許雙龍 金嘉琦

摘要：在激光應用領(lǐng)域，激光切割進行著飛速的發(fā)展。本文對激光切割的原理以及特點進行簡單介紹，并對復雜曲面激光切割成套設備的末端執(zhí)行系統(tǒng)，運動執(zhí)行系統(tǒng)，激光器以及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能等方面進行分析與說明。

關(guān)鍵詞：激光切割；復雜曲面；成套設備

一、激光切割的原理以及相應特點

激光是上世紀繼原子能和計算機之后的又一項重大高新技術(shù)，是原子核外電子受激輻射經(jīng)光放大而形成的光輻射，具有單色性、相干性、方向性和高光強等特點。激光切割是激光加工中應用最早、使用最多的加工方法。近二十年來，隨著科技的進步，激光切割技術(shù)的各個環(huán)節(jié)得到了長足的發(fā)展[1，2]，是各種加工手段中增長速度最快、也是最有競爭力的新興產(chǎn)業(yè)。在如今大力發(fā)展的航空母艦、載人航天、汽車加工等方面都有著不可或缺的重要性和廣泛應用。

（一）原理

激光切割技術(shù)是利用高能量密度激光束的加熱作用，通過氧化等反應過程，使材料表面迅速加熱到熔點或沸點，再隨著氣化物和高壓輔助氣體（如氧氣、空氣或氮氣等惰性氣體）的壓力下將待加工材料形成縫隙，進而達到切割的效果。

（二）特點

激光切割是當前世界上最為先進的切割工藝手段之一，它相比于其他切割工藝來說，擁有著切縫窄，速度快，能量集中，工件變形小，切割質(zhì)量高，可控性好等優(yōu)點。在無接觸切割領(lǐng)域有著非常強的實用性和靈活性。

二、復雜曲面激光切割成套設備

激光切割成套設備主要包括以下幾個部分，末端執(zhí)行器，激光系統(tǒng)，運動執(zhí)行機構(gòu)，控制系統(tǒng)幾大部分。

（一）末端執(zhí)行系統(tǒng)

末端執(zhí)行器主要是由激光切割頭以及相關(guān)掃描傳感器和同軸顯微鏡組成。切割頭包括防碰撞機械臂和切割頭組成；并用防碰撞的光纖拖鏈連接。在防碰撞臂上還安裝著同軸CCD顯微鏡，它可以在線掃描測量以及追蹤功能，將掃描的結(jié)果上傳至控制系統(tǒng)進行處理。此外末端執(zhí)行器還需要非常精密的對焦系統(tǒng)，通過調(diào)整工件與切割頭噴嘴的距離等參數(shù)來控制切割路徑和準度。

作為切割執(zhí)行系統(tǒng)中最影響加工的對焦系統(tǒng)，它是由噴嘴，輔助氣體以及透鏡所組成的，并有零對焦，正對焦和負對焦三種方式。零對焦是指焦點在工件表面，焦點在工件表面，切割相對比較光滑，一般適用于5mm以下的薄碳鋼。負焦距焦點在工件表面下，一般切割鋁材不銹鋼等工件。平滑面范圍較大，切割幅度較寬，切割氣體流量較大，穿孔的時間較長。正焦距是焦點在工件表面上，一般切割厚鋼材時采用。由于厚鋼板比較難切斷，切斷時的氧化作用必須從上面到底面。因此切幅也是三者最寬的，最粗糙的。

噴嘴的作用是控制噴射的形狀，提高切割表面質(zhì)量，易于清除殘渣等粘貼物。同時也為了防止熔渣等雜物反彈至激光切割頭，造成設備的損壞污染透鏡噴嘴的孔徑、高度、形狀、同軸度也會影響切割表面的質(zhì)量。

切割輔助氣體，一般使用氧氣切割普通碳鋼，低壓打孔高壓切割。一般用空氣切割非金屬，高低壓可一樣。氣體純度越高，切割質(zhì)量也就越好。氣體有助于助燃和散熱，吹掉熔渣，保證切割表面質(zhì)量，如果氣壓不足時，將形成熔渣減少切割速度，氣壓過大則會導致切割表面質(zhì)量較差粗糙。

下圖為激光切割頭示意圖：

（二）運動執(zhí)行系統(tǒng)

運動執(zhí)行機構(gòu)主要由2個轉(zhuǎn)動軸的機械臂，x、y、z三軸機械手以及旋轉(zhuǎn)工作臺和相對應的工件夾具組成。這些運動機構(gòu)可以對復雜的待加工件進行理想化的加工。共有5個自由度，也可通過AGV小車實現(xiàn)6自由度加工。該運動系統(tǒng)可以自由根據(jù)工件曲線進行加工并附有自動檢測最終功能。在檢測工件的同時實時上傳，并反饋到控制系統(tǒng)。在固定夾緊工件方面。本套設備主要采用球鎖快速裝夾和T型槽結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同工件需求，可以切換不同的回轉(zhuǎn)臺進行轉(zhuǎn)換，并通過定位銷，使工裝與工作轉(zhuǎn)臺固定。

