基于二維激光切割機(jī)的型材多面切割裝置方案設(shè)計

倪國林，楊緒廣，蔡旭青，徐朝臣

（1.凱斯博電梯有限公司，江蘇 鹽城 224005；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 前言

目前，超過40%的工業(yè)激光器用于金屬激光切割。金屬激光切割主要分為二維切割和三維切割。二維激光切割機(jī)的激光切割頭在橫梁上沿X軸方向左右移動、同時可與橫梁一起整體在床身導(dǎo)軌上沿Y軸方向前后移動，從而形成二維運動軌跡。在Z軸上切割頭只可以小范圍上下移動來調(diào)整光束焦點位置。三維激光切割機(jī)的激光切割頭在橫梁上除了可沿X、Y軸方向移動，還可在空間內(nèi)的五個面上任意方向調(diào)整，從而形成三維運動軌跡。三維激光切割機(jī)的設(shè)備投資十分巨大，是二維激光切割機(jī)的3～4倍。因而，在二維激光切割機(jī)上實現(xiàn)三維加工要求具有重要的現(xiàn)實意義。本文對在二維激光切割機(jī)上加裝型材夾緊、旋轉(zhuǎn)、多面切割裝置提出了三種設(shè)計方案并進(jìn)行分析研究。該項研究對激光設(shè)備、夾具以及激光加工等具有一定參考價值。

1 二維、三維激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

激光切割機(jī)主要由激光發(fā)生器、光路、床身、機(jī)械運動部件、數(shù)控系統(tǒng)、氣源、冷卻系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)組成，激光發(fā)生器主要有CO2激光發(fā)生器和光纖發(fā)生器。二維激光切割機(jī)的基本構(gòu)成如圖1所示，三維激光切割機(jī)切割頭部分照片如圖2所示。

2 型材多面切割裝置參數(shù)確定

圖1 典型CO2二維激光切割機(jī)的基本構(gòu)成示意圖

圖2 三維激光切割機(jī)切割頭部分的照片

2.1 型材多面切割裝置的布局

本文所設(shè)計的型材多面切割裝置安裝于二維激光切割機(jī)上，可實現(xiàn)型材在二維激光切割機(jī)上的裝夾、旋轉(zhuǎn)等動作，從而使所需加工面均可在激光切割頭的垂直工作面上并在切割范圍內(nèi)，最終達(dá)到型材三維切割目的。三種方案布局分別介紹如下。

（1）方案一：主要由卡盤座、卡盤、定位裝置、尾架橫梁、尾架卡盤等構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 型材多面切割裝置布局方案一

（2）方案二：主要由卡盤座、卡盤、旋轉(zhuǎn)手輪、尾架旋轉(zhuǎn)支撐、尾架升降裝置等構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 型材多面切割裝置布局方案二

（3）方案三：主要由工作臺（激光切割機(jī)原有的）、底板、定位靠山、夾緊螺栓等構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 型材多面切割裝置布局方案三

2.2 型材多面切割裝置參數(shù)的確定

合理選擇激光切割機(jī)用型材多面切割裝置工作參數(shù)，可節(jié)省設(shè)備投資，提高型材加工質(zhì)量、加工精度，并可提高加工效率。目前二維激光切割機(jī)激光切割頭的Z軸行程基本在100mm～120mm，交換工作臺移出后的空間高度在300mm～320mm。本文所設(shè)計二維激光切割機(jī)用型材多面切割裝置可加工型材最大為20#型材，最大長度與激光切割機(jī)的長度切割范圍一致，可加工多種圖形，如圓孔、方孔、腰孔、矩形孔、異性孔等，也可以打標(biāo)。

3 型材多面切割裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計

方案一裝置充分利用床身上的兩側(cè)六方導(dǎo)軌作為尾架支撐的運行導(dǎo)軌，尾架橫梁安裝在床身兩側(cè)六方導(dǎo)軌上，可根據(jù)型材需要長度移動尾架橫梁前后位置實現(xiàn)卡盤兩端的固定，避免槽鋼旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象，樣機(jī)如圖6所示。前后卡盤在安裝時通過芯棒保證同心，同軸度≤0.02/m，卡盤選用特殊四爪結(jié)構(gòu)形式，夾爪上設(shè)有調(diào)節(jié)螺釘，能夠根據(jù)不同型材的大小調(diào)節(jié)螺釘長度，保證夾爪夾緊工件，端部特制卡盤安裝在分度盤上，可以用活動銷軸進(jìn)行定位，也可以加裝伺服電機(jī)和編碼器并與數(shù)控系統(tǒng)相聯(lián)接，以實現(xiàn)自動化。其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖6 方案一裝置樣機(jī)

圖7 方案一裝置設(shè)計圖

3.2 方案二結(jié)構(gòu)設(shè)計

方案二裝置主機(jī)前端安裝一個固定旋轉(zhuǎn)支架（圖8），內(nèi)置軸承，因此具有支撐剛度并實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作用。旋轉(zhuǎn)支架面向加工區(qū)域的一側(cè)安裝有自定心四爪卡盤，用于卡緊型材。旋轉(zhuǎn)支架另一側(cè)安裝有分度手輪，用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，使卡盤帶動型材旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)加工型材不同型面的效果。主機(jī)尾端安裝有型材輔助支撐，該裝置在將型材尾端支撐并固定的同時，還安裝有軸承支撐的跟隨轉(zhuǎn)軸，保證型材在旋轉(zhuǎn)時與前端保持一致。避免了在切割槽鋼等非對稱截面型材時，因型材90°旋轉(zhuǎn)帶來的中心高度的變化，從而需要人工手動調(diào)整支撐高度的弊端。與此同時，尾端支撐可由氣缸驅(qū)動整體上下移動，以防止在切割平板時與工作臺發(fā)生碰撞干涉。

圖8 方案二裝置設(shè)計圖

尾端的型材輔助支撐設(shè)計成卡槽式，根據(jù)不同規(guī)格的型材選用對應(yīng)的卡槽尾端輔助支撐，如圖8所示。

3.3 方案三結(jié)構(gòu)設(shè)計

方案三裝置充分利用激光切割機(jī)本身的一套交換工作臺，在工作臺寬度方向一側(cè)，300mm的寬度上設(shè)計底板、定位塊、調(diào)整板、夾緊螺釘、支撐塊等，2塊調(diào)整板焊接在底板上，定位塊在支撐塊的內(nèi)側(cè)。其結(jié)構(gòu)見圖5，以槽鋼工件為例裝夾示意如圖9所示。

圖9 方案三以槽鋼工件為例裝夾示意圖

4 三種方案裝置比較及分析（表1）

在二維激光切割機(jī)上加裝型材多面切割裝置切割的型材工件實物照片如圖10所示。

表1 三種方案裝置比較

圖10 型材切割實物照片

5 總結(jié)

本文根據(jù)二維激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)、型材的加工要求、機(jī)械加工夾具及自動控制等方面知識，對在二維激光切割機(jī)上加裝型材多面切割裝置提出了三種設(shè)計方案，對三種方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了比較分析，用戶可根據(jù)待加工工件參考選擇。本文對新購激光切割機(jī)設(shè)備和技術(shù)改造用戶具有指導(dǎo)意義。

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