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三維五軸光纖激光切割（gē）機技術剖析

2019-11-8 來源：- 作者：-

三維五軸光纖激光切割機床被視為高功率激光加工設備皇冠上的明珠，其主要（yào）應用於三維異形曲麵（miàn）的切孔和（hé）修邊，用於代替衝孔模和修邊模。早期，國內采用手工等（děng）離子切割三維工件，切割（gē）效（xiào）果不理想。近幾年國內開發了機器人三維激光（guāng）切割機，切割效果有一定的提升，但是受製於機器人的精度不高，切割精度不高，隻是在一（yī）些要求不高（gāo）的行業得到了一些應用。而（ér）在汽車衝（chōng）壓模具行業中試模，對切割精度要求較高，三（sān）維（wéi）五軸光纖激光切割（gē）機床因其生產效率（lǜ）高、性能穩定等特點受到歡迎，但主要市場被國外設備所壟斷，如德國Trumpf（通快）、意大利Prima（普瑞瑪）、日本NTC、Mitsubishi（三菱）等公（gōng）司。三維五軸光纖激光切割機產品圖如圖1所（suǒ）示。

圖1 三（sān）維五軸（zhóu）光纖激光切割機產品

一、技術發展背景

三維五（wǔ）軸光纖激光切割機是集（jí）光、機、電、氣一體化的（de）高端機床裝備，應用於汽車行業、模具行業（yè）、軍工及航空航天行業、家用電器行業以及異型管材類切割（gē），主要適用於曲麵薄板（bǎn）類的金屬切（qiē）割。

三維五（wǔ）軸激光切割技（jì）術在（zài）90年代就已（yǐ）經開（kāi）始研製，研製及生產（chǎn）廠家僅有德國（guó）Trumpf、意大利Prima兩家，市場基本上被這（zhè）兩家（jiā）壟斷。在2008年後，日本NTC、Mitsubishi研製開發了低加速度、低速度、高精度的工作台移動式的三維五軸CO2激光切割機。但一直以來，三維五軸激光切（qiē）割機主要用於研發及小批量試製，對衝壓成形的三維零件進行修邊、切孔，取代傳統的修邊模和衝孔模，縮（suō）短新產（chǎn）品研發周期，降低製造成本，所以每年的市場銷量較少。在中國市場，一般一年的市場需求量在30-40台（tái）左右。

但是由於汽（qì）車熱成形技術的出現及應用，改變了市場需求量（liàng）少的狀況，一條汽車熱成形（xíng）生（shēng）產線一般配備4-5台三維五軸激光切割機，市場需求呈爆炸式發展。截止目前，全球有近450條汽車熱（rè）成形生產線，跟隨配套生產的三維五軸（zhóu）激光切割機約有2000台套。國內有近170條熱成形生產線，跟（gēn）隨配套生產的三維五軸激光切割機約（yuē）有700台套。

鋼板熱成形技術是指將鋼板經過950℃的高溫加熱之後一次成（chéng）形，又迅速冷卻，從而全麵（miàn）提升鋼板強度（dù），屈服強度達1000Mpa以（yǐ）上，用在車身上（shàng）後，車重（chóng）沒有增加，但承受力提高了30%，安全性能顯著提高。由於鋼板強度太高，傳統（tǒng）的修邊模和衝孔模因（yīn）鋼板高強度問題無法進行修邊（biān）和衝孔，隻能使用激光進行生產，從而（ér）使三維五軸激（jī）光切割產（chǎn）品進入汽（qì）車批量生（shēng）產線，成為不可替代的生產工藝及工序。

普通鋼板的屈服強度（dù）在140Mpa，適用於旅遊觀光車、纜車；高強度鋼板（bǎn）的屈服強度在180-240Mpa，適用於卡車、叉車、客車、挖機、農機等；高強度（dù）鋼板的屈（qū）服（fú）強度（dù）在（zài）260-320Mpa，適（shì）用於經濟型轎車，經濟型SUV車；超強度鋼板（bǎn）的屈服強（qiáng）度在340-700Mpa，適用於高端型轎車，高端型SUV車；而熱成形鋼板的屈服強度超過1000Mpa以（yǐ）上，一般熱成形（xíng）鋼板的（de）屈服強度在1500Mpa左右。目前，材料廠家正（zhèng）在研製熱成（chéng）形鋼板的屈服強度在2000Mpa左右，越來越（yuè）超高強度鋼（gāng）板被汽車行業廣泛（fàn）應用，這使得（dé）三維五軸激光切割機產（chǎn）品越來越得到更多的應（yīng）用。

