數控激光切割機的加工原理及其結構組成分析

喬永強，李任戈，李志禹，溫慶年

（中建科工集團有限公司，廣東 深圳 518040）

隨著國家大力發展鋼結構建筑的趨勢和政策指引，鋼結構的加工體量持續加大，而鋼構件的切割是鋼結構加工極為重要的一項技術。以數控機床和激光技術為基礎的數控激光切割機補足了傳統切割技術的短板，實現了切割精度、準確度及穩定性的同幅度提升。為進一步優化建筑鋼結構切割成效，推動數控技術和激光切割的有機融合，有必要對其加工原理和結構組成作進一步的分析。

1 數控激光切割機基本概述

1.1 技術特點

數控激光切割機有效整合了數字控制和激光技術，兼具高精度、高速度及高安全性的技術特點。數控激光切割支持高精度的反復切削，且其精密度并不會在反復切削中而出現變動。同時，在切割剛性較強的金屬材料時，數控激光切割機的切削速度及能力遠遠超出了常規磨削機。此外，同砂輪及鋸齒切割等技術比較，數控激光切割技術的風險系數相對更低，安全性較為理想。

1.2 用途及優勢

數控激光切割機除了具備切割各類金屬材料、特殊材料以及機械部件的應用功能外，還可用于打孔等精密加工工藝。當前階段，數控激光切割已在食品機械、電梯制造、工具加工、農林機械、激光對外加工服務等各種機械制造加工行業普及應用，發揮著不可替代的作用。數控激光切割在操作流程、切割效率以及應用范圍等方面有著傳統機械切割無法比擬的優勢，且其切割后所產生的間隙以及熱影響區面積相對更小，總體切割性能較為優越。

1.3 常見分類

雖然各行業對數控激光切割機的功能需求不盡相同，但高效率、精密度以及安全性是機械制造業在切割環節的永恒追求。當前階段，各領域通用的數控激光切割機常見分類主要有3 種：（1）YAG 固體激光切割機，其通過大功率光束照射來加速熔/氣化進程，并借助高速氣壓流來實現吹出操作，進而完成元件切割工作。此類型切割機成本性能相對較高，且穩定性較為理想，因此在機械切割領域廣受歡迎。（2）光纖激光切割機，其切割原理同YAG 比較相似，即借助激光光束完成切割操作，但其光束來源于光纖激光器，光束質量較高且體積精巧，適用于柔性加工和金屬元件切割，在非金屬元件切削方面稍顯不足。（3）CO2激光切割機，其激光光束來源于CO2、N2以及He 等主要氣體分子間的能量轉移及振動運動，激光動能轉化效率及效果相對理想，在大功率切割作業中尤為適用。

2 數控激光切割機加工原理

數控激光切割機以高功率密度的激光為加工能源，在聚焦鏡作用下，光斑直徑會明顯縮小，而激光束功率密度會大幅增加，這一過程涉及公式為d=2.44λ/D·f（d 為聚焦處理后的光斑直徑；λ 表示固定波長，為10.6μm；D 表示激光器光束直徑；f 則表示透鏡焦距），此公式多用于單模輸出。但激光切割機的應用離不開大功率激光器，即為多模輸出，功率密度采用Po=4W/πf2θ2這一公式（W 表示輸出功率，f 表示焦距，θ表示發散角）。經大功率密度照射，材料溫度很難及時擴散，此時聚焦點的溫度將直線上升，待獲得足夠能量后便會觸發熔化及汽化，激光切割設備的反應將明顯加快，進而完成切割操作。數控技術的應用可將工件外形轉化為數控裝置能理解的信息，數控裝置可依據輸入信息給出相應脈沖指令，通過驅動馬達來操控工作臺的運作，通過連續進給促使激光束實施連續切割，在無模具的條件下隨意加工平面圖形和空間曲面零部件。

3 數控激光切割機結構組成分析

3.1 20000W 光纖激光切板機

此類切割機適用于機械制造領域的兩維平面切割，切割對象涉及碳鋼、不銹鋼、鋁合金、黃銅、紫銅、硅鋼板、鈦合金等多種材料。整機重量約27t，加工幅面為14000mm×3000mm，有效切割長度最大為長14000mm，寬3000mm，20mm 厚板材直切速度可達1000～1200mm/min，20mm 厚板材帶有45°坡口切割速度可達600 ～800mm/min。詳細結構組成如下。

3.1.1 機床底座

機床底座是切割機的基礎零部件，也是保障切割機穩定、高效運作最關鍵的結構組成部分。切割機在高速運轉時，往往伴隨較高動能加速度，在此同時，動力零件將產生一定沖擊力，這會影響機床底座的穩定運轉和激光束質量，使得切割效果大幅下降。因此，在機床底座設計階段，要注重動態穩定性的優化與提升。在焊接床身及橫梁時，應積極實施退火處理、二次振動時效處理等工藝來消除焊接、加工等環節所產生的應力，以實現機床穩定性的全面增強和精密度的有效提升。為從剛性、便利性及精度等方面提升機床性能，可增加專用基準座，并配置性能極為優越的精密減速機、齒輪齒條及直線導軌等傳動機構，以此為傳動精度提供保障。在設計機床底座及切割平臺時，還應充分考慮應用的便捷性，綜合采用拼接組裝、模塊組裝、隨動抽塵結構等方法來改善用戶的使用體驗。

3.1.2 Z 軸隨動機構和氣路設計

在切割機運作期間，Z 軸隨動裝置在電容傳感器支持下，能夠對切削元件加工表面的平整度進行精準檢測，并利用國際知名品牌伺服驅動來操控切割頭，確保激光能量可聚焦于切削元件的表面。聚焦點精準與否直接影響切口間隙的小大和切割質量的高低，故要嚴格把控隨動裝置的檢測精度，原則上不應低于0.010mm。此外，驅動轉速也會對切割效果造成影響，一般以5m/min為佳。過高轉速會致使切割頭出現振動情況，影響切割精度，而過低轉速則會使得切割速度降低，加劇資源浪費。切割機的氣路可分成O2、N2及空氣，各氣體可自由切換。為提升氣壓控制精度和穩定性，應謹慎選擇氣體元件，如壓力≤1.2MP 的比例閥和壓力≤3MP 的電磁閥等。

3.1.3 數控裝置

數控系統主要功能在于按照規定指令代碼和相關程序格式將工藝參數與路線、光板直徑與運動軌跡、切割參數及輔助功能轉化為加工程序單，并將其中內容完整傳輸至計算機，進而操控機床執行零件加工操作。FACUT 為全功能數控激光切割控制系統，也是機械制造領域較為常用的坡口數控系統，自動化模型標定、法向量跟隨、平面垂直度補償、二維圖導入、插補跟隨控制、三維誤差判斷以及拐角處理等均為該系統的核心功能。FACUT 的裝配及合理應用，能夠對模型中的水平偏移、傾斜誤差以及大角度垂直跟隨時出現的定位偏差開展自動化校準補償，并在割縫補償的基礎上增用板面垂直度補償，利用所采集的數據點信息對加工區整體傾斜信息進行推算，從而實現高精度加工。與此同時，FACUT 的插補跟隨控制功能還可提高擺動機構的整體穩定性，既能消除切割頭末端抖動問題，也能夠規避純插補控制下的撞頭風險，加強安全保護。除此以外，FACUT 也能夠對各軸配合狀態及滯后情況作出科學判斷，為調試工作提供輔助作用。而拐角處理功能通過提前在斷面所處平面內調整好法向量以及切線速度和方向，便可實現持續性切割的效果。

3.2 12000W 光纖激光切管機

此類切割機適用于機械制造加工領域的空間切割，如方管、圓管、槽鋼異型管材等，切割對象涉及碳鋼、鍍鋅管、不銹鋼、硅鋼管等。整機重量約38t，圓管加工范圍為直徑60 ～500mm，長12200mm，方管尺寸為60×60 ～350×350mm，長12200mm，16mm 壁厚帶35°坡口切割速度可達600 ～800mm/min。詳細結構組成如下。

3.2.1 機床底座

整機床身可分為3 段，為方管焊接結構，橫梁部分為墻板焊接結構，均經退火消除內應力、二次時效等工藝加工而成，穩定性比較可觀。

3.2.2 隨動機構

12000W 光纖激光切管機綜合運用了Z 軸、Y 軸及W軸隨動機構，在實現切割頭上下運動的同時，進一步優化了切割質量及加工精度。

3.2.3 傳動機構

12000W 光纖激光切管機傳動機構主要應用在3 個環節：（1）夾料，此處應用氣動卡盤，夾料后可自動校準軸心，卡爪的設計可依據管材形狀而調整，從而實現對不同管材的高效裝夾。（2）上料，以V 型支架為料架，支持一次放置多根管料，采用鏈條傳動形式進行送料，在伺服電機操控下，結合管材大小實現自動化高度調整，確保各類管材均可準確輸送至卡盤中心，為卡盤的自動裝夾提供有利條件，以提升管材加工精度。配置進口伺服電機配合絲桿，以實現上料效率及精準度的全面提升。（3）下料，此處實行分區接料，設立廢料倉并裝置滾輪。在切割長料時，4 個卡盤會同時運作，以此確保切割穩定，材料進入接料架后會由鏈條自動傳輸出料。

3.2.4 氣路、水路系統

氣路可分為兩部分：（1）為切割氣體，主要涉及壓縮空氣、高純氮以及高純氧；（2）為運動輔助氣體，以壓縮空氣為主，其能夠直接驅動氣缸，借助除塵風機強大的除塵功能來消除煙塵。水路也可分為兩部分，冷卻水自冷水機組排出后一部分會經激光器制冷循環后再次進入冷水機，另一部分則經激光切割頭部分循環后再次進入冷水機。

3.2.5 切割頭部分

原則上講，切割頭應支持高效率的焦距透鏡更換（如5'、7.5'焦距透鏡），并且能確保透鏡更換完畢后無須對光路系統做出任何調整。此外，還應將防碰撞安保系統合理裝置于切割頭部位，確保切割頭在遭受外力沖擊后能在短時間內回歸至原定位置，從而保證加工精度不受影響。為了對切割角度進行精準控制，切割頭擺動部分仍選用進口伺服電機，切割頭則選用現階段最先進、內部結構絕對密封的激光頭，從而降低光學鏡片受污染的可能性。在伺服電機的自動調焦下，對激光頭部分實施兩點對中調節，以優化穿孔效率及質量。

3.2.6 數控裝置

采用最專業的TubePro 激光加工數控系統，其緊湊的結構、模塊式組裝和高性價比較好地滿足了廣大用戶對數控系統的性能需求。其優勢體現在5 方面：（1）架構。有別于以往的雙CPU 設計，TubePro 將所有系統軟件運行于主PC 處理器中，系統設計構架合理且先進。（2）技術。在CNC 技術支持下，系統功能可通過模塊化形式實現對外開放，且無須對硬件作出改動。（3）性能。5 軸聯動及坐標變換等功能的日益完善能夠實現對多軸多通道的良好操控，為數控設備的良好運作提供保障，且可針對輕度扭曲變形的瑕疵管材進行自動校正加工。（4）功能。該系統可滿足用戶的多樣化功能需求，并在應用領域落實功能優化，以實現性價比的最大化。（5）界面。此系統的實時內核破解了Windows系統的實時控制難題，且在保障實時性的同時還突顯了操作便捷、界面友好等特性。

4 結語

綜上可知，數控激光切割機在建筑鋼結構切割加工中開始發揮重要作用，今后必將成為建筑鋼結構生產制造領域不可或缺的機械設備。為了推動數控激光切割技術的進一步完善，仍需加大對其加工原理和結構組成的研究與探索力度，深入挖掘其潛在價值，以提升我國數控激光切割技術在建筑鋼結構下料領域的水準。