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三維五軸光纖激光切割機(jī)技術(shù)剖析

2019-11-8 來(lái)源：- 作者：-

三維五軸光纖激光切割機(jī)床被視為高功率激光加工設(shè)備皇冠上的明珠，其主要應(yīng)用于三維異形曲面的切孔和修邊，用于代替沖孔模和修邊模。早期，國(guó)內(nèi)采用手工等離子切割三維工件，切割效果不理想。近幾年國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了機(jī)器人三維激光切割機(jī)，切割效果有一定的提升，但是受制于機(jī)器人的精度不高，切割精度不高，只是在一些要求不高的行業(yè)得到了一些應(yīng)用。而在汽車沖壓模具行業(yè)中試模，對(duì)切割精度要求較高，三維五軸光纖激光切割機(jī)床因其生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)受到歡迎，但主要市場(chǎng)被國(guó)外設(shè)備所壟斷，如德國(guó)Trumpf（通快）、意大利Prima（普瑞瑪）、日本NTC、Mitsubishi（三菱）等公司。三維五軸光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品圖如圖1所示。

圖1 三維五軸光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品

一、技術(shù)發(fā)展背景

三維五軸光纖激光切割機(jī)是集光、機(jī)、電、氣一體化的高端機(jī)床裝備，應(yīng)用于汽車行業(yè)、模具行業(yè)、軍工及航空航天行業(yè)、家用電器行業(yè)以及異型管材類切割，主要適用于曲面薄板類的金屬切割。

三維五軸激光切割技術(shù)在90年代就已經(jīng)開(kāi)始研制，研制及生產(chǎn)廠家僅有德國(guó)Trumpf、意大利Prima兩家，市場(chǎng)基本上被這兩家壟斷。在2008年后，日本NTC、Mitsubishi研制開(kāi)發(fā)了低加速度、低速度、高精度的工作臺(tái)移動(dòng)式的三維五軸CO2激光切割機(jī)。但一直以來(lái)，三維五軸激光切割機(jī)主要用于研發(fā)及小批量試制，對(duì)沖壓成形的三維零件進(jìn)行修邊、切孔，取代傳統(tǒng)的修邊模和沖孔模，縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，降低制造成本，所以每年的市場(chǎng)銷量較少。在中國(guó)市場(chǎng)，一般一年的市場(chǎng)需求量在30-40臺(tái)左右。

但是由于汽車熱成形技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，改變了市場(chǎng)需求量少的狀況，一條汽車熱成形生產(chǎn)線一般配備4-5臺(tái)三維五軸激光切割機(jī)，市場(chǎng)需求呈爆炸式發(fā)展。截止目前，全球有近450條汽車熱成形生產(chǎn)線，跟隨配套生產(chǎn)的三維五軸激光切割機(jī)約有2000臺(tái)套。國(guó)內(nèi)有近170條熱成形生產(chǎn)線，跟隨配套生產(chǎn)的三維五軸激光切割機(jī)約有700臺(tái)套。

鋼板熱成形技術(shù)是指將鋼板經(jīng)過(guò)950℃的高溫加熱之后一次成形，又迅速冷卻，從而全面提升鋼板強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度達(dá)1000Mpa以上，用在車身上后，車重沒(méi)有增加，但承受力提高了30%，安全性能顯著提高。由于鋼板強(qiáng)度太高，傳統(tǒng)的修邊模和沖孔模因鋼板高強(qiáng)度問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行修邊和沖孔，只能使用激光進(jìn)行生產(chǎn)，從而使三維五軸激光切割產(chǎn)品進(jìn)入汽車批量生產(chǎn)線，成為不可替代的生產(chǎn)工藝及工序。

普通鋼板的屈服強(qiáng)度在140Mpa，適用于旅游觀光車、纜車；高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度在180-240Mpa，適用于卡車、叉車、客車、挖機(jī)、農(nóng)機(jī)等；高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度在260-320Mpa，適用于經(jīng)濟(jì)型轎車，經(jīng)濟(jì)型SUV車；超強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度在340-700Mpa，適用于高端型轎車，高端型SUV車；而熱成形鋼板的屈服強(qiáng)度超過(guò)1000Mpa以上，一般熱成形鋼板的屈服強(qiáng)度在1500Mpa左右。目前，材料廠家正在研制熱成形鋼板的屈服強(qiáng)度在2000Mpa左右，越來(lái)越超高強(qiáng)度鋼板被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，這使得三維五軸激光切割機(jī)產(chǎn)品越來(lái)越得到更多的應(yīng)用。

