激光切割Z軸彈性定距隨動系統的設計與實現

陳和平，石 敏，王曉暉

（武漢市工程科學技術研究院 光電技術研究室，武漢 430019）

1 Z軸隨動系統技術現狀及分析

在數控非接觸加工行業，尤其是激光切割、激光打孔等領域，工作距測量及定位（“自動對焦”）一直是困擾業界的技術瓶頸。圍繞著該問題的解決方案，產生了一個專業的技術分支——Z軸隨動系統。

一般說來，在激光加工過程中，激光束的聚焦點應位于被加工件表面，焦點對加工面的偏移（離焦），將極大的損失加工功率密度，其衰減曲線為幾何級數。所謂“Z軸隨動系統”是指在加工過程中，“激光頭”（Z軸）隨著加工面表面的起伏而作同步的移動，以保證其工作距（焦距）的基本恒定。

目前國際上主流的Z軸隨動裝置，是由電容測距、信號處理及Z軸伺服組成的系統。這類系統原理簡單但技術復雜。電容測距過程中，對應于位移的微小波動，其電容變化量往往為皮法（10～12 F）量級。而溫度波動、光焰濺射，表面異物等噪聲擾動使得信號的采集異常困難。同時，由于加工面上孔及凸臺等不確定因素的存在，會產生大量的偽信號，對其的甄別處理，技術上也很復雜。所以，目前國內各研究機構及相關企業，包括上海激光所、華工科技等，雖對其多有研究，但尚未有成熟的產品或者可行的解決方案。

因此有必要開發設計一套實時高度跟隨系統，使激光頭出光口與工件間隙保持不變、無跟蹤響應滯后效應。隨動系統適用于金屬和非金屬材料且能保護激光頭，減少切割加工中對焦工作的勞動強度，提高加工效率。

2 彈性定距Z軸隨動系統的設計目標

項目的目標是設計一套適用于激光切割的Z軸隨動系統，包括彈性定距隨動部分和伺服控制快速升降部分：彈性隨動部分又由萬向滾動球頭和裝有彈簧的導套、激光頭組成；伺服控制快速升降部分則由行程開關、上下限位桿、控制用電機構成的執行機構及控制部分組成。最終實現一套可自動對焦、無響應滯后、工作距恒定的彈性定距Z軸隨動系統。

3 彈性定距Z軸隨動系統設計內容

激光切割Z軸隨動系統涉及到光、機、電和數控方面的知識，交叉性和綜合性非常強。在提出系統的整體設計方案前，首先對各組成環節的功能需求進行定性分析，為后面的具體設計理清思路，確定設計步驟。

3.1 各組成部分的功能需求分析

1）彈性定距隨動部分功能需求分析

彈性定距隨動部分（包括彈性組元和測距頭）是整個隨動系統的重要環節，不但要實現彈性浮動，還要實現測距頭和激光頭出光口的距離為一定值，這樣才能保證激光切割加工工作距的恒定。其主要組成部分需要滿足以下條件：

彈性組元部分應能靈活自如地在垂直方向彈性浮動，且不能產生晃動。系統工作時彈性預壓力使得測距頭和被加工件表面接觸。

測距頭和被加工件表面接觸，要求能夠隨著工件表面的高低起伏而移動。

2）伺服控制快速升降部分功能需求分析

伺服控制快速升降部分是彈性定距Z軸隨動系統的關鍵環節，當彈性浮動超出規定的范圍時，行程開關啟動控制電機實現Z軸的快速升降。其主要機構需要滿足以下條件：

控制電機及執行機構需響應靈敏，升降快速，因此電機需啟動快，扭矩大；傳動執行機構盡量減少整體的轉動慣量以提高啟動速度，并保證其平穩運行。

3.2 彈性組元設計及試驗

彈性組元在本系統中實現在規定的范圍內隨被加工件表面高低起伏而垂直上下彈性浮動，首先要有滿足加工條件的彈力，其次是不能晃動，最后是上下移動要靈活。

1）彈性浮動裝置設計

彈性浮動裝置的主要作用是靈活自如地在垂直方向彈性浮動，根據功能要求，設計中摩擦和晃動是始終考慮的因素，由于激光束必須經過彈性組元部分，所以我們采取了中空活動導套的結構方式，如圖1所示，并根據實際運行情況，對活動導套的導柱部分提出了表面淬火的熱處理要求以提高表面硬度，改善活動導套和固定導套的摩擦工況，延長零件的使用壽命。為達到垂直上下運動不發生晃動的要求，我們通過加長活動導套導柱部分和固定導套的接觸面積以增強垂直上下運動時的穩定性，另外，在活動導套上安裝一垂直方向導向桿，與固定導套上的導向孔配合，保證激光頭在垂直方向上下彈性浮動且不晃動。

圖1 浮動裝置設計圖

2）彈簧設計計算及試驗

彈簧是彈性組元部分能否實現彈性浮動的關鍵，彈簧的彈力和工作行程是設計中考慮的兩大核心參數，根據工作條件，彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第Ⅱ類彈簧來考慮，我們選用碳素彈簧鋼絲B級。設計安裝載荷(要求) F1'=1(N)，安裝高度H1=59.00(mm)，工作載荷(要求)F2'=15(N)，工作行程 h=10(mm)，要求剛度 k'=1.40(N/mm)，載荷作用次數N=1000(次)，利用彈簧設計軟件（機械設計手冊軟件版3.0）進行校核分析計算，軟件如圖2所示，確定彈簧基本參數：鋼絲直徑d=1.60mm，彈簧中徑D=34.8mm，旋繞比C=21.75，曲度系數K=1.01，有效圈數n=10，壓并圈數n2=1，實際剛度k=0.15N/mm。

