淺析激光落料線

陳 暉，王金榮，2，冷志斌，2，王尚斌

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州225200）

隨著汽車輕量化技術的發展、國產大飛機適航量產步伐的加快，高強鋼、鋁合金、以及鋁基復合材料得到大量應用。傳統壓力機落料線加工面臨越來越嚴重的問題：①模具磨損快，修復和使用成本直線上升，且模具加工的周期不適合多品種、小批量加工特點；②已有生產線中的壓力機噸位不足，面臨重大改造；③鋁板加工極易形成的鋁積瘤，增加10%的維護成本，高表面質量等級05 合格率小于90%。激光落料線的無模具工藝、柔性編程、動態流切割等特點，具有模具成本低、加工材料范圍寬、表面質量高、材料利用率高、適用小批量等優勢，有效解決上述不足，替代趨勢非常強勁，涌現了舒勒、法格、本田等一批裝配研發企業，也在福特、奔馳等汽車企業和國內寶鋼、鞍鋼河北鋼鐵等汽車板原材料供應企業得到應用[1-5]。

1 激光落料線發展現狀

21 世紀前10 年中期，位于美國俄亥俄州拿破侖市的Automatic Feed 公司投資開發了一種可以直接切割卷材的激光切割解決方案，目的是為了使用激光器來替代沖壓機和剪床等設備，以克服先前所面臨的傳統障礙。通過5 年的研發，在開發出可以試生產的原型設備后，2011 年，LaserCoil Technologies LLC 被剝離出來成了一個獨立的公司，并將此專利技術推向市場。繼2012 年用原型生產線試產成功后，2014 年，LaserCoil Technologies 首先推出了其生產的卷材激光落料系統。LaserCoil 的系統具有可成功應用于生產環境的多項專利。

隨后，SCHULER 、PRODUTECH- ISEO、RDI、DIMECO、DANOBAT、DALCOS、BWD 等國外廠家紛紛進軍激光落料行業。2015 年6 月，戴姆勒公司為它在庫彭海姆的梅賽德斯奔馳工廠訂購了兩條SCHULER（舒勒）的激光落料線。從此打開了激光落料線的高端市場，其服務對象多為汽車行業。2016年本田為日本Yorii 工廠提供了一套激光落料生產線。

2010 年，上海寶鋼中央研究院開始申報與激光落料線相關的發明專利，2014 年，由吳瑞珉博士牽頭成立激光落料技術項目團隊，完成了一臺樣機，在此基礎上研究汽車用高強鋼板、鋁合金板的加工方案。

2019 年，江蘇亞威在低端激光落料線技術基礎上，進軍高端市場，產品性能、智能化水平接近國外先進水平，代表國內最先進技術。

隨著全行業對激光落料系統的高度關注，研發的國內外企業越來越多。從產品原理來看，主要有兩種技術路線：一種是連續動態聯動技術，多切割頭并行切割，板料連續送料；另一種是啟停式技術，切割時板料停止。前者代表了高端技術和未來趨勢，供應商主要集中在國外舒勒、法格、本田等少數幾個企業，其應用領域也主要集中在對柔性、效率、質量、可靠性、智能化要求高的汽車加工領域；后者主要應用于軌道交通類附加值較低行業，效率和表面防護質量遠不如前者，代表企業包括美國，Laser－Coil、法國DIMECO、西班牙DANOBAT、以及國內大族激光。國內外代表企業先進產品技術水平如表1 所示。

2 激光落料線組成及工作原理

激光落料線組成包括開卷單元、校平定尺單元、激光切割單元、堆垛單元、智能控制系統，在傳統落料線基礎上，核心主機采用激光切割單元替代沖壓單元，由激光切割這種無接觸加工取代沖壓、剪切加工，完成異形板的柔性加工[6]。

具體工作原理是：卷料經上料小車送入開卷機，經引料、切頭、清洗、夾送進入校平定尺單元，對板料進行矯直、糾偏，夾料輥夾持板料，送至激光切割單元，激光切割頭聯合輸送皮帶運動，在板料連續輸送狀態下完成切割，切割后板料送至堆垛單元，完成廢料分離、工件堆垛。為了提高落料線效率，通常配置2組以上激光切割頭。如圖1 所示。

3 激光落料線效率提升措施

與傳統沖壓落料線相比，激光落料線單件成本低，材料利用率高，但效率不高，只有沖壓線效率的30%～50%。國內外就效率提升研究主要從提高單體效率、運動部件輕量化、多軸聯動控制、開發專用CAM系統4 個方面進行研究。

圖1 激光切割工藝示意圖

（1）高速激光切割技術。通過激光切割工藝研究，提高切割頭單體效率、質量。通過提高熱能密度，穩定間隙和優化輔助氣體條件，本田在大規模生產環境中實現了比常規激光切割系統快出3 倍的切割速度。可以實現120m/min（板件厚度0.6mm）的切割速度。

（2）輕量化技術。通過運動部件結構優化、新材料應用研究，保證剛性情況下減小運動部件質量，提高系統響應能力。本田通過伺服電機固定、傳動皮帶，運動部件上沒有驅動器，從而實現了輕量化的設計；通過使用輕質，高剛性的碳纖維增強塑料(CFRP)來減輕框架的重量和變形，與傳統鋼架3G 的加速度相比，實現了10G 的加速度，并且通過使用帶碳纖維芯的聚氨酯傳動帶，由此獲得的延伸率幫助減少了50%的精度問題。

（3）多軸聯動切割技術。建立多個切割頭之間關聯、切割頭與送料之間關聯、單個切割頭運動軸間關聯、送料軸間關聯，開發產品多通道多頭控制技術，使獨立的多軸插補信息交互，實現板料連續運動下的多切割投準確定位與銜接、多段與多軸的同步，提高系統效率。

（4）高效切割工藝集成的CAM 技術。對多切割頭路徑優化、切割輪廓合理高效分工、切割避讓算法等技術進行研究，封裝底層控制的特殊運動控制函數，集成薄板切割所需要的高加速、高速的伺服控制的再編程及參數優化能力、切割頭高速隨動機運動軌跡優化、切割掃描等工藝，開發專用的CAM系統。

4 結束語

激光落料線是革命性的系統組合，集沖壓落料線、激光切割機和橫切線三線合一。它適應了汽車輕量化對高強鋼、鋁合金加工的要求，也適應了小批量、多品種的市場需求，具有非常強的競爭力，發展前景和市場價值都無限廣闊。