高速激光切割機床數控系統探究

潘 冬

(陜西國防工業職業技術學院,710300)

0 引言

文章對嵌入式激光切割機數數控系統的基本模塊的基礎上來分析，對切割系統的硬件和軟件機構設計，與此同時還對系統實行調度分析和數據的轉化分析，為了各個模塊協調和高效工作打下了好的基礎。還探討了激光加工的參數對切割質量的各種影響，根據切割中產生的能量的平衡方程建立相應的模型。

1 激光熱切割技術工作原理與研究熱點

激光切割作為目前市場上一種先進的切割方法，因其加工精度極高、工作效率高、污染較低的原因，現如今此技術廣泛應用在航天行業和汽車的制造業中，諸如飛機機件的切割，車體的輪廓修整等。激光自身具有能量熱度高、工作效率高、作用明顯的特點，人們可以利用這些特性來加工一些鋼板固件，加工出的固件就會有邊框輪廓鮮明，熱影響作用較小等特點；并且在加工過程中，激光切割不像磨輪和電鋸一樣噪聲很大，激光切割也具有輻射小、切割過程產生的廢物較少的優點；激光切割適用于對許多種類的材料進行加工。

2 激光熱切割技術工作機理

2.1 激光切割的原理

要了解激光的切割原理，就要知道激光是怎么來的。激光是經過高精準度的對焦來使光束所有的能量集中在一點，從而使激光擁有高度聚集的能量；激光切割是借助這種高強度的能量對材料進行照射，使被照射的材料在照射點處短時間內迅速達到燃點，讓材料產生明顯的形變來達到熱切割的目的。其中需要借助輔助氣體吹除雜物使整個過程更加的精確，還要通過加工透鏡來加大光束的做功量。切割過程中，所有的熱力做功都作用在光束與材料接觸的一點，燒灼前沿是所做工的‘‘場所’’，激光與輔助氣流通過燒灼前沿進入作用點，激光所做的功耗，一半在燒灼前沿處被消耗，一半通過切孔進入切孔內部進行反射（如下圖1）。

2.2 激光切割的主要方式

不同的材料所用的激光加工形式也是不盡相同的，要達到同樣的效果，對不同的物質材料就要進行不同的加工切割方式。而最為常用，被我們熟知的幾種激光切割方式分別是：汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割以及控制斷裂切割這四種。對類似于木材汽化切割有機材料的加工就要用到汽化切割，使用激光照射材料便面，材料受照射產生高溫在短時間內汽化，所產生汽化的材料處形成裂縫，從而達到切割的目的。值得一提的是，在這個汽化過程中，所產生的高溫能量是熔化切割的十倍左右，用來處理那些不能使用融化切割來進行加工的物件。其次是熔化切割：熔化切割同樣是借助激光束對物件進行照射產生高溫來熔化材料，使材料形成孔洞或是裂縫，再使用輔助氣流將所熔化的雜物吹走，以此來使切割出的裂縫保持平整。氧助熔化切割是利用熱激光的加工使工件照射點處溫度升至燃點，利用氧等催生物促使氣體燃燒，提高工件的表面溫度，從而提高切割的效率；這種方法適用于厚度大于熔化切割的所能達到的最大限度的工件，但是由于其操作難度較高現在仍然不被廣泛使用。通過激光光束的照射使工件在可控范圍內產生斷裂的操作手段稱為控制斷裂切割，其主要原理是：在加熱到一定程度時使工件產生物理形變，即斷裂，使材料產生裂紋。但是現階段我國大量使用的熱激光切割方式仍是熔化切割。

2.3 激光熱切割技術的研究熱點

在制造業中，金屬制造業是與熱切割技術的發展始終聯系在一起；企業之間的相互合作，有利于相互之間的技術交流和經驗共享，給激光熱切割業界帶了許多充滿新意的生產觀念和創造性的思維觀點。金屬制造業開始向更加實用經濟、提高效率方面邁進，使自身更具有競爭力；但是想要在原有的基礎上達到產品的結構性能最優化，還是需要對自己的技術層次和生產方式上進行創新。而在制造方面的創新，最容易讓人聯想到的就是要在切割工藝上進行創新，這就對切割行業提出了新的要求。一般說來，要想提高切割行業的效率，就要從提高工件原件的質量和對切割工具進行改進這兩大方面進行。尤其是對鋼制材料的生產加工，材料在切割之前就該對其表面進行大致的加工。對于工件的切割程序，首先要對輪廓線進行處理，并且在后面的幾道工序中還要做到劃線定位的過程，也正因為此，必須在做準備工作時，就對工件進行除銹工作，確保接下來的工作順利而且無誤的進行；如果有鐵銹等雜志的存在，則會大大影響切割效果，一般會使切割效率下降，甚至還會出現切割面產生缺陷，在電焊過程中產生超出規格的情況，使工件產生形變甚至整體產生歪曲的視覺感受，這種情況下需要進行修補，過程將會是及其麻煩的。