二（èr）、技術發展現狀

目前，生產三維五軸激光（guāng）切割機主（zhǔ）要廠家有德國Trumpf，意大利Prima，日本NTC、Mitsubishi，中國大族激光、華工。Trumpf、Prima由於生產較早（zǎo），產品成熟，性能穩定，市場客戶認可度極高。日本NTC、Mitsubishi 兩家公司隻生產低速度、低加（jiā）速（sù）度的三維五軸CO2激光切割機，其生產效率較低，能耗較高（CO2激光器相比光纖激光器能耗非常高），無法滿（mǎn）足汽車熱成形生產線生產效率的要求。大族激光攻破關鍵技術，掌握核心技術，既生產（chǎn）低速度、高精度的三維五軸光纖（xiān）激光切割機，又生產高速度、高精（jīng）度的三維五軸光纖激光切割機，技術緊跟Trumpf、Prima，成為目前（qián）市場（chǎng）上三維五軸光纖激光切割性價比很高的產品（pǐn），解（jiě）決了三維五軸光纖激光切割（gē）機關鍵核（hé）心技術：

1．機床結構（gòu）優化設（shè）計及動態（tài）設計

對整機結構進行CAE有限元分析，結合動、靜態剛度（dù），靜態（tài）強度，熱特性進行分析，得到整機最（zuì）佳的剛度場（chǎng）與溫度場，經過反複測試及驗證，進行設計改進，分析理論值與實際測試值數據的差異化的（de）因素，當（dāng）理論值與實際測試值數據基本吻合，最終獲得整（zhěng）機既經濟又輕量的結構（gòu）設計（jì）。機床結構優化設計及動態（tài）設計方（fāng）框圖與機床結構圖如圖2所（suǒ）示。

圖2 機床結構（gòu）優化（huà）設計及動（dòng）態設（shè）計方框（kuàng）圖與機床結構圖

2．提高動態（tài）性能和穩定性

對高速度、大慣量、大尺寸的部件進行CAE有限元模態分析，對結合麵阻尼、局部剛度、質量分布進行分析（xī），采取隔振、減振、抑振措施，對結構進行設計改進及優化，經過反複測試驗證，獲取動態性能和穩定性良好的移動部件，確保產品的動態性能與穩定性。提高動態性能（néng）和穩定性方框（kuàng）圖與模態分析圖分別如圖3 、圖4所示。

圖3 提高動態性和穩定（dìng）性方框圖與模態分析圖

圖4模態分析數據圖

3．提高高速度、高精度定位

對電機及伺服進給驅動係統進行測（cè）試及有限元（yuán）分（fèn）析，結合定位精度、響應（yīng）速度、熱特性、電機（jī）剛性進行分析及優化，並跟蹤特性分析，對數控係統多（duō）軸聯動進行誤差補償，獲得高速度，高精度定位。伺服驅動係統分析方框圖如圖5所（suǒ）示。

圖5伺服（fú）驅動係統分析方框圖

4．解決無限旋轉三維切割頭核（hé）心（xīn）技術

精密的（de）光學計算，製定係統幾何（hé）的空間算法，研製360°無線旋轉三維切（qiē）割頭，自主創新，擁有核（hé）心技術，是繼德國Trumpf、意大利Prima、德國LT後，第四家能夠（gòu）生產360°無線旋轉三維切割頭的廠家，打破了國外技術壟斷。360°無線旋轉三維五軸切割頭如圖（tú）6所（suǒ）示。

