激光柔性落料線探討與應用研究

王琦 陳春 王梓

摘 要：本文首先介紹了激光落料線的發展概況和工作原理，著重闡述柔性激光與傳統沖壓落料間的對比分析。激光落料的加工效率比傳統落料低是其最大劣勢所在。基于此，本文介紹了幾種加工效率提升的措施，包括激光切割工藝改進、機床與輸送鏈機械結構優化、多激光頭分配路徑、定制化套料軟件算法開發等。

關鍵詞：高柔性;激光切割;動態落料

前言：

近年來，汽車輕量化技術的快速發展使得高強鋼、鋁合金等材料得到了大規模的使用，光纖激光器功率的大幅度提高也促使激光切割的速度有了質的突破，汽車板的需求正逐步從規模化向定制化轉變，尤其在超薄板加工領域，激光落料相比于傳統的沖壓落料優勢明顯。傳統壓力機落料的加工問題嚴重且長時間未有有效解決方式，包括：①模具的開發成本高，周期長，磨損過快，修復較困難，不適合多品種、小批量零部件的加工;②鋁板加工過程中極易形成鋁積瘤，又增加約10%的維修成本，導致對表面質量要求高的產品的合格率小于 90%。對比而言，激光落料線可無模具、柔性編程、動態連續切割，總成本大幅度縮減，加工材料的表面質量和利用率顯著提升，尤其針對小批量、換型較頻繁的零件加工，替代傳統落料的趨勢非常強勁[1]。本文以公司最新研制的項目為背景，重點介紹鋼鋁混合柔性激光落料線。

1 激光落料線發展情況相關概述

早在21世紀中期，為使用激光器替代傳統的沖壓落料線中的沖壓機和剪床等設備，以克服其諸多不足，美國的LaserCoil Technologies公司就設計了一種可以直接切割鋼卷的激光切割解決方案。2012年用原型生產線試產成功后，又于2014年將其研制的卷材激光落料系統推出市場并申請了可成功應用于不同生產環境的多項專利。隨后，SCHULER 、DIMECO、BWD 等眾多國外一流的設備制造商也相繼進軍到激光落料行業。2015年 6 月，SCHULER（舒勒）交付給戴姆勒公司位于德國的奔馳工廠兩條動態激光落料線。自此全球激光落料線的高端市場拉開了序幕，最初其服務對象多集中在汽車行業。隨著激光落料在鈑金加工領域的關注度一直居高不下，國內眾多企業也紛紛加入激光落料設備研發的隊伍。

從控制原理的角度分析，目前主要有兩種較具代表性的技術路線：一種是連續落料動態切割技術，鋼板連續送料的同時多激光頭并行同步切割，這一新工藝雖研發難度極大，但在生產效率、落料質量與輪廓精度等方面都有著無可比擬的優勢，若成功投產，不僅能夠勝任多種材料的加工處理，還可實現在廠房建設、物流成本、沖壓車間維護等各個環節全方位地降本升效，也代表了激光落料的未來趨勢;另一種技術路線則是啟停式加工，切割時鋼板靜止，待靜態切割完成之后，輸送鋼板，進行下一組切割循環，此種形式的落料沒有明顯的效率優勢，但在低端市場也有廣泛應用[2]。

2 激光落料線組成及工作流程簡介

柔性激光落料線配有上卷機組、開卷機組、切頭剪、矯平機組、激光連續切割機組、動態下料機組、碼垛機組等。除卻最核心的落料單元，其余部分與傳統落料線基本一致，核心主機采用激光連續切割機組替代沖壓單元，由激光切割這種無接觸加工取代沖壓、剪切式加工，是對落料工藝的極大創新 。加工流程主要包括以下步驟：

鋼卷上卷→開卷 →矯平→活套→送料→柔性激光連續切割→機器人動態下料→碼垛。

具體工作原理是：鋼卷卷料經由上料小車送入開卷機，經引料、切頭、清洗、夾送后進入到校平定尺單元，對板料進行矯直、糾偏后，經由夾料輥夾持使板料實現邊對齊，再經過二次定位以防止鋼板傳送過程中擺動，接下來鋼板被送至激光切割單元，以連續動態（無間歇停頓）模式通過切割區域，多激光切割頭與輸送機構協調運動，在鋼板連續送料的前提下完成動態切割，零件被送至后續的機器人動態下料單元，完成廢料分離與堆垛工作。此設備設計理念先進，自動化程度高，可滿足產品尺寸精度高、表面加工質量好、生產節拍快、換型頻繁等諸多要求。

3 激光落料線效率提升的主要措施

相比傳統的基于模具的落料設備，激光落料可以為輪廓設計帶來更高的靈活性，飛行切割更能大大提升材料利用率，顯著降低單件產品的成本。雖然這一新工藝在落料質量與輪廓精度方面有著出色的表現，能夠勝任多種材料不同形狀的加工處理，但若不能突破生產效率不高的桎梏，則很難有廣闊的應用前景，國內外制造商也將研發重點聚焦在效率提升上，作為難點進行攻關。目前主要從提高激光高速切割工藝、優化機床與鋼板送料結構、多頭分配路徑，套料軟件定制開發這4 個方面進行研究與突破。

3.1 高速激光切割

前些年由于激光技術的限制，激光在小批量的金屬板材切割領域占絕對地位，但在大規模生產上卻表現不佳，因為傳統的激光切割速度過慢，無法滿足高速加工的要求。近年來光纖激光的快速發展引發了相關行業的變革，而且光纖傳導激光是固態激光，易于維護與集成及傳導能量，由于汽車的白車身厚度普遍在3毫米以下，且光纖激光高度聚集的光線特別適合快速切割薄板，所以激光切割工藝應用在汽車零部件加工領域是優中之選。排列幾臺大功率的光纖激光器同時連續切割零件，其生產效率得以大幅提高。

通過對激光切割工藝的持續深入研究與優化創新，例如對隨動控制方式及切割保護氣等不斷改進，極大提升了單體激光頭切割的速度、效率和質量。一流的激光設備制造商爭相將這一指標刷新升級，以本田為例，現可達到120m/min（板件厚度 0.6mm）的切割速度，對比之前的加工效率可謂有了質的飛躍[3]。

3.2 機床與輸送結構優化

通過對切割機床的結構優化、新材料應用研究、控制執行機構的控制器和電機的仔細篩選，極大的提升了激光切割機床的動態響應性。機床的直線軸采用直線電機，相比于傳統的伺服加絲杠的結構，大大簡化了電機與執行機構之間的傳動環節，保證了機床本體的高動態、高精度加工;鋼板輸送單元為雙驅同步高精度板鏈輸送機，運動速度不僅可確保與鋼卷進給單元的輸送速度完全一致，而且可實現鋼板高速穩定連續的輸送，在提升加工效率方面起到了至關重要的作用。

3.3多頭協調 分配路徑

建立多個切割頭之間協調分配路徑、單個切割頭與輸送單元之間動態協調、輸送單元與鋼板壓送單元、自動下料單元之間速度協調，開發落料線的多通道多頭控制技術，統一的控制器與軟件平臺使多軸運動信息得以實時高效交互，大大提升設備的加工效率。目前市面上常見的高端激光落料線多配有兩至三個切割頭，可加工寬度為1135mm、1260mm、1360 mm、1930 mm等不同尺寸及不同材質、不同零件的鋼卷，是更加經濟的選擇。此外，激光落料設備可提供多種選配件，能夠滿足不同客戶的多樣化需求，也能適用未來若干年的生產需要，靈活性及生產柔性較之傳統的沖壓落料線有質的突破與提升。

3.4 套料軟件定制開發

套料軟件是柔性激光落料線的控制核心，基于此平臺需要完成諸多核心算法的開發，包括多切割頭軌跡規劃、切割輪廓合理高效分工、多頭切割軌跡順滑搭接、切割避讓算法、劍柵與夾爪智能控制、分料智能拾取預處理、工藝數據庫框架搭建等功能開發，定制出專用于柔性激光落料的套料軟件。

結束語：

柔性激光落料線是足以顛覆落料與鈑金加工行業的產品，它集沖壓落料線、激光高速切割機床、橫切線，智能動態下料四線合一，不僅能適應汽車輕量化對高強鋼、鋁合金的加工需求，也能滿足市場對小批量、多品種工件的加工要求，具有強大競爭力，廣大的發展前景和市場價值，代表了一個正冉冉升起的新興產業。

參考文獻：

[1]王平， 崔禮春.先進開卷落料線的工藝規劃設計[J].鍛壓技術， 2013，38 （4）：190-192.

[2]舒勒集團.舒勒亞洲首條雙激光頭開卷落料線[D].鍛壓裝備與制造技術， 2018， 53（6）：5.

[3]胡俊舟.激光切割技術在沖壓行業中的應用和發展趨勢[J].模具制造，2012，（9）：78-81.