數控激光切割機結構設計

耿仁賢

（蘇州工業園區工業技術學校，蘇州 215123）

1 數控激光切割機概述

數控激光切割機主要是通過配置不同大小功率的光纖激光器對各種機械元件以及金屬材料進行切割、打孔等精密加工操作。目前，在整個機械切割加工行業里，激光切割高精度加工方法占到70%以上，和其他的機械切割加工方法相比，數控激光切割具有不可比擬的優點，如適用性廣（適用于合金鋼、陶瓷、有機玻璃等機械材料）、精度高、切割速度快、切割后切割縫隙小、熱影響區域小等。但是，除了外界因素影響以外，傳統的數控激光切割機由于自身的設計缺陷也會出現切割過程噪聲大、切割區域面質量差等故障。因此，改善優化數控激光切割機的設計，使其更加適合行業生產的使用特點變得極其重要。

1.1 數控激光切割機的分類

數控激光切割機主要是由切割機機床、光纖激光器、數控系統、切割頭、工作臺、隨動系統等部分組成[1]。由于其適用行業較為廣泛，因此各個行業對數控激光切割機的使用要求各不相同，例如，汽車行業要求數控激光切割機不僅要能夠具有高速、可靠、精密等優點，還要具備高速取料、去毛刺等功能；發電設備行業則需要其具有規格大、強度高的特點。但是，大部分行業對數控激光切割機都有以下幾個方面的要求：切割精密高、切割速度快、切割裂縫小、切割面質量高。因此，后續設計主要圍繞這幾點展開。

目前，根據產生激光的原理不同，各個行業通用的數控激光切割機大致可以分為3種類型：光纖激光切割機、CO2激光切割機、數控YAG固體激光切割機[2]。

數控YAG固體激光切割機的工作原理是通過把高密度、高功率的激光光束聚焦在一起，照射機械元件表面上，元件被照射后迅速熔化甚至氣化，然后借助激光光束在同一水平軸形成高速氣壓流，對熔化的工件進行吹出操作，進而把機械元件切割。YAG固體激光切割機的使用成本和后續的維護費用都比同類的激光切割機要低很多，性價比高，它是數控激光切割機領域內最為成熟和穩定的產品之一[3]。

光纖激光切割機是數控激光切割機領域內的一種新型產品，它與YAG固體激光切割機的工作原理類似，也是利用激光光束使機械元件熔化從而完成切割，不同的是，光纖激光切割機發射的激光光束來源于一種新型光纖激光器。它的光束質量好，體積小巧，相比其他兩種更加適合柔性加工要求的工件。由于激光光束波長的原因，光纖激光切割機只能切割金屬工件，對于非金屬材料的工件并不適用。

CO2激光切割機和以上兩種激光切割機的激光器有所不同，它是使用氣體分子激光器。一般使用氣體分子是CO2氣體分子，N2、He等氣體分子輔助，利用氣體分子的振動和轉動能級間的躍遷來產生激光光束。CO2激光切割機的穩定性能極好，激光器的能量轉化效率高，所以被廣泛應用于高功率輸出的工件切割行業。

1.2 數控激光切割機的發展

國內數控激光切割機的技術一部分來源于國外，因為國外對于激光切割技術研究較早，美國的光學公司大約在1961年就開始研究光纖激光切割領域。而我國的第一臺數控激光切割器是在1994年湖南大學激光研究所研發出來的。隨后中科院物理研究所在2003年3月研制出了使用數控激光技術的管材加工設備，使我國的數控激光切割技術有了一個質的飛躍。現階段，國內外對數控激光切割技術的關注核心點都在于降低閾值、調節波長等性能方面。

2 典型數控激光切割機的設計分析

近幾年來，國內的數控激光切割機飛速發展。從設計分析的角度來看，其設計理念和設計表現側重點都有著很大的變化。下面挑一款典型的1530型數控激光切割機，分析其設計的優點及缺點。

圖1 1530型數控激光切割機實物圖

1530型數控激光切割機的機身總重達到9t，最大加工范圍為1500mm×3000mm，工作臺的最大載重為1250kg。其底座部分為了確保加工切割精度進行了加重設計。驅動結構部分選用了龍門式雙邊設計，這種設計使其具有最佳的對稱受力條件，避免了切割機在操作時由于被切割工件的重心外懸擺動而產生振動，同時也避免切割機的傳動及導向部件不會出現瞬間過載的故障。獨立的伺服軸設計也是該機器的設計亮點之一，利用該設計可以保證激光光束從數控激光切割機的激光器出光口射出直到切割頭的長度是不變的，能夠維持原值。這樣的設計保證了激光光束焦點位置的恒定及穩定性，但是由于1530型數控激光切割機被研發出來的時間較早，在那個階段，市場對于數控激光切割機的要求主要是滿足生產需要，功能完善即可。所以，它在很多方面不符合人機工程系的原理，忽略了人作為主體，在設計上存在很多不足。

例如，該機器的落料口和入料口在開啟和關閉時需要兩個人同時操作，非常不方便；監視窗的角度和高度都過大過高，造成使用者在操作時難以觀察機器內部加工過程，造成人為的誤操作率上升等。

3 新型數控激光切割機結構設計

數控激光切割機的安裝位置以及操作環境都和使用者存在著密切的交互關系，因此人們在對新型數控激光切割機進行設計時，除了要考慮到機器本身應具有的符合生產實際的功能外，還要考慮到人機交互關系是否合理、安全。新型數控激光切割機模型示意圖如圖2所示。

圖2 新型數控激光切割機模型示意圖

3.1 切割機機床底座

數控激光切割機機床最基礎的部件就是機床底座，由于機床上包括絲杠傳動機構和電機，兩者都具有一定的運動加速度，會對機床產生一定的沖擊力，這股沖擊力能夠使切割機機床底座產生動態的位移。一旦切割機機床底座出現位移會對激光器發射的激光光束造成干擾，使其不穩定，導致數控激光切割機的切割質量下降。所以，在設計新型數控激光切割機時重點要改善這一點，為了保證電機和絲杠傳動機構在高速運動時，機器也能保證穩定，盡量加重底座的質量，提高其慣性。總結之前的設計經驗，機床底座的重量一般是機床所受沖擊力的15倍。

3.2 隨動機構

數控激光切割機的隨動機構主要作用為檢測和控制切割機運轉時切割工件表面是否光滑。為了確定激光器所發射的激光光束聚焦后焦點是否在工件的位置，需要利用伺服電機和絲杠傳動裝置來調整切割頭高度。而激光光束聚焦后焦點的位置在一定程度上對切割后的縫隙大小以及質量高低有著很大影響，因此對隨動機構的要求就非常高，檢測精度要在0.010mm左右。同時，隨動機構的隨動速度應該在5m/min左右，不能太高也不能太低，太高會導致切割頭上下震動，太低會導致切割頭跟不上。

3.3 運動機構

數控激光切割機的運動機構決定了切割機的性能好壞。在進行運動機構的設計時，首要考慮的因素為負載的慣量比值。目前，通用的電機的比值一般在1∶10左右，但是為了數控激光切割機的機床驅動參數達到最佳狀態，在設計時最好把數控激光切割機的負載的慣量比值控制在1∶3左右。

4 結語

數控激光切割機屬于精密工件加工裝置。在設計時，除了考慮機床運轉的穩定、激光光束的性能這些機構性功能方面的要求外，也要把人機關系考慮在內。因此，本文通過分析典型數控激光切割機的設計特點，對其進行了優化設計，使其更好地實現生產所需要的功能。