圖6 360°無線旋轉三維五軸切割頭

對三維五軸切割頭產品，解決如下關鍵及核（hé）心技術：

（1）三維五軸無限旋轉切割頭水、氣、光通路的密（mì）封

三維五軸切割頭加工時運動軌跡較（jiào）為複雜，通過C軸（無限旋轉）機械傳動部分傳輸的管道有光路、水路、氣路、電信（xìn）號通路。由於C軸為無限（xiàn）旋轉結構，上述通道無法采（cǎi）用管道（dào）式的結構，需設計特定的旋轉式通道結（jié）構傳輸。隨之而來的問題就是要解決運動通道水（shuǐ）、氣、光的動密封性。為突破此重大障礙，在多種備選（xuǎn）設計方案（àn）中選擇水、氣、光、電各通道獨立傳輸的旋轉機械（xiè）結構；針對C軸各旋轉傳輸通路對密封元件技（jì）術（shù）要求（qiú），開發以新型材（cái）料為基礎設計的旋轉通道密封元件，元件設計充分地考慮了耐磨性、密封性（xìng）和元件與管道動摩擦力等綜合因素的平（píng）衡；結合理論與經（jīng）驗的指導適當調整密封（fēng）元件與被密封通（tōng）路的公差配合，成功地實現集成多個密封傳輸通道的高速無限旋轉C軸部件。經過大量實驗驗證自主研發的高速旋轉密封元件性能已達到國外同類產品水平。

（2）三維切割頭高速旋轉下（xià）電信號抗幹擾屏蔽技術（shù）

采用傳（chuán）統的線纜在旋轉軸（zhóu）中傳輸電（diàn）信號會因軸的旋轉將線纜纏繞（rào）甚至拉扯斷裂，多路電信號同時在間距較小的空間（jiān）內傳輸也會有信號互相串擾的（de）風（fēng）險。為了避免此類問題並保證多路電信號的抗電磁幹擾傳輸，根據多路電信號通路的技術規（guī）格，首創的獨特電滑環結構設計，突破多路（lù）電信號在高速旋轉軸上的抗（kàng）幹擾傳輸（shū）。

5．在線修改軟件技術

大族自行開發的HANS 3DEDIT在線修改程序軟（ruǎn）件，修改程序尺寸更加方便、快捷，換件速度快，提高（gāo）了生產效率，節約了生產成本。在線修改軟件如圖7所示。

圖7 在線修改軟件

6．基於具備RTCP功能數控三維五軸光纖切割（gē）係統集成應用技（jì）術研究

（1）研究三維（wéi）五軸光纖激光（guāng）切割裝備硬件集成係（xì）統結（jié）構，分析具備（bèi）RTCP功（gōng）能數控係（xì）統的軟硬件（jiàn）接口，設計三維五軸光纖激光切割中各加工部件的係統集（jí）成控製方案。

（2）研究RTCP功能數據。三維（wéi）五軸光纖激（jī）光切割（gē）係統由三大功能塊組（zǔ）成，分別是加工控製模塊、離線編程模（mó）塊以及激光切（qiē）割工（gōng）藝數據庫。結合加工裝備的硬件集成（chéng），麵向三維五軸光纖激（jī）光切割工藝的軟件二次開發（fā），給予（yǔ）PC工控平台設計數控係統控製類函數，開發三維五軸光纖激光切割控製應用程序接口，實現三維五軸光纖激光切割機床運動控製以及工藝調節等功能。

（3）基於三維空間映（yìng）射（shè）對三維五軸激光加工機床進行運動學（xué）分析，同時設計切割頭運動仿真。

（4）開發基於HMI的PC平台的數據庫，並結合功能需求利用SQL進行數據庫的（de）具體功能設計，實現（xiàn）數據庫的（de）修改、添加、查詢、瀏（liú）覽以及刪除等功（gōng）能。

7．三維複雜曲麵激光切割工藝的研究

（1）分析外（wài）光路模式，對光路進行整形補償（cháng），確保最佳切割光束模式，開發三維五（wǔ）軸激（jī）光（guāng）切割專用工藝控製軟件。

（2）研發快速穿孔（kǒng）、切割狀態控製反饋技術，同時開發碳鋼厚板尖角切割、厚板極限（xiàn）切割（gē）小孔、高功率光纖（xiān）氮氣切（qiē）割中薄板碳鋼工藝方法、複雜圖形及圖片處理與應用等工藝方法，攻克複雜圖形及小輪廓加工的工藝技術（shù）難題。

