一種三維五軸數控激光切割機

洪 超，周鵬飛，潘峻城，孫 謙

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

光纖激光技術的發展以及成本的下降，極大地推動了光纖激光在金屬板材切割上的應用。例如隨著汽車輕量化要求的不斷提高，三維鈑金覆蓋件、結構件的激光切割需求逐步增加。乘用車車身覆蓋件、大梁等結構件中最厚板通常在3mm 以內，且產品結構復雜、變化快，普通的機械手式三維激光切割機在精度、穩定性、效率等方面不能完全滿足相關工藝及質量要求，此時三維五軸數控激光切割機的優勢便凸顯出來。本文將結合我公司最新研制的三維五軸數控激光切割機，介紹能夠切割碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料的三維復雜結構鈑金件的高性能激光加工設備，并分析該設備的主要部件功能。

1 方案設計

如圖1 所示，三維五軸數控激光切割機采用技術成熟的光纖激光器作為切割光源，采用高架龍門橫梁移動式結構，以滿足切割機高速切割運行的需求，同時設計雙工位移動工作臺，以提高機床使用效率。三維五軸數控激光切割機總體結構包括：龍門機身三軸結構、旋轉工作臺、激光切割頭、大功率光纖激光器和控制系統等。其中工作臺采用可旋轉雙工位方案，采用鏈輪鏈條驅動工作臺旋轉，旋轉速度響應快；同時，采用定位氣缸插拔定位銷的方式，實現精確定位。可配備用于支撐工件的工裝夾具。工件在工作臺一側的工裝裝夾下進行切割的同時，工作臺另一側工裝可以完成工件的上下料，可有效提高機床利用率和生產效率。

圖1 三維五軸數控激光切割機整體示意圖

2 主要部件功能

2.1 高架龍門移動橫梁結構

移動橫梁移動行程長、速度快、驅動加速度大、定位精度要求高，因此要求系統結構應具有很好的動態響應特性。高架龍門移動橫梁結構優化設計如圖2 所示。通過結構選型，進行結構形狀和尺寸設計；采用運動學、動力學等分析，獲得切割機有效的切割空間范圍、以及各個部件的受力、速度、加速度等指標；進行橫梁等部件結構優化設計，減小伺服系統所需要的驅動功率，提高導軌位置精度保持性。

圖2 高架龍門移動橫梁結構優化設計

2.2 三維激光切割頭

三維激光切割頭由激光擴束裝置、對中調節裝置、水平調整裝置、透鏡裝置、反射鏡裝置、上下運動單元、聚焦切割頭、旋轉電機等構成，主要結構構成見圖3。A 軸、B 軸均采用三相同步扭矩電機驅動；A軸為重力方向左右擺動，B 軸為水平方向360°旋轉；驅動電機采用冷卻水路恒溫控制提高電機使用性能；設計有壓縮空氣抱閘制動裝置避免電機在失去使能時在重力影響下的碰撞現象。

圖3 三維激光切割頭的主要結構構成

2.3 W 軸隨動補償功能

結構上采用齒形帶實現W 軸直線位移驅動，通過位移傳感器進行位置檢測實現W 軸閉環控制，提高控制精度；采用雙側導軌導向，提高W 軸的導向精度；通過噴嘴與板材之間的距離檢測和W 軸隨動控制，保持切割頭切割距離的恒定。如圖4 所示，通過切割頭下面的電容傳感器，采集切割頭到工件表面的切割距離模擬量位置信號給數控系統，數控系統驅動切割頭的上下浮動，自動跟蹤與修正工件表面到噴嘴之間的距離，保持切割頭噴嘴和板材之間的距離恒定，保證切割質量，且防止切割頭碰撞、安全互鎖等，保證設備運行安全可靠。

圖4 W 軸隨動控制方法和流程

2.4 控制系統

該設備采用FANUC 數控系統為基礎進行開發，控制硬件以CNC 控制器為核心，分別連接伺服電源模塊、各類傳感器、電機驅動器、閥門控制器、操作面板等，通過各類傳感器實時獲取位置、壓力、溫度等信號，控制驅動各類伺服驅動電機、空壓機、閥門、警示器等，實現對龍門框架三軸移動、切割頭轉擺和補償、設備安全和制動控制，具體功能如下：激光切割機的龍門框架（X1、X2、Y、Z）三軸直線移動控制；激光切割系統切割頭（B 軸轉動、A 軸擺動、W 軸補償）控制；水冷裝置、除塵裝置、潤滑裝置、雙工作臺控制、防護門控制、報警控制。

3 結束語

本文論述了一種三維五軸數控激光切割機，較為詳細地介紹了其機械結構特點、工作控制原理，該設備可應用于車身構件、內高壓成形件和高強度鋼成形件等三維復雜結構鈑金覆蓋件的加工，具有高效生產能力，滿足市場對高速、高效率切割的需求，降低了市場同類產品的生產成本，提高了客戶在生產過程中的市場競爭優勢。