一种高压水射流切割机器

1.本发明涉及工业切割设备领域，具体来说涉及一种高压水射流切割机器。


背景技术：

2.高压水射流切割属于特种加工技术，自上世纪70年代正式进入工业制造领域以来，经过快速的发展，近年来发展成为了一项极具优势，且具有广阔的应用前景的冷态加工方式。水射流加工属于冷态加工技术，无热影响区，不会对切割材料物理性能以及化学成分产生影响。其具有材料利用率高、可加工材料广泛、安全性强和经济性好等优点，因此在工业中得到了广泛应用。由于高压水射流具有独特的优势以及所表现出极强的适应能力，大力推广和应用高压水射流加工技术，研究开发出满足各种需要的新型技术和装备，对于我们国家高压水射流加工技术稳步提高、不断发展、逐渐跻身世界一流行列的至关重要。
3.近年来，水射流切割与机床数控技术在不断进行着融合和发展，但现有的水射流切割装备绝大部分都固定在龙门机床上，设备较为笨重，系统压力大，在小规模的材料切割中十分不便，而且不能进行灵活性好的机动切割、修整作业。


技术实现要素：

4.本发明针对以上问题，提出了一种高压水射流切割机器，可实现高压水射流喷头在x轴y轴和z轴方向的进给、喷头的摆动、喷头绕z轴的旋转、回转平台绕z轴的旋转、水射流切割平台在z轴方向的进给等功能。
5.本发明的技术方案为：所述高压水射流切割机器包括x轴方向进给机构1、y轴方向进给机构2、z轴方向进给机构3、喷头摆动机构4、喷头转动机构5、回转机构6以及升降机构7；所述回转机构6包括小车上箱体606、小车下箱体607以及回转驱动组件，所述小车上箱体606可旋转的连接在小车下箱体607上，并在回转驱动组件的带动下相对于小车上箱体606往复旋转；小车上箱体606、小车上箱体606均竖直设置，并且二者同轴心；所述升降机构7连接在小车上箱体606上，并与x轴方向进给机构1中的固定座102相连接，通过升降机构7带动固定座102往复升降；所述x轴方向进给机构1包括固定座102、加工平台101以及x向进给组件，所述加工平台101处在固定座102的一侧，并且其竖直投影与小车下箱体607不重合，通过x向进给组件带动加工平台101相对于固定座102做x向的直线往复运动；所述y轴方向进给机构2包括连接在加工平台101上的y向进给组件以及y向工作平台204；通过y向进给组件带动y向工作平台204相对于加工平台101做y向的直线往复运动；所述z轴方向进给机构3包括连接在y向工作平台204上的z向进给组件以及z向工作平台303；通过z向进给组件带动z向工作平台303相对于y向工作平台204做z向的直线往复运动；所述喷头转动机构5包括固定连接在z向工作平台303底端的齿轮箱、可旋转的连
接在齿轮箱下方的旋转连接座506以及与齿轮箱相连接的旋转驱动组件，通过旋转驱动组件带动旋转连接座506绕z轴往复旋转；所述喷头摆动机构4包括喷嘴支撑板411以及摆动驱动组件，所述喷嘴支撑板411固定连接在旋转连接座506上，喷嘴本体409通过摆动驱动组件与喷嘴支撑板411连接，通过摆动驱动组件带动喷嘴本体409往复摆动。
6.通过对高压水射流切割装备作可移动式小型设计，可以使机器完成灵活性好的机动切割和修整作业，利用机器的可移动性能够在不同地点、不同工况下进行工作；同时对喷头结构进行优化设计，使其能够加工复杂曲面，提高加工效率。
7.所述回转驱动组件包括伺服电机603、行星轮系以及外圈609，所述行星轮系包括太阳轮605、行星齿轮601、行星架602以及兼做行星轮系齿圈的内圈608；所述伺服电机603、行星架602以及外圈609均固定连接在小车下箱体607中，所述太阳轮605通过联轴器604连接伺服电机603的输出轴，所述内圈608可旋转的连接在外圈609内，并且太阳轮605与内圈608同轴心，所述行星齿轮601铰接在行星架602上，并且行星齿轮601同时与太阳轮605、内圈608保持啮合。实际使用时，可在太阳轮605与内圈608之间均匀的布置多个行星齿轮601，优选为三个，这样，采用行星齿轮与回转支承组合的方式，利用伺服电机603通过联轴器604带动行星轮系的太阳轮605转动，再带动三个定轴的行星齿轮601转动，形成回转机构来实现小车上箱体绕中心主轴360