（三）激光系統(tǒng)

激光系統(tǒng)主要包括能量源，激光器以及水冷機。激光器分為氣體、固體、和光纖激光器。相比氣體和固體激光器，作為第三代激光技術(shù)的代表，它有著散熱快，損耗低，熱轉(zhuǎn)化效率高（遠高于二氧化碳激光器），易于調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性高，可以在惡劣環(huán)境下高效工作等特點。在低于5mm的板材切割有著不可比擬的優(yōu)勢。

本套設備主要采用IPG光纖激光器，可以進行連續(xù)或脈沖信號發(fā)送。光纖激光器是由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三個基本要素組成。光纖激光器用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適當加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出，并隨著光纖放大器的增強。最大脈沖能量可達150J，脈沖寬度在0.2ms10ms之間，脈沖頻率范圍在1Hz2000Hz之間。在水冷方面，保證工作環(huán)境溫度：5℃至45℃間即可。水溫可自動加熱補償，離子吸附功能， 并且具有對水溫，流量，冷卻方面進行實時監(jiān)控與報警功能。

（四）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要分為在線測量與路徑規(guī)劃以及集成控制這幾個模塊。

通過輪廓測量儀進行在線測量與路徑規(guī)劃。首先構(gòu)建理論數(shù)模，再對切割路徑進行規(guī)劃和位移指令，這樣可獲得與實際工件誤差很小的建模。測量傳感器器和測量儀在高速測量的同時，每秒輸出64000個輪廓數(shù)據(jù)，并可自動位移補正。建立的三維建模通過以太網(wǎng)與工控機連接，高速傳輸數(shù)據(jù)上傳至集成系統(tǒng)。在線測量系統(tǒng)分別從兩個掃描方向根據(jù)數(shù)模自動生成測量路徑。利用計算機圖形學、微分幾何學相關(guān)理論，由點到曲線的方式，導入數(shù)模中的邊作為切割路徑，支持編輯路徑起點、路徑方向、安全起落方向等。根據(jù)數(shù)模上的加工路線和安全方向設置生成加工路徑。

集成控制系統(tǒng)包含激光切割工藝數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中對材質(zhì)，板材厚度，焦距，位置，功率，切割速度，輔助氣體，噴嘴直徑，噴嘴高度等加工工藝數(shù)據(jù)進行分析，可隨時進行歷史查詢及數(shù)據(jù)分析。集成系統(tǒng)通過在線測量進行切割路徑規(guī)劃，再根據(jù)加工工藝參數(shù)，進行生成加工文件，再上傳到西門子840Dsl處理，最后反饋到集成系統(tǒng)中達到工件相關(guān)運動和激光切割補償?shù)炔僮鳌２捎肎語言進行數(shù)控編程，進行位置指令、設備控制指令、工藝參數(shù)設定指令等。測量和加工過程運行之前，首先通過離線仿真系統(tǒng)模擬運行，對可能出現(xiàn)的干涉情況進行排除。在線仿真測量和加工過程運行時，監(jiān)測設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過3D仿真顯示運動機構(gòu)運行狀態(tài)。本套設備集成控制系統(tǒng)采用C++/C#語言開發(fā)的應用程序，C/S架構(gòu)，可以運行在Windows系統(tǒng)中。與西門子840Dsl通信采用libnodava或OPC通信，連接方式都為RJ45。840Dsl直接與激光器和激光頭連接，安全控制都由840Dsl直接控制。數(shù)據(jù)庫與測量末端等設備通信采用廠商提供的軟件DLL接口，采取二次開發(fā)把對應功能集成到最終的集成系統(tǒng)中。

此外控制系統(tǒng)還需要對加工煙霧等有害顆粒進行回收，即吸煙凈化系統(tǒng)，該部分采用分體模塊組合形式，根據(jù)現(xiàn)場空間布置，布置靈活，空間利用率高。 通過配置風壓傳感器，系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動變頻，起到節(jié)約能耗及延長濾筒使用壽命的作用。

三、結(jié)語

本套復雜曲面激光切割成套設備，主要針對薄板鋼材進行加工，可根據(jù)在線測量以及高自由度機械手進行復雜曲面的加工，相比其他激光切割設備，它擁有著對于復雜曲面更好地切割質(zhì)量，更全面更高效的集成系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng)，同時更為環(huán)保，安全，節(jié)能等優(yōu)勢。在未來的機械制造行業(yè)中有著非常強的應用前景。

參考文獻：

[1]王家金.激光加工技術(shù).北京：中國計量出版社，1992.

[2]李力鈞.現(xiàn)代激光加工及其裝備.北京：北京理工大學出版社，1993.

作者簡介：許雙龍（1993），漢族，沈陽工業(yè)大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向：機械制造及其自動化和車輛工程。