数控激光切割机床开发及其关键技术分析.docx

数控激光切割机床开发及其关键技术分析余先照， 朱华炳， 冯 霄， 罗祖平（合肥工业大学 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥230009）摘 要： 数控激光切割机床是近十几年来发展较为迅速的金属成型设备 ， 与传统切割机床相比具有更好的加工柔性并且加工速度快、 效率高、 无振动及噪声等。 本文主要介绍了激光切割发展方向 、 数控激光切割机的改进及其关键技术， 同时分析了激光对人体的危害及防护对策， 经长时间的 实践证明这种改进方案可行且稳定性较好。关键词： 激光切割； 光机联动数控激光切割机床； 关键技术； 安全防护中图分类号： TG68文献标识码： Adoi:10.3969 / j .issn.1002-6673.2011.03.071CNC Laser Cutting Tools Development and Key TechnologiesYU Xian-Zhao， ZHU Hua-Bing， FENG Xiao， LUO Zu-Ping（School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology ， Hefei Anhui 230009, China）Abstract: CNC laser cutting tool which is one of metal forming equipment has rapid development in the past 10 years, compared with other cutting tools, it have better flexibility and adaptability in the processing, whats more, it also have high speed and efficiency, no vibration and noise when working. This paper not only summarizes the development of laser cutting, the improving of CNC laser cutting tool and key technologies, but also delivers the hazards of laser to the health of workers and the countermeasures, this approach has been improved feasible and stable by long time practice.Key words: laser cutting； ray-machine CNC laser cutting tool ； key technologies； security protection研制出高度自动化的多功能激光加工设备。（3） 通过建立工艺数据库和自适应控制系统来调节 不同加工速度下激光器的输出功率， 从而提高激光切割 整机性能。（4） 向激光切割、 激光焊接以及热处理等工序集成 在一起的激光加工中心发展， 充分发挥激光加工一机多 用的功能。（5） 随着网络技术的发展 ， 建立基于 WEB 的网络 数据库， 采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定 激光切割工艺参数， 并且能够远程异地访问和控制激光 切割过程。（6） 为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的 需要 ， 三 维 激光切割机应 运 而生并正向高效率 、 高 精 度、 多功能和高适应性方向发展5。引言0激光切割具有可控性好、加工过程无振动和噪声、无刀具磨损、 环境污染小等优点， 国际上每年以 20%30% 的速度增长 ， 我国自 1985 年以 来 ， 每 年以 25% 以 上的速度增长3， 但由于我国激光工业基础差， 激光加工 技术在工厂中的应用尚不普遍， 整体水平与发达国家相 比有一定差距。 