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數控（kòng）激光切割機床開發及其關鍵技術分析

2016-12-30 來源：佛山市精達信五金電器有限公司作者：文彥

摘要：近年來，我國工業技術不斷發展，切割技（jì）術已經有了很大的（de）改進，現代的激（jī）光（guāng）切割技術是熱切割技術發展（zhǎn）的一大熱點（diǎn），與傳統的熱切（qiē）割技術相（xiàng）比較而言，激（jī）光切割技（jì）術具備精度高、效率高以及低汙染等優勢，而（ér）要想將激光切割（gē）技術實現國產化，需要不斷（duàn）研究（jiū）其數控機床以（yǐ）及數控（kòng）技術來滿足發展的需求，文章對開發數控激（jī）光切割機床以（yǐ）及數控技（jì）術做了簡單論述（shù）。

關鍵詞：主動波浪補償；二次液壓控製；信號檢測；控製算法

激光技術主要是將激光束進行聚焦，再聚焦後形成功率較高的密度光斑，並（bìng）將需（xū）要（yào）被切割的材（cái）料快速的（de）加熱，直到達到（dào）汽化的溫度，在經過蒸發後形成氣孔，利用（yòng）激光光束和材料之間的相對移動，進行窄縫切割的連續切割。利用激光技術（shù）進行切割，可以對一些（xiē）影響因素進行調（diào）節，包括激光（guāng）的功率，激光切割的速度、氣壓以及光路係統。

1.激光切（qiē）割機床中數控係統的嵌入

嵌入式係統也就是計算機係統，利用計算機軟件運（yùn）行作（zuò）為核（hé）心內容，由其軟件與硬件（jiàn）控製裁剪，其適用（yòng）與不同係統根據不同版（bǎn）本的係統的具體功用，做出與不同要求（qiú）相適應的專（zhuān）用係統。其主要的結構有：嵌入式處理器和外圍設備、操作係統、應用軟件。數（shù）控激光設備（bèi）是利用計算機運行技術（shù），將嵌入式係統（tǒng）融入，這種方式被叫做嵌入式數控係統，該係統（tǒng）可以改變結構對象，根據（jù）使用者的需求增設或減（jiǎn）少，實現各種層（céng）次的數控係統，這種係統可以提高係統的（de）整體性能與可（kě）靠性，在一定程度（dù）上可以減少係統（tǒng）運行的成本，不斷（duàn）增大其做功（gōng）率（lǜ），提高數（shù）控激光切割機床的競（jìng）爭力。

2.數控激光切割機床

2.1 光機聯動切割（gē）機床

激（jī）光切割設備主要包括：激光（guāng）器、聚焦係統（tǒng）與光（guāng）束傳（chuán）輸、電源（yuán）和控製（zhì）裝置、工作台、氣（qì）源與水（shuǐ）源、割櫃和操作（zuò）麵以及數控裝置。其中激光（guāng）器主（zhǔ）要是提供激光切割（gē）設備加（jiā）工（gōng）中需（xū）要的光能，滿足（zú）設備加工需要的穩定性與可靠性，保證設備的穩定運行（háng），根據（jù）設備加工的要（yào）求來調節合適的輸出（chū）功率。其中光束傳輸（shū）與聚焦係統，主要是將激（jī）光束聚焦在加工工件（jiàn）上，其中小功率係（xì）統需（xū）要采用透鏡聚（jù）焦，大功率係統使用（yòng）反射聚焦（jiāo）鏡來聚焦。部分設備利用光纖來傳導，利用（yòng）光纖導光係統（tǒng）的柔性、易配合性（xìng）、功率密度性好等優（yōu）勢（shì）進行光束的聚焦。

其中工作台（tái）中安裝伺服電機驅動，可以實現定位並切割加工工件，但是在使用工作台時（shí），需要保（bǎo）持其台麵的整（zhěng）潔幹淨，保證其運動的精度，工作台麵材料（liào）需要選擇硬度較高的不容易被破壞（huài）的。控製裝置是用來顯示實時參數的，起到（dào）控（kòng）製、保護、警報等作用，為了提高激光器（qì）的穩定運行能力，需要采用響應較快的，穩（wěn）定性能較高的控製電源。

數控（kòng）裝置是按照指定的代碼與程序格式來編寫加工程序單，其中包括工藝路線和參數、光（guāng）斑運動軌跡和直徑（jìng）、切削參數（shù）與輔助功能，將程（chéng）序單的相關（guān）內容統一的輸入（rù）到計算（suàn）機係統中，用軟件（jiàn）來控製並（bìng）指（zhǐ）揮（huī）機床來加（jiā）工零部件。在激光切（qiē）割的過程中，利用（yòng）惰（duò）性氣體（tǐ）的特性來（lái）保護切割縫不受（shòu）氧化，同時氣源可以防止聚焦透鏡受到（dào）金屬蒸汽（qì）的汙染或者液體溶滴（dī）濺射，主要起到屏蔽的作用。而水源可以降低加工（gōng）係統的整體溫度。

2.2 龍門（mén）式聯動切割（gē）機床

龍門式光機聯動激光切割機床是融激光器和機床以及數（shù）控係統為一體，這（zhè）種數控激光（guāng）切割機床設備整體性能好，並（bìng）且占用的空間麵（miàn）積小，設備的成本低、適應性強，被廣泛的應用在工業生產中。就激光和機床分（fèn）離設備（bèi）來說，其工件和光束的相對移動可以采取的方式有兩種，一種（zhǒng）是保持工作台不同而光束移動的方式，一種（zhǒng）是工作台移動而光束固定不動。

根據光束與設備相對移動的特點，采用光機聯動方式時，需要把機床設計為龍門式（shì）的結構，如圖1所示，主要由激光器與移動Y軸共（gòng）同構成切割機床橫梁部分，光束在沿著Y軸（zhóu）進行短程運動時，工件需要沿著X軸進行（háng）長方向運動，這樣的構成方式可以使機床結構更加緊湊，當Y軸在一（yī）定範圍（wéi）內進（jìn）行（háng）移動時，不需要加（jiā）擴束鏡，這樣可以有效的降低設（shè）備使（shǐ）用成本。

圖1 龍門式切數控切割（gē）係統圖

龍（lóng）門式機床結構布局可以（yǐ）做好整體的防護工作、集中抽風與落（luò）料，在進行工件的切割時，工件會受熱變形，在加工大型工件（jiàn）與薄板件時，由於其焦點位置很難一直不變，由此必須（xū）用檢測傳感器與信號處理器以及控製電器、驅動裝置一同組成焦點自動化追蹤係統，嚴格的（de）控製機床（chuáng）的高度，以獲得較好的割縫質量，其主要是利用激光切割的無切削力等優勢，優（yōu）化了機（jī）床的整體布局，同時（shí）深入的研究了機床高速運行（háng）與光束聚焦係統等一係列的關鍵技術，為提高（gāo）機床的整體性能奠定了（le）良（liáng）好的基礎。

3.激光切割的關鍵技術

3.1 光束聚焦問題

在使用數控激光切割機時，選擇的凹（āo）聚焦鏡直接（jiē）影（yǐng）響著其切割的質量，根據激光器波長的輸出長度一定（dìng），而高功率的激光在透視時，要保證透鏡材料均勻、吸收性低、導熱性高（gāo）、機械強度高等品質，要利用拋光表麵與高水平光學鍍膜技術等，使用平凸鏡作（zuò）為熱處理焊接需要的切（qiē）割鏡片，平凸鏡不影響成（chéng）像的品（pǐn）質。同時光機聯動式機（jī）床的高度控製係統（tǒng），需要采用（yòng）非接觸式的電容傳感（gǎn）器，保持切（qiē）割噴嘴和加工金屬件在特定的高度，防止由於接觸產生探爪磨損（sǔn）。

3.2 氣體與噴嘴（zuǐ）設計

通常情況下數控激光切割（gē）技術都需要采用輔助氣體，一些金屬材料或者非金屬材料，需要采用壓縮空（kōng）氣或者惰性氣體，而大部分的（de）金屬材料，需要用活性氣體即氧氣，調節氧氣（qì）的純度（dù）來控製切割的質（zhì）量。在選（xuǎn）擇並確定使用何種輔助氣體為前提，要調節好氣體壓力（lì）的大小，若在（zài）進（jìn）行薄材料（liào）的高速切割時，需要將氣體的壓力調高，防止切割口的背麵出現粘渣現象，若切（qiē）割的材料的厚度增加或（huò）者（zhě）切割的速度比較慢時，需要將氣（qì）壓適（shì）當的（de）降低，其噴嘴在使用的過程（chéng）中容易損壞，所以需要定期檢查並更換。

