復雜曲面激光切割成套設備

許雙龍 金嘉琦

摘要：在激光應用領域，激光切割進行著飛速的發展。本文對激光切割的原理以及特點進行簡單介紹，并對復雜曲面激光切割成套設備的末端執行系統，運動執行系統，激光器以及控制系統的結構功能等方面進行分析與說明。

關鍵詞：激光切割；復雜曲面；成套設備

一、激光切割的原理以及相應特點

激光是上世紀繼原子能和計算機之后的又一項重大高新技術，是原子核外電子受激輻射經光放大而形成的光輻射，具有單色性、相干性、方向性和高光強等特點。激光切割是激光加工中應用最早、使用最多的加工方法。近二十年來，隨著科技的進步，激光切割技術的各個環節得到了長足的發展[1，2]，是各種加工手段中增長速度最快、也是最有競爭力的新興產業。在如今大力發展的航空母艦、載人航天、汽車加工等方面都有著不可或缺的重要性和廣泛應用。

（一）原理

激光切割技術是利用高能量密度激光束的加熱作用，通過氧化等反應過程，使材料表面迅速加熱到熔點或沸點，再隨著氣化物和高壓輔助氣體（如氧氣、空氣或氮氣等惰性氣體）的壓力下將待加工材料形成縫隙，進而達到切割的效果。

（二）特點

激光切割是當前世界上最為先進的切割工藝手段之一，它相比于其他切割工藝來說，擁有著切縫窄，速度快，能量集中，工件變形小，切割質量高，可控性好等優點。在無接觸切割領域有著非常強的實用性和靈活性。

二、復雜曲面激光切割成套設備

激光切割成套設備主要包括以下幾個部分，末端執行器，激光系統，運動執行機構，控制系統幾大部分。

（一）末端執行系統

末端執行器主要是由激光切割頭以及相關掃描傳感器和同軸顯微鏡組成。切割頭包括防碰撞機械臂和切割頭組成；并用防碰撞的光纖拖鏈連接。在防碰撞臂上還安裝著同軸CCD顯微鏡，它可以在線掃描測量以及追蹤功能，將掃描的結果上傳至控制系統進行處理。此外末端執行器還需要非常精密的對焦系統，通過調整工件與切割頭噴嘴的距離等參數來控制切割路徑和準度。

作為切割執行系統中最影響加工的對焦系統，它是由噴嘴，輔助氣體以及透鏡所組成的，并有零對焦，正對焦和負對焦三種方式。零對焦是指焦點在工件表面，焦點在工件表面，切割相對比較光滑，一般適用于5mm以下的薄碳鋼。負焦距焦點在工件表面下，一般切割鋁材不銹鋼等工件。平滑面范圍較大，切割幅度較寬，切割氣體流量較大，穿孔的時間較長。正焦距是焦點在工件表面上，一般切割厚鋼材時采用。由于厚鋼板比較難切斷，切斷時的氧化作用必須從上面到底面。因此切幅也是三者最寬的，最粗糙的。

噴嘴的作用是控制噴射的形狀，提高切割表面質量，易于清除殘渣等粘貼物。同時也為了防止熔渣等雜物反彈至激光切割頭，造成設備的損壞污染透鏡噴嘴的孔徑、高度、形狀、同軸度也會影響切割表面的質量。

切割輔助氣體，一般使用氧氣切割普通碳鋼，低壓打孔高壓切割。一般用空氣切割非金屬，高低壓可一樣。氣體純度越高，切割質量也就越好。氣體有助于助燃和散熱，吹掉熔渣，保證切割表面質量，如果氣壓不足時，將形成熔渣減少切割速度，氣壓過大則會導致切割表面質量較差粗糙。

下圖為激光切割頭示意圖：

（二）運動執行系統

運動執行機構主要由2個轉動軸的機械臂，x、y、z三軸機械手以及旋轉工作臺和相對應的工件夾具組成。這些運動機構可以對復雜的待加工件進行理想化的加工。共有5個自由度，也可通過AGV小車實現6自由度加工。該運動系統可以自由根據工件曲線進行加工并附有自動檢測最終功能。在檢測工件的同時實時上傳，并反饋到控制系統。在固定夾緊工件方面。本套設備主要采用球鎖快速裝夾和T型槽結構。根據不同工件需求，可以切換不同的回轉臺進行轉換，并通過定位銷，使工裝與工作轉臺固定。