作为 21 世纪钣金加工不可缺少的手段， 激光切割正在不断地向前发展。（1） 随着大功率激光器和高性能的 CNC 及伺 服 系 统的结合使用， 从而得到高的加工速度、 生产效率， 减 小了热影响区和热变形， 同时切割的材料厚度范围也随 之增大。（2） 激光 切 割 逐步向高度自 动 化 、 智 能 化 方 向 发展。将 CAD/CAPP/CAM 以及人工智能运用于激光切割，1 光机联动激光切割机床11 激光切割设备的组成完整的激光切割设备是由激光器、 光束传输和聚焦 系统、 工作台、 电源及控制装置、 气源和水源、 操作面 板、 割炬、 数控装置等组成， 见图 14。收稿日期： 20110317作者简介： 余先照 （1984-）， 男， 安徽寿县人， 硕士研究生。 主要从事机电一体化装备设计及制造的研究； 朱华炳 （1963-）， 男， 安徽怀宁人， 博士， 教授， 主任。 主要从事 机 电 一 体 化 装备设计及制造的研究。 已发表论文五十余篇。176数控机床世界中， 从而指挥机床加工零件。龙门式光机联动激光切割机床将激光器、 机床和数控系统融为一体的光机电一体 化数控激光切割设备具有整机性能好、 占地面积小、 成 本较低等诸多优点， 因而在工业应用中具有很强的适应 性。 对激光与机床分离的设备而言， 工件与光束的相对 移动可以采用只有光束移动， 工作台面不动的方式， 也 可以采用工作台面移动， 而光束则固定不动的方式。综合以上两种方式的特点， 采用光机联动的方式3。12首先， 将机床设计成龙门式结构，见图 3。激光器连同移动的 Y 轴一起， 构成机床的横梁部分， 其次， 让光束沿 Y 轴 作 短 程 运 动 ， 工 件 沿 X 轴 作 较 长 方 向 的 运 动 ，激光器。 激光器是为激光切割设备提供加工所（1）需要的光能， 其结构见图 2。 要求性能稳定、 可靠、 长期正常运行， 并能根据加工要求调节输出功率2。（2） 光束传输和聚焦系统。 用来把激光束传输并聚焦在工件上。 聚焦在小功率系统中多采用透镜， 在大功 率系统中一般采用反射 聚焦镜 。 部 分设备采用光 纤 传 导 ， 其中采用光纤传导 有以下优点 ： 导 光 系 统 柔 性 大， 容易与机器人配合使用； 可以把激光引到远离激 光器的工作站仍 可保持较好的功率密度 ， 且 不 用 水 冷 却； 光束功率密度的均匀性可以得到改善。（3） 工作台。 安装伺服电机驱动的工作台可实现工 件定位并进行切割加工， 工作台要保持整洁干净， 确保 运动精度， 工作台面材料硬度要求高， 不易损坏。（4） 控制装置。 主要作用是进行参数的实时显示 、 控制、 程序间的互锁、 保护以及报警等。 为保证激光器 稳定运行， 均采用快响应、 稳定性高的控制电源。（5） 气源和水源。 气源是在激光切割过程中采用惰 性气体来保护割缝免受氧化， 其次是保护聚焦透镜免受 金属蒸气污染和液体熔滴的溅射及对驱散高功率激光切 割产生的等离子屏蔽。 水源主要是用来降低整个加工系 统中的温度。（6） 数 控 装 置 。 数控装置是把 零 件的加工工艺 路 线、 工艺参数、 光斑的相对运动轨迹、 光斑直径、 切削 参数以及辅助功能按照规定的指令代码及程序格式编写 成 加 工 程 序 单 ， 再 把 该 程 序单 中 的 内 容 输 入 到 计 算 机这样既紧凑了机床结构， 又在 Y 轴移动不超过一定距离时， 可以不加扩束镜， 从而降低了设备成本。 另外， 龙 门式布局便于集中抽风 、 落料和整体防护 。 激 光 切 割 时， 工件发生热变形， 特别是大型工件和薄板件很难保 证使焦点位置维持恒定， 因此， 必须有专用非接触高度 检测传感器与信号处理电路、 控制电路和驱动装置组成 的激光焦点自动跟踪系统来控制其高度， 从而获得良好 割缝质量， 其机床设计结构如图 4 所示。 以上充分利用177数控机床世界激光切割具有无切削力的特点， 在机床的传动、 精度保证 、 总体布局等方面 进行了优化 ， 并对机床的高 速 运在数万伏的高压， 因此使用时必须注意安全。