二、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，生產(chǎn)三維五軸激光切割機(jī)主要廠家有德國(guó)Trumpf，意大利Prima，日本NTC、Mitsubishi，中國(guó)大族激光、華工。Trumpf、Prima由于生產(chǎn)較早，產(chǎn)品成熟，性能穩(wěn)定，市場(chǎng)客戶認(rèn)可度極高。日本NTC、Mitsubishi 兩家公司只生產(chǎn)低速度、低加速度的三維五軸CO2激光切割機(jī)，其生產(chǎn)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(wú)法滿足汽車熱成形生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的要求。大族激光攻破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，既生產(chǎn)低速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機(jī)，又生產(chǎn)高速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機(jī)，技術(shù)緊跟Trumpf、Prima，成為目前市場(chǎng)上三維五軸光纖激光切割性價(jià)比很高的產(chǎn)品，解決了三維五軸光纖激光切割機(jī)關(guān)鍵核心技術(shù)：

1．機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE有限元分析，結(jié)合動(dòng)、靜態(tài)剛度，靜態(tài)強(qiáng)度，熱特性進(jìn)行分析，得到整機(jī)最佳的剛度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試及驗(yàn)證，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，分析理論值與實(shí)際測(cè)試值數(shù)據(jù)的差異化的因素，當(dāng)理論值與實(shí)際測(cè)試值數(shù)據(jù)基本吻合，最終獲得整機(jī)既經(jīng)濟(jì)又輕量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方框圖與機(jī)床結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方框圖與機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

2．提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性

對(duì)高速度、大慣量、大尺寸的部件進(jìn)行CAE有限元模態(tài)分析，對(duì)結(jié)合面阻尼、局部剛度、質(zhì)量分布進(jìn)行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)及優(yōu)化，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，獲取動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性良好的移動(dòng)部件，確保產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定性。提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性方框圖與模態(tài)分析圖分別如圖3 、圖4所示。

圖3 提高動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性方框圖與模態(tài)分析圖

圖4模態(tài)分析數(shù)據(jù)圖

3．提高高速度、高精度定位

對(duì)電機(jī)及伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及有限元分析，結(jié)合定位精度、響應(yīng)速度、熱特性、電機(jī)剛性進(jìn)行分析及優(yōu)化，并跟蹤特性分析，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，獲得高速度，高精度定位。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析方框圖如圖5所示。

圖5伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析方框圖

4．解決無(wú)限旋轉(zhuǎn)三維切割頭核心技術(shù)

精密的光學(xué)計(jì)算，制定系統(tǒng)幾何的空間算法，研制360°無(wú)線旋轉(zhuǎn)三維切割頭，自主創(chuàng)新，擁有核心技術(shù)，是繼德國(guó)Trumpf、意大利Prima、德國(guó)LT后，第四家能夠生產(chǎn)360°無(wú)線旋轉(zhuǎn)三維切割頭的廠家，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。360°無(wú)線旋轉(zhuǎn)三維五軸切割頭如圖6所示。

圖6 360°無(wú)線旋轉(zhuǎn)三維五軸切割頭

對(duì)三維五軸切割頭產(chǎn)品，解決如下關(guān)鍵及核心技術(shù)：

（1）三維五軸無(wú)限旋轉(zhuǎn)切割頭水、氣、光通路的密封

三維五軸切割頭加工時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，通過(guò)C軸（無(wú)限旋轉(zhuǎn)）機(jī)械傳動(dòng)部分傳輸?shù)墓艿烙泄饴贰⑺?、氣路、電信?hào)通路。由于C軸為無(wú)限旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，上述通道無(wú)法采用管道式的結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)特定的旋轉(zhuǎn)式通道結(jié)構(gòu)傳輸。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是要解決運(yùn)動(dòng)通道水、氣、光的動(dòng)密封性。為突破此重大障礙，在多種備選設(shè)計(jì)方案中選擇水、氣、光、電各通道獨(dú)立傳輸?shù)男D(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)；針對(duì)C軸各旋轉(zhuǎn)傳輸通路對(duì)密封元件技術(shù)要求，開(kāi)發(fā)以新型材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)通道密封元件，元件設(shè)計(jì)充分地考慮了耐磨性、密封性和元件與管道動(dòng)摩擦力等綜合因素的平衡；結(jié)合理論與經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)適當(dāng)調(diào)整密封元件與被密封通路的公差配合，成功地實(shí)現(xiàn)集成多個(gè)密封傳輸通道的高速無(wú)限旋轉(zhuǎn)C軸部件。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自主研發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)密封元件性能已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