°
的旋转运动。
8.另外，小车下箱体的底部还设有多个行走轮及行走轮驱动机构，从而利用机器的可移动性能够在不同地点、不同工况下进行工作。
9.所述升降机构7包括直动液压缸705、链轮703、链条704以及直线导轨702、导轨滑块701；所述直动液压缸705以及直线导轨702都沿z向设置，并且二者的底端都固定连接在小车上箱体606的顶面上，直动液压缸705的底端设有与小车上箱体606可拆卸连接的安装基座706，所述导轨滑块701通过水平支架与直动液压缸705中的液压杆固定相连，所述链轮703铰接在水平支架中，所述链条704的两端分别固定连接小车上箱体606以及x轴方向进给机构1中的固定座102，并且链条704的中部绕过所述链轮703。即链条的一端固定在小车上箱体606的基座上，为固定端，链条在绕过链轮后，另一端固定在水射流切割平台上，作为移动端。此时，链轮链条为动滑轮机构，当液压缸液压杆移动一段距离时，链条带动平台在相同方向移动双倍的距离，从而实现升降功能。其中直线导轨与滑块起导向和保证进给时不出现旋转运动的作用。
10.所述x向进给组件包括沿x向设置的液压缸103和直线导杆104，所述液压缸103的缸体固定连接所述固定座102，并且液压缸103的活塞杆固定连接所述加工平台101，所述直线导杆104贯穿所述固定座102，并且与加工平台101固定相连。从而通过液压缸103驱动加工平台101沿x轴方向的往复运动，其中直线导杆104起承担径向载荷和导向的作用，加工平台101与水射流切割平台y轴方向进给机构2相连接。
11.所述y向进给组件包括y向伺服电机201、y向滚珠丝杠203、y向螺母支座205，y向丝杠螺母206；所述y向伺服电机201固定连接在加工平台101上，所述y向滚珠丝杠203沿y向设置，并且其两端与加工平台101铰接，所述y向滚珠丝杠203的一端还通过y向联轴器202与y
向伺服电机201的输出轴相连接；所述y向丝杠螺母206套接所述y向滚珠丝杠203、且二者通过螺纹连接，所述y向工作平台204通过y向螺母支座205与y向丝杠螺母206固定相连，所述y向工作平台204设在加工平台101的一侧，并可沿y向往复滑动。从而在y向伺服电机201开启后，经y向滚珠丝杠203、y向丝杠螺母206的传动，带动y向工作平台204沿y向往复运动。
12.y向进给组件还包括y向导轨滑块207以及y向直线导轨208，所述y向直线导轨208固定连接在加工平台101上、且与y向滚珠丝杠203平行，所述y向导轨滑块207固定连接在y向工作平台204上，并且与所述y向直线导轨208滑动连接。
13.所述z向进给组件包括z向伺服电机301、z向丝杠螺母304、z向滚珠丝杠305；所述z向工作平台303沿z向设置，所述z向伺服电机301固定连接在z向工作平台303上，所述z向滚珠丝杠305沿z向设置，并且其两端与z向工作平台303铰接，所述z向滚珠丝杠305的一端还通过z向联轴器302与z向伺服电机301的输出轴相连接；所述z向丝杠螺母304套接所述z向滚珠丝杠305、且二者通过螺纹连接，所述z向丝杠螺母304还通过固定连接板306与y向工作平台204固定相连。从而在z向伺服电机301开启后，经z向丝杠螺母304、z向滚珠丝杠305的传动，带动z向工作平台303沿z向往复运动。
14.z向进给组件还包括z向导轨滑块以及z向直线导轨307，所述z向直线导轨307固定连接在z向工作平台303上、且与z向滚珠丝杠305平行，所述z向导轨滑块固定连接在固定连接板306上，并且与所述z向直线导轨307滑动连接。
15.所述旋转驱动组件包括旋转驱动电机501、电机凸台齿轮502、小齿轮轴503、大齿轮轴504，所述旋转驱动电机501固定连接在齿轮箱上，所述电机凸台齿轮502、小齿轮轴503、大齿轮轴504都铰接在齿轮箱内，并且三者依次啮合，所述所述电机凸台齿轮502与旋转驱动电机501的输出轴固定连接，所述大齿轮轴504沿z向设置，并且其底端伸出至齿轮箱的下方与旋转连接座506固定连接。大齿轮轴504的底端与旋转连接座506可通过锁紧螺母505实现可拆卸连接，从而便于装配。这样，在旋转驱动电机开启后，可经电机凸台齿轮502、小齿轮轴503带动大齿轮轴504绕z轴旋转，从而带动旋转连接座506绕z轴360
°
旋转。
16.由于需要保持高精度和好的稳定性，应进行低速旋转，而且喷头部分的转动惯量较大，结构较为复杂，需要有较大的驱动扭矩，因此在电机齿轮后再设置两个大齿数齿轮来降低转速，同时提高转矩。
17.所述摆动驱动组件包括摆动驱动电机407、外齿轮405、半圆弧内齿轮404、弧形导轨402、滑块403、摆动支撑架406、喷嘴支撑架408以及喷嘴夹紧件401；所述弧形导轨402固定连接在喷嘴支撑板411上，所述滑块403与摆动支撑架406固定连接，并且滑块403滑动连接在弧形导轨402上，所述喷嘴支撑架408固定连接所述摆动支撑架406，所述喷嘴本体409通过喷嘴夹紧件401固定连接在喷嘴支撑架408上；从而使得喷嘴本体409可以沿弧形导轨402进行摆动；所述摆动驱动电机407固定连接在摆动支撑架406上，所述外齿轮405固定连接在摆动驱动电机407的输出轴上，所述半圆弧内齿轮404固定连接在喷嘴支撑板411，并且与弧形导轨402同轴心，所述半圆弧内齿轮404与外齿轮405保持啮合。这样，摆动驱动电机407开启后，可带动外齿轮405旋转，从而沿半圆弧内齿轮404“行走”，进而带动喷嘴本体往复摆动。
18.本发明专利的优点在于：通过对高压水射流切割装备作可移动式小型设计，使其
可以完成灵活性好的机动切割、修整作业；利用机器的可移动性（回转机构底部可设置行走轮）能够在不同地点、不同工况下进行工作；对喷头结构进行优化设计，使其能够加工复杂曲面，提高加工效率。
附图说明
19.图1是本案的结构示意图；图2是x轴方向进给机构的结构示意图；图3是y轴方向进给机构的结构示意图；图4是z轴方向进给机构的结构示意图；图5a是喷头摆动机构的内部结构示意图；图5b是喷头摆动机构的结构示意图；图6是喷头转动机构的结构示意图；图7是回转机构的结构示意图；图8是升降机构的结构示意图。
20.图中1是x轴方向进给机构，101是加工平台，102是固定座，103是液压缸，104是直线导杆；2是y轴方向进给机构，201是y向伺服电机，202是y向联轴器，203是y向滚珠丝杠，204是y向工作平台，205是y向螺母支座，206是y向丝杠螺母，207是y向导轨滑块，208是y向直线导轨；3是z轴方向进给机构，301是z向伺服电机，302是z向联轴器，303是z向工作平台，304是z向丝杠螺母，305是z向滚珠丝杠，306是固定连接板，307是z向直线导轨；4是喷头摆动机构，401是喷嘴夹紧件，402是弧形导轨，403是滑块，404是半圆弧内齿轮，405是外齿轮，406是摆动支撑架，407是摆动驱动电机，408是喷嘴支撑架，409是喷嘴本体，410是高压喷嘴支座，411是喷嘴支撑板，412是高压水换向块；5是喷头转动机构，501是旋转驱动电机，502是电机凸台齿轮，503是小齿轮轴，504是大齿轮轴，505是锁紧螺母，506是旋转连接座；6是回转机构，601是行星齿轮，602是行星架，603是伺服电机，604是联轴器，605是太阳轮，606是小车上箱体，607是小车下箱体，608是内圈，609是外圈；7是升降机构，701是导轨滑块，702是直线导轨，703是链轮，704是链条，705是直动液压缸，706是安装基座。
具体实施方式
21.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
22.本发明如图1-8所示，整个高压水射流切割机器由x轴方向进给机构1、y轴方向进给机构2、z轴方向进给机构3、喷头及喷头摆动机构4、喷头转动机构5、回转机构6和升降机构7组成。
23.结合图2可以看出，x轴方向进给机构采用直动液压缸与导杆协同使用的方式提供x轴方向的进给。两组液压缸103和直线导杆104分别布置于安装固定座102的两侧，利用液
压缸103有杆腔和无杆腔之间的压差来推动液压杆，液压杆在油液的压力作用下进行前后运动的同时，也带动两侧的直线导杆104一起运动，从而实现水射流切割平台沿x轴方向的往复运动，其中直线导杆104起承担径向载荷和导向的作用，加工平台101与水射流切割平台y轴方向进给机构2相连接。
24.结合图3、4可以看出，水射流切割平台y轴方向进给机构2和z轴方向进给机构3采用丝杠与直线导轨协同使用的方式。以y轴方向进给机构2为例，利用y向伺服电机201通过y向联轴器202连接驱动y向滚珠丝杠203进行转动的同时，y向丝杠螺母206与y向导轨滑块207一起做直线运动，并带动y向螺母支座205和y向工作平台204直线运动，从而带动水射流切割平台可以沿y轴方向往复运动。一对y向直线导轨208起承担径向载荷和导向的作用，y向螺母支座205与z轴方向进给机构3连接。
25.结合图5可以看出，喷头及喷头摆动机构4采用分离式喷头结构，通过锁紧螺母505来固定高压水管。将聚焦管装入聚焦管支座后，通过喷嘴螺母把其夹紧在喷头夹紧件401上。采用圆柱齿轮啮合与弧形导轨滑块配合的两者组合方式进行传动。摆动驱动电机407作为驱动部件，带动外齿轮405围绕被固定好的半圆弧内齿轮404来回转动，齿轮副啮合保证了传动的精确性和稳定性。导轨滑块403在弧形导轨402上来回滑动，同时承担了大部分的载荷，加强传动的平稳性，防止了齿轮副受力过大产生形变。摆动支撑架406一侧用于固定水射流喷头，另一侧用于固定安装电机与滑块。喷嘴支撑板411上端与喷头转动机构5通过螺栓连接，为整个喷头部分提供支撑，下端用于固定安装半圆弧内齿轮404与弧形导轨402。而喷头部分主要有由喷嘴支撑架408、喷嘴本体409、高压喷嘴支座410和高压水换向块412组成。
26.结合图6可以看出，喷头转动机构5采用旋转驱动电机501带动齿轮传动的方式来实现喷头部位绕z轴进行360
°
的旋转，由于需要保持高精度和好的稳定性，应进行低速旋转，而且喷头部分的转动惯量较大，结构较为复杂，需要有较大的驱动扭矩，因此在电机齿轮后再设置两个大齿数齿轮来降低转速，同时提高转矩。电机凸台齿轮502和两个齿轮轴（小齿轮轴503、大齿轮轴504）都是在竖直方向上安装，所以其不但需要承受齿轮啮合的径向载荷，还需要承受竖直方向上的重力。由于在高压水射流切割时会产生沿竖直方向的反冲力，所以低速端齿轮轴会额外承受一部分轴向载荷。则在转动机构齿轮轴的轴承选择时，选用角接触球轴承，因为其即能承受较大径向载荷，也能承受轴向载荷。两个齿轮轴都安装在保护外壳中，外壳上端与z轴方向的进给系统相连接，下端安装连接所述旋转连接座506，旋转连接座与喷嘴支撑板411通过螺栓连接。
27.结合图7可以看出，回转机构6采用行星齿轮与回转支承组合的方式，行星齿轮601采用准行星齿轮模式（行星架602和行星齿轮601固定时）传动，即成为由圆柱齿轮组成的定轴轮系，利用伺服电机603通过联轴器604带动行星轮系的太阳轮605转动，再带动三个定轴的行星齿轮转动。三个行星齿轮均布安装，使整个齿轮副传动精确平稳。回转支承为单排四点接触球式，采用内齿式结构，其内圈608为行星轮系齿圈，与小车上箱体606固定，其外圈609与小车下箱体607固定，能同时承受轴向力、径向力和侧翻力矩，从而平稳可靠的实现小车上箱体绕z轴的旋转功能。
28.结合图8可以看出，水射流平台在z轴方向升降机构7平台在z轴方向升降采用直动液压缸705、链轮703、链条704与直线导轨702协同使用的方式，即利用直动液压缸705有杆
腔和无杆腔之间的压差来推动液压杆，从而使液压杆顶端带动链轮703与导轨滑块701同时沿z轴直线运动。链条的一端固定在小车上箱体606的基座上，为固定端，链条在绕过链轮后，另一端固定在水射流切割平台上，作为移动端。此时，链轮链条为动滑轮机构，当液压缸液压杆移动一段距离时，链条带动平台在相同方向移动双倍的距离，从而实现升降功能。其中直线导轨与滑块起导向和保证进给时不出现旋转运动的作用。
29.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。