大幅面坡口激光切割機的設計與應用

文 洪超，周鵬飛，潘峻城，孫謙 江蘇揚力數控機床有限公司

隨著生產加工市場對大幅面鋼板的廣泛使用，對鋼板的平面加工和二維坡口加工能夠在同一道工序中一次性完成提出更高要求，同時由于光纖激光切割機相對于傳統火焰切割機在切割效率和精度上的優勢，使得工程機械、船舶、軌道交通等行業市場對具有高功率、大幅面、二維坡口切割等多功能型的激光切割設備需求越來越大。本文將詳細介紹我司最新研發的WL12030F（B）型數控光纖坡口激光切割機，主要研究內容為大幅面分段式機身結構、上下組合式橫梁、模塊化工作臺、旋轉擺動裝置、激光切割頭、隨動除塵裝置、二維坡口切割控制功能、坡口激光切割工藝操作流程。

方案設計

WL12030F（B）型數控光纖激光切割機（坡口）整機示意圖如圖1 所示，其主要技術參數為切割幅面12000mm×3000mm，定位精度±0.05mm/m，重復定位精度±0.1mm/12m，X/Y 軸聯動速度80m/min。該產品具有高功率、大幅面、二維坡口切割的功能特點，采用大幅面機身結構、伺服控制系統、齒輪齒條驅動、模塊化工作臺，具有速度快、穩定性高、節能環保等特點，操作維護方便快捷。設備運動機構中配置有安裝激光切割頭的A/B 軸旋轉裝置，其可驅動激光切割頭在加工過程中旋轉，通過改變激光光束的照射角度，以獲得不同角度的坡口加工零件。

圖1 WL12030F（B）型數控光纖激光切割機（坡口）整機示意圖

主要功能部件

大幅面分段式機身結構

主機身采用分段式機架，如圖2所示，焊接后采用大型壁爐進行回火處理，以徹底消除焊接應力，保持精度的穩定性。加工時采用進口大型數控落地鏜銑床，保證了機架導軌精度的一致性。

圖2 分段式機身結構

上下組合式橫梁

移動橫梁由左側底座、右側底座、中間梁三個部分組成，如圖3 所示，中間梁經有限元分析計算，具有高強度、低質量的特性，保證機床系統的高動態性能，具有較高的加減速性能。橫梁采用鋼板焊接箱式結構，焊接后采用大型壁爐進行回火處理，以徹底消除焊接應力。導向采用高精度直線導軌，運動采用伺服電機精密齒輪齒條驅動，保證機床較高的定位精度和重復精度。

圖3 上下組合式橫梁結構

圖4 模塊化工作臺

模塊化工作臺

工作臺與機身之間是分開的，工作臺為分體式、模塊化設計，各組工作臺都是單獨一個模塊，可以自由組合擺放調整切割區域，也可以拓展其用于不同切割幅面的類似設備。其中每組工作臺均設計有可單獨更換的托料齒條，設備長期使用使托料齒條損耗后，客戶可以自行單獨更換，使設備維護使用更加簡單便捷。

旋轉擺動裝置

設計使用了旋轉擺動裝置作為額外的機械驅動系統并外掛精密激光切割頭，可實現高效率、高精度的坡口切割作業，如圖5 所示。產品結構主要由精密激光切割頭、切割頭固定板、A/B 軸擺動機構和A/B 軸電纜連接孔組成。旋轉擺動裝置靈活多變、具有可擴展性，可調整激光功率的大小，可更改切割頭固定板的安裝孔位置、尺寸，適配不同類別、不同配置的激光切割頭。A 軸擺動機構具有一定的剛度要求，由電機、減速機組成，可在一定角度擺動且采用穩固的結構設計，具有良好的動態特性和高精度。B 軸擺動機構采用輕量化設計，由小號的電機、減速機組成，可在一定角度擺動，采用電機、減速機直連結構，省去中間傳動環節，可靠性得以保證。同時采用牢靠的防塵設計，確保該機構在較差的現場空氣環境中也能夠穩定使用。旋轉擺動裝置主要參數見表1。