圖2 彈簧設計軟件

由于實際運行工況復雜，我們設計了d=1.4,d=2，d=3三種線徑的壓縮彈簧，經過實際試驗，我們目前采用線徑d=1.4的壓縮彈簧，完全滿足彈力需求。

3.3 測距頭即萬向滾動球頭的選型及設計

測距頭是實現工作距恒定的重要環節，而且和被加工件表面緊密接觸，因此質量優良、運動靈活是設計考慮的關鍵因素，根據功能需求，我們選用了帶有螺桿的型號為C-5H萬向滾珠作為萬向滾動球頭的功能部件，該型號萬向滾珠是機加件，質量過硬，滾動靈活，基本能實現設計的功能。萬向滾珠安裝在支撐桿上，支撐桿和激光頭通過螺紋實現剛性聯接，根據激光頭透鏡的焦距決定的工作距，設計相應的支撐桿尺寸參數，使得激光頭出光口和萬向滾珠末端（球體頂點）距離為一設定值，這樣就實現了整個系統運行時的工作距恒定，其結構如圖3所示。

圖3 測距頭結構圖

3.4 Z軸執行機構設計

Z軸執行機構在本系統中實現快速升降的功能，通過執行機構的上下移動帶動整套系統的快速升降，我們采用伺服電機和導軌滾珠絲杠的傳動方式，該傳動方式平穩快速，技術成熟。

伺服控制快速升降部分由行程開關、上下限位桿、控制用電機構成的執行機構及控制部分組成，其控制原理如圖4所示。

圖4 Z軸控制原理圖

行程開關SW1和SW2分別檢測激光頭的上升和下降是否超出了彈性浮動范圍，一旦激光頭上下浮動超過了規定的彈性范圍，行程開關便向伺服電機5發出驅動信號，控制Z軸激光頭上下移動。整套系統結構如圖5所示。

4 試驗及分析

通過以上各部分設計，接受檢驗的時刻到來了，那就是把各部分連接起來，組成一個隨動系統，然后進行整體的調試，看是否能達到設計的目標。調試的順序和方法是：首先用指示光調整光路，其次是調整Z軸行程開關的開啟位置，最后是加載彈性預壓力使得萬向滾動球頭和被加工件緊密接觸。

圖5 系統結構圖

4.1 模擬現實工況試驗

在整套設備未通電的狀態下，模擬現實工況，手工移動被加工件，檢驗萬向滾動球頭是否轉動靈活，在不同方向上勻速移動被加工件，遇到工件高低不平時，系統均能實現彈性浮動，上下移動基本穩定。

上述試驗說明，彈性組元和測距頭的機械功能是符合設計要求和目標的，然后我們打開指示光，使設備處于實際加工狀態，但不打開激光，實際運行效果達到設計目標。

4.2 實際加工試驗

上面的模擬現實工況試驗雖然運行效果良好，但是還沒有“真刀實槍”地對系統進行檢驗，只有經過實際加工，才能對完整地反應隨動系統的各項技術指標。在實際加工試驗中，我們模擬現實惡劣工況制作了被加工件，在被加工碳鋼板上焊接厚度分別為1mm，2mm，3mm，4mm的橫條，如圖6所示。

圖6 模擬被加工件

經過實際切割加工，由于萬向滾動球頭的結構限制，當厚度超過4mm時，萬向滾動球頭會被工件卡住，但考慮到現實工況中幾乎沒有如此惡劣的工況，故沒有進一步研究。其他不同程度的彎曲，高低起伏，該隨動系統均能按設計要求平穩運行，基本達到設計目標，可投入實際應用。

5 結論

本項目進行了如下四項工作：

1）結合自身設備實際情況，分析對比了接觸式和非接觸式測距頭隨動方案，選擇接觸式彈性定距測距頭。

2）在彈性定距的功能實現上，選擇了萬向滾珠作為功能元件；設計了系統結構部件，并通過設計計算及現場調試，得到了彈性組元的重要元件彈簧的經驗設計數據。

3）設計彈性浮動裝置；該裝置設計安裝有垂直導向桿，實現了較為穩定的垂直上下移動。

4）設計并實現了隨動系統的伺服快速升降部分的控制部件和控制電路。

5）通過上述工作，最終實現了整個Z軸彈性定距隨動系統，通過現場調試和實際加工應用表明，該套Z軸彈性定距隨動系統達成了項目預期的自動對焦、工作距恒定的高度跟隨目標，可投入生產使用。

本套Z軸彈性定距隨動系統采用的是三個萬向滾動球頭的三點接觸方式，在加工中受被加工件表面不平整和加工路徑不規則的影響，有時不能三點同時接觸被加工件表面，甚至只有一個萬向滾動球頭作用于被加工件，因此若萬向滾動球頭和激光頭出光口距離過大，容易造成逆焦，雖然實際加工中此類現象較少，但依然值得我們進一步研究探索。

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