桌面式激光切割機切割質量分析

魯 霞

（廣州城市職業學院 機電工程學院，廣州 510405）

激光是20世紀的重大發明之一，具有巨大的技術潛力。激光加工是激光應用最有發展前途的領域，其發展速度快，應用廣，是除微電子技術之外其他技術無法比擬的。激光也被譽為“萬能加工工具”“未來柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，FMS）的共同加工手段”，是當代具有代表性的先進制造技術之一[1-2]。

激光切割加工是用不可見的光束代替傳統的機械刀，具有精度高、切割快速、不局限于切割圖案限制、自動排版節省材料、切口平滑以及加工成本低等特點，將逐漸改進或取代傳統的金屬切割工藝。

隨著市場經濟的飛速發展和科學技術的日新月異，激光切割技術已廣泛應用于汽車、機械、電力、五金以及電器等領域。近年來，激光切割技術正以前所未有的速度發展，每年都有15%～20%的速度增長。自1985年以來，我國更是以每年近25%的速度增長。當前，我國激光切割技術的整體水平與先進國家相比還存在不小的差距。可見，國內市場激光切割技術具有廣闊的發展前景和巨大的應用空間。

激光切割機將從激光器發射出的激光，經光路系統聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件達到熔點或沸點，同時與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對位置的移動，最終可使材料形成切縫，從而達到切割的目的。

隨著激光切割技術的發展，基于創客、高等院校、K12教育以及小規模工業生產的桌面級激光切割機應運而生。它具有高精度、高效益、高質量的非接觸式切割優勢，為國內創客教育及新產品開發提供了有力的保障及技術支持。

1 桌面式激光切割機在創客教育及新產品開發中的應用優勢

隨著計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術的成熟和激光切割機的小型化，激光切割機成為創客教育及新產品開發中不可或缺的一個重要工具，優勢日益凸顯。

（1）激光切割機使創客在材料選擇上具有更大的靈活度。激光切割機能夠加工木板、亞克力板、塑料以及金屬等材料，賦予了創客更多選擇的可能。設計者可以根據設計需要合理選擇最快捷、有效的材料進行加工，給創新增添了更多活力及自由度。

（2）激光切割機為創客及新產品開發帶來了時間和設計上的便捷。激光切割機不僅切割效率較手工提升數十倍，而且大幅提升了切割質量。此外，激光切割機的數字化設計設置也為設計者快速有效地制作及修改樣件，提供了高效的設計手段。

（3）激光切割技術可與機器人、3D打印等創新技術相結合，提高創新創造工作效率。

激光切割機還能幫助設計者更好地樹立工程思維，并通過激光切割技術驗證、提升設計者的工程思維。

2 桌面式激光切割機

激光切割技術有兩種：一是脈沖激光適用于金屬材料；二是連續激光適用于非金屬材料。后者是激光切割技術的重要應用領域。桌面式切割機能對木材、皮革、織物以及部分金屬等材料雕刻和切割，滿足了設計者多材料加工的需求。

桌面式激光切割機作為創客運動桌面制造工廠之一，其激光器普遍采用CO2激光器，能對木材、皮革、織物以及部分金屬等材料進行雕刻和切割。

CO2激光器具有諸多優點。首先，它有較大的功率和較高的能量轉換效率。其次，它利用CO2分子振動-轉動能級間的躍遷，有比較豐富的譜線，在10 μm附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發現，高氣壓二氧化碳激光器甚至可做到9～10 μm連續可調諧的輸出。最后，它的輸出波段正好是大氣窗口（即大氣對這個波長的透過率較高）。此外，它還具有輸出光束的光學質量高、相干性好、線寬窄以及工作穩定等優點[3]。

3 桌面式激光切割機加工質量分析

桌面式激光切割機主要部分組成簡圖，如圖1所示。

圖1 桌面式激光切割機主要組成部分簡圖

桌面式激光切割機主要由高清攝像頭輔助加工系統、自動對焦系統、智能圖像提取系統、冷卻系統以及空氣過濾系統等部分組成[4]。其中，高清攝像頭輔助加工系統的運動精度及自動對焦系統的對焦精度，直接影響桌面式激光切割機的切割精度。

現有桌面式切割機的技術缺點總結匯總如下[5-6]：

（1）桌面式激光切割機進給機構穩定性不高，磨損快，使用壽命不長；

（2）桌面式激光切割機工作平臺多為固定模式，結構單一；

（3）桌面式激光切割機激光對焦系統操作復雜，對操作者操作水平要求較高；

（4）桌面式激光切割機操作需要具有專業的設備操作水平。

針對以上問題，提出如下具體的解決措施。

首先，工作平臺可選用運動范圍廣、進給機構定位精度高以及穩定性好的直線導軌機構，保證激光切割的精度。直線導軌機構還具有穩定的平面度、操作簡便以及結構簡單等優點，能夠滿足使用者對切割精度和操作簡便的需求。激光切割頭導向機構可以選用直線軸承機構，具有精度高、導向性好的優點，可保證進給機構的進給精度和穩定性，進而保證切割精度。

其次，充分利用高清攝像技術，通過高清廣角攝像頭，定點拍攝，輔助設計，大大降低制作、設計門檻，提高設計效率，使設計者能夠全心投入創作。此外，通過高清廣角攝像頭能實現智能圖像提取，省時省力。

最后，開發一鍵加工系統，降低激光雕刻的門檻，實現極簡制造。用戶在完成激光創意的設計后，通過傳輸文件到激光設備，點擊一鍵加工便可以快速實現設計。

4 結語

當下，全方位提升國內切割裝備的精度質量是行業的大勢所趨。因此，針對目前激光切割技術的發展，詳細分析目前桌面式激光切割機在創客及新產品開發中的作用，論述目前桌面式激光切割機的技術缺點，并提出針對性的解決措施，為桌面式激光切割機的技術發展提供參考。