（3）研究激光切割控製方法（fǎ）、激光切（qiē）割速度控製方法、轉角的激光切（qiē）割方法。對（duì）三維（wéi）覆蓋件誤差補償、三維（wéi）覆蓋件拐角切（qiē）割質量控製和（hé）平板上尖角切割質量的控製方法進行研究。

（4）開發基於CC編譯循環的Z軸仿形控製（zhì）技術，圖（tú）形預覽（lǎn）及軌跡同步顯（xiǎn）示技術，基於圖形預覽的靈活介入和靈活補切技術，基於快速響應激光脈衝（chōng）方波PWM發生器（qì）的激光脈衝頻率與占空（kōng）比、激（jī）光功率實時坡度調節技（jì）術。

解決三維件拐角（jiǎo）過燒，厚板尖角過熔和極限小孔切割，薄板的快（kuài）速穿孔等工藝難（nán）題，建立（lì）完善的激光切割工藝專家數據庫，實現大（dà）輪（lún）廓、小輪廓、拐角、標準（zhǔn）圖形等激光切割工藝參數的（de）自動調用。

三、技術及應用發（fā）展趨（qū）勢

1．技術發展趨勢

伴隨三維五軸激光切割技術越來越先進及進步，性能及功能越來越強大，技術發展趨勢如下：

（1）高（gāo）加速度、高速度：產品加速度越來越高，產品速度越來越（yuè）快，生產效（xiào）率越來越高；

（2）高切割速度、高精度：切割速度快（kuài）生產效率才（cái）能高（gāo），生產成（chéng）本才能降低；高的定位速度及高的重複定位（wèi）精度，才能（néng）有高（gāo）的切割精度，才能滿（mǎn）足日益提（tí）高的產品質量需求；

（3）自動化、智能化：人工成本日益增（zēng）高，產品（pǐn）需要向高（gāo）自動化、高智能化方向發展；一方麵高自動化可（kě）以減少（shǎo）人力，節約成本；另一方麵，高智能化致使機器裝備技術操作簡單，對人員技術的依賴較小，簡單（dān）、易學，也可（kě）降低成本。

2．應用發展趨勢

一方麵，產品性能不斷優化改進，產品價格不斷下降，致使越來越多的用戶都可以買得起，基本上能夠采用三維五軸激光切割的（de）工序，優先采用，取代傳統的加工方法。

另一方（fāng）麵（miàn），三維五軸激光切割技術促進產（chǎn）品個性化設計，工程設計師可以發揮個性化的設（shè）計，設（shè）計出更加精美的（de）產品，不再受傳統加工方式的製約。

再有，熱成形技術進入汽車行業，促使三維五軸激光（guāng）切割機成為汽車生產工序上不可替代的工序，隨著越來越多（duō）的車型采用熱成形技術，越來越多的三維五軸激光切割機進入汽車生產線。目前，隻有高端車（chē）在使用，但隨著技術發展，經濟型車（chē）、新能源車也會采用熱（rè）成形技術。據汽車行業調研分析，今後汽車更新換代將更加快速，過去一個車型生產上百萬輛的時代已經成為曆史。單一車型的數量逐步在下降，模具的成本非常高，三維五軸激光切割機就會體現較低的使用成本從而順應時代發展需求。

綜上所述（shù），在汽（qì）車行業（yè），特別是在汽車熱（rè）成形行業中，隨著三維五軸激光切割不斷（duàn）應用與發展（zhǎn），汽車製造技術水平越來越先進、生產效率越來（lái）越高，不僅（jǐn）可以（yǐ）解決汽車熱成（chéng）形高強鋼強度大的問題，還能促進汽車個性化設計發展。

（來源：《世界製造技術與裝備市場（WMEM）》2019年第5期作者：周桂兵大族激（jī）光智能裝備集團有限公司）

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