表1 旋轉擺動裝置主要參數

圖5 旋轉擺動裝置結構示意圖

隨動除塵裝置

風扇和吸塵窗口分別裝在橫梁兩側，跟隨橫梁一起前后運動，過濾，完成徹底的粉塵過濾。粉塵則被濾芯阻攔在其表面上，當被阻攔的粉塵在濾芯表面不斷沉積時，濾芯內外壓差不斷加大，當壓差達到一定數值時，集塵器會自動開啟在線清灰功能，此時脈沖電磁閥被打開，壓縮空氣經管道流入反吹清灰系統，通過清灰機構的噴吹管瞬間噴向濾芯內表面，使沉積在濾芯上的粉塵顆粒在高壓氣流作用下脫離濾芯表面掉落進下方的可抽取式集塵小車，整個濾芯表面全部得到清理。凈化后的空氣經風機排出。從而使吸塵窗口始終靠近切割頭切割區域，如圖6 所示。同時在切割區域內裝有除塵吸風管道，將吸塵窗口與管道使用皮帶連接，利用管道負壓起到密封作用，管道的一端外接強力集塵器，實現切割區域較好的吸塵效果。集塵器的內部結構如圖7 所示，管道內吸取的粉塵氣流在風機負壓作用下，通過內部管道先進入預處理器過濾火星及大顆粒粉塵，再通過PTFE 覆膜聚酯纖維濾芯網

圖6 隨動除塵裝置整體示意圖

圖7 集塵器內部結構

應用

二維坡口切割控制

二維坡口激光切割的控制要求具備高精度、高效率的特點，其主要功能包括視覺標定、擺長修正、參數設置、自定義PLC、模擬以及切割加工控制。在系統功能方面，支持dxf、lxd、nrp2、slp 等文件格式的二維圖紙導入，在打開/導入DXF 等外部文件時，可自動進行去除重復線、合并相連線、去除極小圖形、自動區分內外模等優化。在坡口切割功能方面，支持V/Y/X/K 多種坡口類型，以零件外輪廓的方式導入圖紙，確認板材厚度后，可以靈活地對零件進行坡口屬性設置。控制系統對擺動結構建立三維數學模型，采用專業算法，通過視覺采樣裝置對模型進行高精度采樣分析，規避安裝過程及結構件精度帶來的加工誤差。在切割加工控制功能方面，針對板材變形設立相應的補償機制功能，通過提前采樣量化變形情況，保障各種材料及工況下的加工精度；在切割運動中支持法向量跟隨，規避不同噴嘴及不同切割角度帶來的尺寸偏差問題；引入分刀邏輯功能，在不破壞零件底圖的情況下，可以更自由地編輯零件屬性；支持垂直穿孔、傾斜穿孔兩種穿孔功能模式；具有工藝節點編輯功能，解決拐角等特殊工藝場景的單獨編輯需求；功率曲線編輯功能，可設置起刀/收刀/頂點擺動等相關參數；具有“直接過渡”及“拐角法向量優化”兩種拐角運動方式，兼顧了穩定性及切割質量兩種切割需求；高速電容尋邊功能，可通過該方式校正建立板材位置坐標；加工斷點記憶，斷點前進后退追溯功能；停止和暫停過程中定位到任意點，從任意位置開始加工功能。

坡口激光切割工藝操作流程

⑴導入圖紙選擇要加工的圖紙文件。打開菜單的右側區域可以預覽文件的加工圖形以及圖形尺寸。

⑵設置板材厚度及坡口屬性。坡口屬性里的刀序設置不會受排序功能影響。

⑶設置圖層工藝。選取零件或軌跡，點擊右側圖層工具欄即可設立對應圖層，復合坡口可以使用單圖層多刀路，也可以設置為多圖層單刀路。在<工藝>設置內，直接讀取工藝庫內相應的工藝參數，也可以分別設置具體的穿孔、切割等過程的工藝參數。

⑷選擇坡口種類。坡口切割分為直切、V形切、Y形切、X形切、K 形切。在選擇K 形切時，先確定板材實際板厚，然后輸入坡口截面參數角度1、角度2、上坡口寬度、下坡口寬度，如圖8 所示，然后根據不同的切割路徑設定三個獨立的工藝切割參數，分別使用A 參數、B 參數、C 參數來表示，三個獨立的參數具有不同的切割速度、氣壓大小、功率大小、焦點位置等，需要注意的是由于切割過程中噴嘴是不更換的，所以要求使用同一規格的噴嘴參數進行有效加工。

圖8 K 形切坡口截面參數

結束語

本文較為詳細地介紹了一種大幅面坡口激光切割機的機械結構特點、工作控制原理，該設備可應用于工程機械、船舶制造等行業較大幅面焊接板件的加工，具有切割輪廓時同步加工焊接坡口的能力，減少了加工工序，降低了產品的生產成本，具有一定的市場競爭優勢。