（2）三維切割頭高速旋轉(zhuǎn)下電信號(hào)抗干擾屏蔽技術(shù)

采用傳統(tǒng)的線纜在旋轉(zhuǎn)軸中傳輸電信號(hào)會(huì)因軸的旋轉(zhuǎn)將線纜纏繞甚至拉扯斷裂，多路電信號(hào)同時(shí)在間距較小的空間內(nèi)傳輸也會(huì)有信號(hào)互相串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免此類問(wèn)題并保證多路電信號(hào)的抗電磁干擾傳輸，根據(jù)多路電信號(hào)通路的技術(shù)規(guī)格，首創(chuàng)的獨(dú)特電滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，突破多路電信號(hào)在高速旋轉(zhuǎn)軸上的抗干擾傳輸。

5．在線修改軟件技術(shù)

大族自行開(kāi)發(fā)的HANS 3DEDIT在線修改程序軟件，修改程序尺寸更加方便、快捷，換件速度快，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在線修改軟件如圖7所示。

圖7 在線修改軟件

6．基于具備RTCP功能數(shù)控三維五軸光纖切割系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)研究

（1）研究三維五軸光纖激光切割裝備硬件集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析具備RTCP功能數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件接口，設(shè)計(jì)三維五軸光纖激光切割中各加工部件的系統(tǒng)集成控制方案。

（2）研究RTCP功能數(shù)據(jù)。三維五軸光纖激光切割系統(tǒng)由三大功能塊組成，分別是加工控制模塊、離線編程模塊以及激光切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合加工裝備的硬件集成，面向三維五軸光纖激光切割工藝的軟件二次開(kāi)發(fā)，給予PC工控平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)控制類函數(shù)，開(kāi)發(fā)三維五軸光纖激光切割控制應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)三維五軸光纖激光切割機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制以及工藝調(diào)節(jié)等功能。

（3）基于三維空間映射對(duì)三維五軸激光加工機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，同時(shí)設(shè)計(jì)切割頭運(yùn)動(dòng)仿真。

（4）開(kāi)發(fā)基于HMI的PC平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合功能需求利用SQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的具體功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改、添加、查詢、瀏覽以及刪除等功能。

7．三維復(fù)雜曲面激光切割工藝的研究

（1）分析外光路模式，對(duì)光路進(jìn)行整形補(bǔ)償，確保最佳切割光束模式，開(kāi)發(fā)三維五軸激光切割專用工藝控制軟件。

（2）研發(fā)快速穿孔、切割狀態(tài)控制反饋技術(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割小孔、高功率光纖氮?dú)馇懈钪斜“逄间摴に嚪椒ā?fù)雜圖形及圖片處理與應(yīng)用等工藝方法，攻克復(fù)雜圖形及小輪廓加工的工藝技術(shù)難題。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、轉(zhuǎn)角的激光切割方法。對(duì)三維覆蓋件誤差補(bǔ)償、三維覆蓋件拐角切割質(zhì)量控制和平板上尖角切割質(zhì)量的控制方法進(jìn)行研究。

（4）開(kāi)發(fā)基于CC編譯循環(huán)的Z軸仿形控制技術(shù)，圖形預(yù)覽及軌跡同步顯示技術(shù)，基于圖形預(yù)覽的靈活介入和靈活補(bǔ)切技術(shù)，基于快速響應(yīng)激光脈沖方波PWM發(fā)生器的激光脈沖頻率與占空比、激光功率實(shí)時(shí)坡度調(diào)節(jié)技術(shù)。

解決三維件拐角過(guò)燒，厚板尖角過(guò)熔和極限小孔切割，薄板的快速穿孔等工藝難題，建立完善的激光切割工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)大輪廓、小輪廓、拐角、標(biāo)準(zhǔn)圖形等激光切割工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)用。

三、技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

1．技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

伴隨三維五軸激光切割技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)及進(jìn)步，性能及功能越來(lái)越強(qiáng)大，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）高加速度、高速度：產(chǎn)品加速度越來(lái)越高，產(chǎn)品速度越來(lái)越快，生產(chǎn)效率越來(lái)越高；

（2）高切割速度、高精度：切割速度快生產(chