纹传动件及z轴滑块固定安装于所述z轴安装台上，所述滚珠丝杆与所述螺纹传动件传动连接，所述z轴轨道与所述z轴滑块配合。
11.进一步的，所述z轴安装台上固定连接有光路元件与聚焦组件。
12.进一步的，所述横梁包括柱状梁以及设置于柱状梁两端下部的y轴滑台，所述y轴直线电机动子以及y轴滑块设置于所述y轴滑台的底面，所述y轴滑台的上表面与所述柱状梁固定连接。
13.进一步的，所述柱状梁采用天然大理石制成。
14.进一步的，还包括导热系统，所述导热系统包括：第一导热件，所述第一导热件设置于柱状梁内且与x轴轨道接触；第二导热件，所述第二导热件用于将y轴滑台与所述柱状梁分隔开，所述第二导热件与y轴滑台和柱状梁的接触面上设置有纳米导热材料；导热连接件，所述导热连接件用于将第一导热件和第二导热件连接；第三导热件，所述第三导热件设置于y轴安装架内且与y轴轨道接触，所述导热件与散热装置连接。
15.进一步的，所述第一导热件和第三导热件包括：导热体，所述导热体采用高导热金属制成；接触体，所述接触体包括多个，沿所述第一导热件轴向分布，所述接触体包括连接面和接触面，所述接触面上设置有针状凸起；弹性连接部，所述弹性连接部连接所述导热体和接触体的连接面；所述x轴轨道和y轴轨道安装前，所述第一导热件或第三导热件安装时，接触体的接触面高于所述天然大理石表面，且接触体的凸出高度大于所述接触体厚度的2/3。
16.本发明提供的高精度五轴加工机床与现有技术相比具有以下有益技术效果：本发明将x轴运动机构和y轴运动机构采用直线电机驱动，提高了x轴和y轴运动的精度和效率。由于x轴运动机构与z轴运动机构集成度较高，若两者均采用直线电机驱动，则释放的热量较多，控制难度大，为了降低产生的热量，z轴运动机构采用旋转电机驱动。考虑后续散热结构的设置，不能将x轴运动机构设置为旋转电机，x轴运动机构相较于z轴运动机构更可以实现散热结构的简洁化，可以采用刚性的导热件直接连接，降低机床运行过程中的风险。本发明所提供的高精度五轴加工机床定位精度可达0.005mm，激光穿孔的孔径精度可达0.01mm。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的五轴激光加工机床立体结构示意图，其中w10为开孔宽度、w2为床身宽度；图2为图1局部结构放大图；图3为本发明实施例提供的五轴激光加工机床另一视角立体结构示意图；图4为图3局部结构放大图；图5为本发明实施例提供的单轨道的导热系统结构示意图；图6为本发明实施例提供的两个轨道的导热系统结构示意图；图7为本发明实施例提供的第一导热件安装结构示意图。
18.图标：1、床身；10、底座；11、y轴安装架；12、开孔；13、y轴轨道；14、y轴直线电机定子；15、x轴轨道；16、x轴直线电机定子；2、x轴运动机构；20、x轴直线电机动子；21、x轴滑块；22、固定台；220、竖直安装部；221、z轴轨道；222、旋转电机；223、滚珠丝杆；40、z轴安装台；3、y轴运动机构；30、y轴直线电机动子；31、y轴滑块；32、横梁；320、柱状梁；321、y轴滑台；4、z轴运动机构；5、ac轴转台；60、光路元件；61、聚焦组件；70、第一导热件；700、导热体；701、接触体；7010、连接面；7011、接触面；702、弹性连接部；71、第二导热件；72、导热连接件。
具体实施方式
19.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明提供一种高精度五轴激光加工机床，如图1所示，包括：床身1，机械运动组件，所述机械运动组件包括x轴运动机构2、y轴运动机构3和z轴运动机构4，所述x轴运动机构2和y轴运动机构3采用直线电机驱动，所述z轴运动机构4采用旋转电机驱动；ac轴转台5，所述ac轴转台5安装于所述床身1上，用于对工件进行夹装，所述ac轴转台5带动工件绕着c轴旋转，所述ac轴转台5带动工件绕着a轴进行摆动；激光加工系统，所述激光加工系统包括激光器、光路元件60和聚焦组件61，所述光路元件60分别与所述激光器和所述聚焦组件61连接。
21.本发明通过将x轴运动机构2和y轴运动机构3采用直线电机驱动，提高了x轴和y轴运动的精度和效率，其次由于x轴运动机构2与z轴运动机构4集成度较高，若两者均采用直线电机驱动，则释放的热量较多，控制难度大，为了降低产生的热量，z轴运动机构4采用旋转电机驱动；不能将x轴运动机构2设置为旋转电机，因为需要考虑到后续散热结构的设置，x轴运动机构2相较于z轴运动机构4更可以实现散热结构的简洁化，可以采用刚性的导热件直接连接，降低了机床运行过程中的风险。本发明所提供的高精度五轴加工机床定位精度可达0.005mm；激光穿孔的孔径精度可达0.01mm。
22.在五轴激光加工机床领域， a轴为绕着x轴的转动，c轴为绕着z轴的转动，从附图1中可以看出x轴、y轴、z轴、a轴、c轴共同构成加工机床的五轴。
23.具体的，如图1所示，所述床身1包括底座10和设置于两侧的y轴安装架11，所述ac轴转台5设置于所述底座10上且位于两所述y轴安装架11之间，所述y轴运动机构3设置于所
述y轴安装架11上，所述床身1采用天然大理石制成。
24.所述底座10和两侧的y轴安装架11优选采用一体成型制备，即采用大块天然大理石切割后打磨制备而成，通过该方式可以提高床身1本身的刚度；为了使得y轴安装架11具有一定的强度满足本发明所提出的技术指标，并且尽量减重，如图1所示，在两所述y轴安装架11上各开设有两个开孔12，两开孔12优选为矩形，且形状和尺寸一致，两开孔宽度w10之和不大于所述床身宽度w2的一半，两所述开孔12的高度不高于所述床身1高度的4/5。
25.如图2所示，所述y轴安装架11的顶面设置有y轴轨道13和y轴直线电机定子14，所述y轴运动机构3包括y轴直线电机动子30、y轴滑块31以及横梁32，所述y轴滑块31和所述y轴直线电机动子30均固定于所述横梁32上，所述y轴滑块31与所述y轴轨道13配合，所述y轴直线电机定子14与所述y轴直线电机动子30配合。所述横梁32采用天然大理石制成，通过y轴直线电机动子30驱动横梁32进行运动，通过将y轴轨道13设置于y轴安装架11的顶面可以提高横梁32运动过程中的稳定性，相较于现有技术，避免了对轨道侧向施加作用力使得轨道容易产生变形。所述y轴滑块31与所述y轴轨道13配合，y轴滑块31可以在y轴轨道13上相对滑动。
26.如图3和4所示，所述横梁32顶面设置有x轴轨道15和x轴直线电机定子16，所述x轴运动机构2包括x轴直线电机动子20，x轴滑块21及固定台22，所述x轴直线电机动子20与x轴滑块21固定设置于所述固定台22上，所述x轴直线电机定子16与x轴直线电机动子20配合，所述x轴滑块21与所述x轴轨道15配合。所述x轴轨道15和x轴直线电机定子16设置于所述横梁32的顶面，与y轴运动机构3类似，将运动机构的重力施加至所述横梁32上。现有技术中，x轴、y轴或z轴轨道均通过螺栓紧固于预设位置处，螺栓施加与轨道顶面垂直的作用力，本发明将轨道设置于y轴安装架11和横梁32顶面，运动机构的重力施加方向与螺栓紧固方向平行，可防止对轨道侧向施加作用力使得轨道容易变形。现有技术中的轨道容易产生蠕动变形，影响机床加工精度。
27.如图2所示，所述固定台22包括竖直安装部220，所述竖直安装部220上固定设置有z轴轨道221、旋转电机222以及与所述旋转电机222传动连接的滚珠丝杆223；所述z轴运动机构4包括z轴滑块、螺纹传动件（图中未展示）以及z轴安装台40，所述螺纹传动件及z轴滑块固定安装于所述z轴安装台40上，所述滚珠丝杆223与所述螺纹传动件传动连接，所述z轴轨道221与所述z轴滑块配合。当旋转电机222驱动滚珠丝杆223转动时，由于与螺纹传动件固定连接的z轴安装台40与z轴轨道221配合，使得z轴安装台40沿着z轴轨道221轴向移动。
28.所述z轴安装台40上固定连接有光路元件60与聚焦组件61。聚焦组件61包括振镜和场镜。其中，光路元件60、振镜和场镜均安装于z轴安装台40上，能够跟随z轴安装台40同步移动，且光路元件60分别与激光器（图中未展示）和振镜连接。具体的，激光器产生的激光束经光路元件60、振镜和场镜聚焦于目标加工区域，实现激光加工功能。通过设置x轴运动机构2、y轴运动机构3、z轴运动机构4、ac轴转台5分别对激光加工系统和被加工工件进行联动运动控制，实现复杂型面难加工刀具的激光加工成型，有效提高加工效率和加工精度，提高加工质量。
29.公知的是，直线电机发热量大，直线电机动子是高发热部件，如果无法对直线电机动子产生的热量进行释放，机床加工精度会大大降低，尤其对于小孔加工，会出现较大偏差；其次，天然大理石硬度较大，切屑过程难度较高，且不同位置处的硬度稍有差异，导致切
削打磨后，大理石的表面粗糙度依然较差；再次，轨道通常为金属材料，即使通过螺栓将轨道固定于天然大理石上，两者之间也会存在气隙，影响导热；最后，冷却装置的合理设置牵扯到机床整体运行过程，本发明的z轴运动机构4采用旋转电机进行驱动，发热量小，省去了冷却机构，有利于整体机床的高效率工作。
30.具体的，本发明的横梁32包括柱状梁320以及设置于柱状梁320两端下部的y轴滑台321，所述y轴直线电机动子30以及y轴滑块31设置于所述y轴滑台321的底面，所述y轴滑台321的上表面与所述柱状梁320固定连接。横梁32采用分体结构可以实现后续导热系统的设置。所述y轴滑台321优选采用导热性较好，且具有一定刚度的金属材料制成，如不锈钢等。
31.本发明中的床身1和柱状梁320均采用天然大理石，相较于现有的矿物铸件材料或人造大理石，一方面可以提高导热性能，另一方面会增加机床结构的刚度，但天然大理石存在一些缺陷，即加工难度大，表面粗糙度较高，即使抛光后，表面平整度依然较差。其次，即使天然大理石具有良好的刚度，但直线电机升温较高后使得轨道与天然大理石之间变形量差异大，依然会导致机床加工性能变劣。
32.基于上述原因，本发明提供的高精度五轴激光加工机床还包括导热系统，如图1、3、5和6所示，所述导热系统包括：第一导热件70，所述第一导热件70设置于柱状梁320内且与x轴轨道15接触；第二导热件71，所述第二导热件71用于将y轴滑台321与所述柱状梁320分隔开，所述第二导热件71与y轴滑台321和柱状梁320的接触表面上设置有纳米导热材料；导热连接件72，所述导热连接件72用于将第一导热件70和第二导热件71连接；第三导热件，所述第三导热件设置于y轴安装架11内且与y轴轨道13接触，所述导热件与散热装置连接。所述第三导热件与第一导热件70结构相同，其区别在于，所述第三导热件的端部与散热装置连接，所述散热装置可以为散热翅片或通有冷却介质的散热管道对第三导热件进行降温，第一导热件70和第二导热件71与导热连接件72的连接方式以及第三导热件与散热装置的连接方式优选采用焊接。
33.需要指出的是，所述第一导热件70、第二导热件71、导热连接件72以及第三导热件均采用散热性能优良的材料，导热系数不小于200w/mk，优选的，采用铜制备上述部件；所述铜板的厚度优选2-4mm。
34.需要指出的是，x轴轨道15和y轴轨道13可以为单个轨道，也可以如本发明图中所示具有两个轨道。
35.上述导热结构的原理为：x轴直线电机动子20产生的热量传递至固定台22，固定台22通过x轴滑块21将热量传递至x轴轨道15，由于第一导热件70与x轴轨道15接触，通过第一导热件70将热量导出，热量通过导热连接件72汇聚到第二导热件71，y轴滑台321下部还安装有y轴直线电机动子30，通过第二导热件71将x轴直线电机动子20和y轴直线电机动子30产生的热量汇聚，通过y轴滑块31将热量传递至y轴轨道13，由于第三导热件与y轴轨道13接触，因此将热量传递至第三导热件，第三导热件通过散热装置将热量释放，通过上述方式一方面解决了五轴激光加工机床由于直线电机动子产生较多热量导致机床变形、加工精度降低的问题，另一方面，可以实现导热系统的简洁化，第一导热件70，第二导热件71以及导热连接件72均为金属刚性连接，占用空间小，不会影响机床的运行；上述结构配合z轴运动机构4使用旋转电机驱动，使得本发明的定位精度和加工精度大大提高。
36.需要指出的是，热量传递途径中的纯导热部件，如第一导热件70、第二导热件71、导热连接件72以及第三导热件材料的选择以导热性优良为准，材料强度不作为设计指标，优选采用铜；而热量传递途径中的其他部件需要同时满足导热性能和强度要求，优选采用碳钢或合金钢材料。
37.第一导热件70和第三导热件的结构相同，以第一导热件70为例进行说明，如图7所示，所述第一导热件70包括：导热体700，所述导热体700采用高导热金属制成，优选采用铜；接触体701，所述接触体701包括多个，沿所述第一导热件70的轴向分布，所述接触体701包括连接面7010和接触面7011，所述接触面7011上设置有针状凸起；弹性连接部702，所述弹性连接部702连接所述导热体700和接触体701的连接面7010；所述x轴轨道15和y轴轨道13安装前，所述第一导热件70或第三导热件安装时，接触体701的接触面7011高于所述天然大理石表面，且接触体701的凸出高度大于所述接触体701厚度的2/3，一方面便于第一导热件70的安装，另一方面弹性连接部702能够产生足够的弹力，使得接触体701与x轴轨道15良好连接。
38.需要指出的是，所述导热体700、接触体701以及弹性连接部702优选采用同种材料一体成型，本发明中采用挤压成型的方式制备出一体结构的第一导热件70。具体地，如图7所示，柱状梁320沿着x轴轨道15轴向设置有凹槽，所述第一导热件70设置于所述凹槽内，本发明中的弹性连接部702为沿第一导热件70轴线延伸的、呈向内凹陷的铜片，通过所述铜片对接触体701施加压力。
39.由于x轴轨道15为长直杆状，为了防止x轴轨道15轴向与柱状梁320之间产生间隙，本发明将接触体701沿第一导热件70轴向设置多个，以满足不同间隙的需求，其次，在接触面7011上设置针状凸起，通过针状凸起划破油膜，使得第一导热件70与x轴轨道15良好连接，便于热量的传输，为了防止针状机构降低导热面积，第一导热件70安装前在接触面7011上涂抹纳米导热材料。
40.需要说明的是，如图7所示，单个x轴轨道15采用了两个第一导热件70，对所述x轴轨道15的热量进行传递，可以基于实际情况，采用一个第一导热件70对所述x轴轨道15进行导热，类似的y轴轨道13所对应的第三导热件也采用与第一导热件70类似的布置方式。
41.优选的，所述纳米导热材料为散热硅胶或石墨乳。

技术特征：
1.一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，包括：床身；机械运动组件，所述机械运动组件包括x轴运动机构、y轴运动机构和z轴运动机构，所述x轴运动机构和y轴运动机构采用直线电机驱动，所述z轴运动机构采用旋转电机驱动；ac轴转台，所述ac轴转台安装于所述床身上，用于对工件进行夹装，所述ac轴转台带动工件绕着c轴旋转，所述ac轴转台带动工件绕着a轴进行摆动；激光加工系统，所述激光加工系统包括激光器、光路元件和聚焦组件，所述光路元件与所述聚焦组件安装于所述z轴运动机构上，所述光路元件分别与所述激光器和所述聚焦组件连接。2.根据权利要求1所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述床身包括底座和设置于两侧的y轴安装架，所述ac轴转台设置于所述底座上且位于两所述y轴安装架之间，所述y轴运动机构设置于所述y轴安装架上，所述床身采用天然大理石制成。3.