（三）激光系統

激光系統主要包括能量源，激光器以及水冷機。激光器分為氣體、固體、和光纖激光器。相比氣體和固體激光器，作為第三代激光技術的代表，它有著散熱快，損耗低，熱轉化效率高（遠高于二氧化碳激光器），易于調節，穩定性高，可以在惡劣環境下高效工作等特點。在低于5mm的板材切割有著不可比擬的優勢。

本套設備主要采用IPG光纖激光器，可以進行連續或脈沖信號發送。光纖激光器是由泵浦源、增益介質、諧振腔三個基本要素組成。光纖激光器用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出，并隨著光纖放大器的增強。最大脈沖能量可達150J，脈沖寬度在0.2ms10ms之間，脈沖頻率范圍在1Hz2000Hz之間。在水冷方面，保證工作環境溫度：5℃至45℃間即可。水溫可自動加熱補償，離子吸附功能， 并且具有對水溫，流量，冷卻方面進行實時監控與報警功能。

（四）控制系統

控制系統主要分為在線測量與路徑規劃以及集成控制這幾個模塊。

通過輪廓測量儀進行在線測量與路徑規劃。首先構建理論數模，再對切割路徑進行規劃和位移指令，這樣可獲得與實際工件誤差很小的建模。測量傳感器器和測量儀在高速測量的同時，每秒輸出64000個輪廓數據，并可自動位移補正。建立的三維建模通過以太網與工控機連接，高速傳輸數據上傳至集成系統。在線測量系統分別從兩個掃描方向根據數模自動生成測量路徑。利用計算機圖形學、微分幾何學相關理論，由點到曲線的方式，導入數模中的邊作為切割路徑，支持編輯路徑起點、路徑方向、安全起落方向等。根據數模上的加工路線和安全方向設置生成加工路徑。

集成控制系統包含激光切割工藝數據庫。數據庫中對材質，板材厚度，焦距，位置，功率，切割速度，輔助氣體，噴嘴直徑，噴嘴高度等加工工藝數據進行分析，可隨時進行歷史查詢及數據分析。集成系統通過在線測量進行切割路徑規劃，再根據加工工藝參數，進行生成加工文件，再上傳到西門子840Dsl處理，最后反饋到集成系統中達到工件相關運動和激光切割補償等操作。采用G語言進行數控編程，進行位置指令、設備控制指令、工藝參數設定指令等。測量和加工過程運行之前，首先通過離線仿真系統模擬運行，對可能出現的干涉情況進行排除。在線仿真測量和加工過程運行時，監測設備的運行狀態數據，并通過3D仿真顯示運動機構運行狀態。本套設備集成控制系統采用C++/C#語言開發的應用程序，C/S架構，可以運行在Windows系統中。與西門子840Dsl通信采用libnodava或OPC通信，連接方式都為RJ45。840Dsl直接與激光器和激光頭連接，安全控制都由840Dsl直接控制。數據庫與測量末端等設備通信采用廠商提供的軟件DLL接口，采取二次開發把對應功能集成到最終的集成系統中。

此外控制系統還需要對加工煙霧等有害顆粒進行回收，即吸煙凈化系統，該部分采用分體模塊組合形式，根據現場空間布置，布置靈活，空間利用率高。 通過配置風壓傳感器，系統可實現全自動變頻，起到節約能耗及延長濾筒使用壽命的作用。

三、結語

本套復雜曲面激光切割成套設備，主要針對薄板鋼材進行加工，可根據在線測量以及高自由度機械手進行復雜曲面的加工，相比其他激光切割設備，它擁有著對于復雜曲面更好地切割質量，更全面更高效的集成系統和反饋檢測系統，同時更為環保，安全，節能等優勢。在未來的機械制造行業中有著非常強的應用前景。

參考文獻：

[1]王家金.激光加工技術.北京：中國計量出版社，1992.

[2]李力鈞.現代激光加工及其裝備.北京：北京理工大學出版社，1993.

作者簡介：許雙龍（1993），漢族，沈陽工業大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向：機械制造及其自動化和車輛工程。