3.3 導光係統與切割速度

數控激光（guāng）切割機導（dǎo）光係統主要包括反射式的擴束鏡、折反射鏡片（piàn）和圓偏（piān）振鏡片以及聚（jù）焦鏡片（piàn）等，光束利用這些鏡片從激光器中被傳導到切割（gē）頭，最後進行聚焦並在噴嘴處和切割輔助氣體一（yī）同輸出，但需要注意的是：由於透鏡在吸收（shōu）傳遞光（guāng）束的過程中，會出現能量損失導致變形的情況，最終會造成光束的焦點位（wèi）置被改變，而影響到切割的效（xiào）果（guǒ），由（yóu）此需要選（xuǎn）擇無氧銅鍍金鏡（jìng）片，在鏡片內直接注入冷卻（què）水，保證切割的質量。除此之外在使用光纖進行激光的（de）傳導時，需要充分考慮光纖傳導功率的大小（xiǎo）.

數控切割（gē）技術的使用過程（chéng）中，需要嚴格控製（zhì）切割的速度，需要利用能（néng）量平衡或者熱傳導（dǎo）的公式來估算其最大的切割速（sù）度，而且切割（gē）的速度還與光束的（de）有效功率（lǜ）的密度、激（jī）光光束的模式（shì）、激（jī）光光斑的尺寸、被切割材料的密度、汽化需要（yào）的（de）能量等因素有關，由此需要經過（guò）實踐效果的（de）最佳效果來確（què）定（dìng）切割的速度。

3.4 光路補償措施

光束發散（sàn）性的特性和光束偏振的（de）特性是在設（shè）計光路係統時主要考慮的兩個方麵，其光束的補償措施主要有（yǒu）擴束鏡、平片VRM（變曲率半徑鏡）、恒定光程係統。其中擴束鏡是由凸（tū）、凹透鏡一同組成，是一（yī）種光學係統，可以改變光束大小同時還可（kě）以改變光束（shù）發散特性。其工作的原理是下擴（kuò）束光束再聚焦光束，以（yǐ）得到最小的焦點，將光（guāng）束的直徑有效的控製在（zài）合理的切割範圍（wéi）內，提高切縫同（tóng）板（bǎn）材的垂直精度（dù），裝置辦法，如圖2所示。

圖2 擴束鏡的安裝示意圖

其中VRM係統的主要運（yùn）行原理：調整變量（liàng）泵輸出（chū）的流量控（kòng）製VRM鏡片中水槽的水壓，達（dá）到改變透鏡曲率半徑的作用（yòng），其可以改變光路長度的同時調整光束特征參數，保持焦點半徑與焦點深度穩定性。VRM係統的構成比較複雜，成本比較高並且需要用（yòng）閉環進行控製（zhì），這一係統在國外的一些技術先進的產品（pǐn）中會使用這種光路補償辦法，但是在我國國內由於數（shù）控激光切割機（jī）床的整體技術水平還不夠完（wán）善，由此（cǐ）很難達到預計的使用效果。

恒定光程係統（tǒng）指的是恒定激（jī）光（guāng）器與加工版麵光束的傳輸距離，其恒定方案主要（yào）包括：一種是單獨用一台伺服電機來控製光學鏡片，取得最終的（de）恒定光路的（de）長度，這種（zhǒng）方案可以有效的調節光路的長度，並滿足光程長（zhǎng）度不同的（de）加工（gōng）需求。另一中是利用光學鏡片（piàn）與導光壁（bì）確定光（guāng）路的恒（héng）定長度，此方案（àn）調節光路比較簡單。

4.結語

數控激光切割技術正在不斷地完善，其使用的成（chéng）本得到了有效的降低，而設備的工作（zuò）效率卻在不斷提升，但是我國的（de）數控激光切割技術在一定程（chéng）度（dù）上，還沒有滿足（zú）工業發展（zhǎn）的需求，而我國正在（zài）不斷嚐（cháng）試研發功能齊全的數控切割設備，來促進製造業的發展，文中針（zhēn）對數控切割機（jī）床以及其關鍵技（jì）術（shù）等方麵（miàn）做了簡單的闡述，意在（zài）為（wéi）提高我國激光切割技術水平提供可參考的建議。

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