[发明专利]一种用于高能束加工的智能数控机床

说明书

技术领域

本发明属于高能束加工技术领域，具体涉及一种用于高能束加工的智能数控机床。

背景技术

在高能束切割（比如水刀、激光、等离子弧 ）过程中，流束在被切割材料的作用下会自然向后弯曲，如图1所示，流束经磨料喷嘴21喷出，切割方向为由左向右，在工件22上流束的射入点23和射出点24不在同一条垂线上，射出点24一般滞后于射入点23。由于射出点24滞后于射入点23，高能束切割的材料表面一般具有以下缺陷：

缺陷1：在切到转角处需要改变切割方向时，由于流束射出点的滞后，  流束上下不能同步转向，造成转角处出现形状误差（如图2）。

缺陷2：在切割圆弧时，切割方向随时需要改变，由于流束射出点的滞后，流束上下不能同步转向，造成小圆弧处的形状误差（如图3）。

缺陷3：流束与材料发生作用时，在靠近射入点被切割材料的上部，由于流束的能量较大，可以迅速切除材料，但随着切割深度的增加，流束的能量逐渐衰减，切割能力下降。由于上述原因，流束在射入点的流型与在射出点的流型不一样，从而导致该流束切出的切缝产生形状误差（如图4所示）。

缺陷4：高能束切割材料时，被切割材料切割表面的切入切出点靠近射出点处一般会留下一块未切割的小三角区（如图5所示）。导致出现这种未切完的小三角区的主要原因也是射出点滞后于射入点。

上述形状误差实际上是可以消除的。举例说，要消除由于射出点滞后于射入点造成的转角误差及圆弧误差，可以采用放慢切割速度的方法；而要消除由于射出点与射入点的流型不一致造成的切缝锥度误差，可以采用放慢切割速度或将高能束切割头侧向摆动一个小角度的方法。

上述两种方法中，放慢速度的方法可以消除形状误差，但效率非常低，造成成本的极大浪费，难以为市场接受。而将高能束切割头偏摆一个小角度可以大大提高切割效率，但目前采用此种方法的高能束切割机只是部分解决了上述形状误差问题。

实际上，要想以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，需要同时满足三个条件：条件1、高能束切割头需要能沿任意方向精确偏摆一个小角度；条件2、需要一套完整的控制方案；条件3、需要一套精密控制软件。三者缺一不可。

为了以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，条件1（高能束切割头需要能沿任意方向精确偏摆一个小角度）是必须的。条件1实际上包含两层含义：A、需要一个能实现X、Y、Z方向移动及高能束切割头两个旋转运动的运动系统；B、运动系统的分辨率和精度要足够高。举例说，切割一条直线时，从起始切割点，切割速度从0开始沿进刀方向逐步增加，一直增加到一个设定值，在接近终点时，切割速度又需要逐步减少直到为0。在上述切割过程中，切割速度是变化的，并因此造成切缝锥度的变化，且变化量很细微。为了消除切缝锥度误差，高能束切割头需要侧向偏摆一个与切缝锥度对应的呈细微变化的角度。因此，仅仅实现了高能束切割头的偏摆运动还不够，还需要偏摆运动的分辨率和精度足够高，才能真正消除形状误差。同样，切割圆弧时，由于圆弧的切割线方向随时在改变，为了消除形状误差，高能束切割头在任意点均需要侧向偏摆一个小角度。

为了以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，条件2（需要一套完整的切割方案）是必须的。举例说，为了让射出点与射入点在同一条垂线上，切割直线或圆弧时，可将高能束切割头后倾一个角度；为了消除切缝锥度误差，可将高能束切割头侧偏一个小角度；为了消除切入点处经常留下的未切割三角区，可将切入线方向定为垂直于切割线的方向。采用上述切割方案可以大大提高切割效率，降低切割成本。

为了以较高效率完全消除高能束切割出现的形状误差，条件3（需要一套精密控制软件）是必须的。举例说，切割一条直线，由于不同切割点的切割速度不一样，需要高能束切割头摆动的角度也不一样，因此，为准确消除形状误差，需要准确预测出高能束切割头在每一点偏摆的角度，这就需要一套准确的数学模型。有了数学模型的预测结果，需要有一套控制方法将数学模型的预测结果转化为多维度控制信息，该多维度控制信息包括：每根轴的速度信息、每根轴的方向信息、阀门启闭信息等。

因此，只有同时具备了上述三个条件，才能有效消除高能束切割产生的形状误差。