現代切割額方式已經由原來的單一改為‘‘多元化’’，在原有的基礎上又增加了無限旋轉變坡口割炬、等離子變炬口割炬等專用的切割工具。切割軟件種類的增加，也使切割的過程變得簡單快捷，而且讓使用者有更多選擇的余地，可以根據需求進行選擇，大大加強了工作效率和加工條件。在自動化的今天，只要在程序中輸入材料的厚度和倒角的度數，就可以由機器自動的選擇最優方式進行加工，切割程序還能依據切割的角度方位以及要切割的準確位置，在材料上設置割炬的旋轉點。

3 高速激光切割機床的發展概況與趨勢

最近幾年最為流行，銷售量最快的加工設備就是數控激光切割機，在多數工業科技發達的大國，尤其是美國、日本、歐洲這些工業大國，數控激光切割機的銷售數量仍然是逐年遞增、有增無減，將數控激光機床投入使用的領域、應用規模也是不斷擴大，數控激光機床的使用前景也是一片大好。早在二十世紀八十年代我國就開始了第一臺數控激光機床設備的引進和使用，在國內也有多達數十家企業生產了各種型號的數控激光切割機，從國外引進的數控激光切割機也有超過三百臺以上的數量，國內的激光切割機總數量也高達一千多臺；即便如此，這些數量的數控激光切割機也仍不能滿足我國制造業發展過程中對其龐大的需求量，而且在未來需求量可能還會再上升一個高度。

與數控轉塔沖床相比，數控激光切割機有自己無可比擬的優勢：數控激光切割機加工效率更高，加工效率快，加工精準度也遠高于數控轉塔沖床。同時數控激光切割機適用于多種材料的加工，可以加工金屬類的材料，也可以加工非金屬類的材料，加工的工件厚度甚至可以達到二十五mm 厚，有遠超于數控轉塔沖床的優勢。

4 嵌入式數控系統的發展概況與趨勢

嵌入式系統，這是一種被定義為專用計算機系統，是以計算軟件的運行為核心內容，以計算機運行技術為主要依據，軟硬件可以進行裁剪，用來適用多種系統對不同版本的的功用所作出的不同要求的專用系統。嵌入式系統的整體結構主要有以下幾個部分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件。嵌入式系統應用范圍和使用度都很廣泛，在各種各樣的電子產品中都能看到嵌入式系統的身影；小到MP4，大到信息化的家用電器、車用定位系統等。

圖2

在此基礎上，根據數控激光設備的應用特性，融入嵌入式系統，稱為嵌入式數控系統。嵌入式數控系統利用更改，增設或者減少結構對象，將使用者較為特別的使用要求反映到處理系統中，來實現不同層次的數控系統，主要作用是提高系統的性能和可靠性，減少運行成本，增大做功率，提高數控激光系統本身的競爭力(如下 ）。

嵌入式數控系統將對動態物體的控制形態以運行軟件的形式展現出來，更加的直觀形象。同時采用計算機的運行模式，使系統更加方便快捷的結合了計算機的優點，降低了系統的實現難度，也增強了系統的可行性，使系統更具使用彈性，進一步使系統的推廣更大程度的變為可能。將這一成果應用到激光切割機床的數控系統中，也是一種創新之舉。

在現實的生產過程中，激光的切割程度的好壞都跟切割尺寸精度的高低和材料本身的表面光滑度有緊密的聯系，同樣對于切割程度產生影響的還有切割工作進行之前得到的數據誤差的大小，以及激光照射密度的大小，還有就是在切割過程中產生的廢屑，有時候產生的廢屑得不到及時的清理，會影響切割效果。

5 小結

隨著世界工業向前的大跨步發展進程，催動著激光切割技術不斷的去完善和發展，激光切割設備也在進行著改進：機器成本下降的同時，效率卻在不斷的提升，這也使得我國的熱切割技術在此行業發展勢頭更足。但是在這樣大發展的情況下卻受到了技術因素的制約，我國現代激光切割系統采用的是通用范圍的數控系統，不能夠很好的滿足現代工業的發展要求。為了實現目標，我國在此方面不斷的進行著嘗試，開發功用齊全的產品，更好地服務于我國的制造業，為經濟發展添一把薪。

[1] 劉文強.數控切割及其在切割中的結構開發研究[J]機械.2009.09

[2] 鄧英健. 開放性高速切割技術的發展[J] 機電工程.2011.07