根据权利要求2所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述y轴安装架的顶面设置有y轴轨道和y轴直线电机定子，所述y轴运动机构包括y轴直线电机动子、y轴滑块以及横梁，所述y轴滑块和所述y轴直线电机动子均固定于所述横梁上，所述y轴滑块与所述y轴轨道配合，所述y轴直线电机定子与所述y轴直线电机动子配合。4.根据权利要求3所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述横梁顶面设置有x轴轨道和x轴直线电机定子，所述x轴运动机构包括x轴直线电机动子，x轴滑块及固定台，所述x轴直线电机动子与x轴滑块固定设置于所述固定台上，所述x轴直线电机定子与x轴直线电机动子配合，所述x轴滑块与所述x轴轨道配合。5.根据权利要求4所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述固定台还包括竖直安装部，所述竖直安装部上固定设置有z轴轨道、旋转电机以及与所述旋转电机传动连接的滚珠丝杆；所述z轴运动机构包括z轴滑块、螺纹传动件以及z轴安装台，所述螺纹传动件及z轴滑块固定安装于所述z轴安装台上，所述滚珠丝杆与所述螺纹传动件传动连接，所述z轴轨道与所述z轴滑块配合。6.根据权利要求5所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述z轴安装台上固定连接有光路元件与聚焦组件。7.根据权利要求6所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述横梁包括柱状梁以及设置于柱状梁两端下部的y轴滑台，所述y轴直线电机动子以及y轴滑块设置于所述y轴滑台的底面，所述y轴滑台的上表面与所述柱状梁固定连接。8.根据权利要求7所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述柱状梁采用天然大理石制成。9.根据权利要求7所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，还包括导热系统，所述导热系统包括：第一导热件，所述第一导热件设置于柱状梁内且与x轴轨道接触；第二导热件，所述第二导热件用于将y轴滑台与所述柱状梁分隔开，所述第二导热件与y轴滑台和柱状梁的接触面上设置有纳米导热材料；导热连接件，所述导热连接件用于将第一导热件和第二导热件连接；第三导热件，所述第三导热件设置于y轴安装架内且与y轴轨道接触，所述导热件与散
热装置连接。10.根据权利要求9所述的一种高精度五轴激光加工机床，其特征在于，所述第一导热件和第三导热件包括：导热体，所述导热体采用高导热金属制成；接触体，所述接触体包括多个，沿所述第一导热件轴向分布，所述接触体包括连接面和接触面，所述接触面上设置有针状凸起；弹性连接部，所述弹性连接部连接所述导热体和接触体的连接面；所述x轴轨道和y轴轨道安装前，所述第一导热件或第三导热件安装时，接触体的接触面高于所述天然大理石表面，且接触体的凸出高度大于所述接触体厚度的2/3。

技术总结
本发明提供一种高精度五轴激光加工机床，属于激光加工机床领域，包括：床身；机械运动组件，所述机械运动组件包括X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构，X轴运动机构和Y轴运动机构采用直线电机驱动，Z轴运动机构采用旋转电机驱动；AC轴转台，所述AC轴转台安装于所述床身上，用于对工件进行夹装，所述AC轴转台带动工件绕着C轴旋转，所述AC轴转台带动工件绕着A轴进行摆动；激光加工系统，所述激光加工系统包括激光器、光路元件和聚焦组件，光路元件与聚焦组件安装于所述Z轴运动机构上，光路元件分别与激光器和聚焦组件连接。本发明定位精度可达0.005mm，激光穿孔的孔径精度可达0.01mm。0.01mm。0.01mm。


技术研发人员：李玮林 徐进
受保护的技术使用者：山东中玮动力科技有限公司
技术研发日：2023.08.21
技术公布日：2023/9/20