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）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zui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*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zui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*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）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*。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。
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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）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zui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*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zui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
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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*。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。
锻制法兰相关简介
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鸡蛋中兽药残留超标的原因
弯管机加工技术是从什么时候开始的呢？
一种应用于五轴激光加工的新型导向头
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赛默飞液相色谱法法检测* C 组分
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