激光对人体的危害1由于 激 光 的 高 能 量 ， 当长时 间照射视网膜时会使 其加 热 变 形 ， 严 重 时 会 导 致人 眼 致 盲 ， 而 在 加 工 高 反 射率 的 材 料 时 ， 漫 反 射 光 会使眼睛受慢性伤害 ， 引 起 视 力 下 降 。 其 次 ， 如果皮肤 受聚焦激光的直接照射 ， 会导 致 皮 肤 割 裂 、 灼 伤 ， 引 起 皮 肤 老 化 ， 产 生 炎 症 和 皮肤 癌 等 。 此 外 ， 在 加 工 某 些 材 料 时 ， 因 受 高 强 度 激 光 照射 而 蒸 发 ， 产 生 有 毒 的 烟尘 ， 这些对人体都具有 危害。32 激光切割的安全防护激光器设备可靠接地， 维修门应有连锁装置， 电容 器组有放电措施。 激光的光路系统应尽可能全部封闭 ， 且放置在较高的位置， 外光路系统用金属管封闭传递 。 工作台应采用玻 璃等防护装置 ， 激 光 加 工 场 地 设 有 栅 栏、 隔墙和屏风等。工作人员必须佩戴防护眼镜， 其滤光镜要根据不同 的激光波长选用， 而且尽量穿白色的工作服， 以减少激 光漫 反 射 的 影 响 。 激 光 加 工区 应 设置有通风或排 风 装 置， 做到室内空气流畅， 不要存放易爆、 易燃物品， 激 光加工室应放置灭火器材 ， 防 止 在切割过程中火 灾 发 生时的紧急处理 ， 在 切割 过 程 上 要 及 时 清 理 易 燃 的 切 割渣等。31行、 聚焦系统的轻便化等关键技术进行了深入研究，机床性能的进一步提高打下了基础。为2 光机联动激光切割机关键技术21 聚焦问题和聚焦透镜的选择在激光切割机中， 聚焦镜是决定切割质量的关键因 素之一。 由于激光器输出激光波长一定， 高功率激光透 射时需要严格控制透镜材料的均匀性、 低吸收性、 高导 热性和高机械强度， 并且要求高品质的抛光表面和高水 平的光学镀膜技术。 这里选用平凸镜， 因为它是理想的 激光热处理焊接切割镜片， 不涉及成像的品质。22 高度控制以上光机联动机床高度控制系统采用非接触式电容 传感器， 切割喷嘴与加工金属工件之间保持一个恒定的 高度， 避免了因接触而导致探爪磨损。23 辅助气体及喷嘴设计一般情况下， 切割加工都需要使用辅助气体。 对于 部分金属材料和非金属材料， 所使用压缩空气或惰性气 体 ， 而切割大多数金 属材料所使用活 性 气 体 主要 是 氧 气， 且氧气纯度不同切割质量不同。 在确定辅助气体的 前 提 下 ， 注意调节气体压力大小 ， 当 高 速 切 割 薄 材 料 时， 需要较高的气体压力以防止切口背面粘渣； 当材料 厚度增加或切割速度较慢时， 则气体压力宜适当降低。 由于喷嘴用紫铜制造， 且容易损坏需经常更换6。24 导光系统以上 激 光切割机的光传 递 系统主要由反射式扩束 镜、 圆偏振镜片、 折反射镜片及聚焦镜片等组成。 通过 这些镜片， 将激光束从激光器传导至切割头， 经聚焦后 在切割喷嘴处与切割辅助气体同时输出。 由于透镜吸收 光在传递过程中损失的能量发生热变形， 造成光束焦点 位置改变从而影响切割效果。 为了降低镜片的热变形， 反射镜片必须用无氧铜镀金镜片， 将冷却水直接注人镜 片内进行冷却。 还可利用光纤传导激光， 在使用时须考 虑到光纤的传导功率。4 结束语激光 切 割技术给传统的 金 属切割工艺带来了冲击 性 影 响 ， 尤其在精密加 工工业领 域 。 如果光机联动数 控激光切割机床配备 了板厚检测和切割 质 量 实时 监 控 系 统, 就可以实现 对厚度变化的工件进行 自 动化 切 割 ， 且工作空间大、 加工产品精度高、 制造成本低等， 此外 只要改变参数可以用于 激光焊接和 打 孔 ， 来 现 实 一 机 多用功能。参考文献：1 张永康.激光加工技术M.北京:化学工业出版社，2004.2 李 相 银. 激光原理技术及应用 M. 哈尔滨工业大学出版社 ,2004.3 徐红丽，王霄，蔡兰.新型激光切割并联机床的研究J.煤矿机械，2008，10.4 陈新松，游兴元.数控激光切割机控制系统研究J.激光加工技术，2004，5.5 宋清龙. 三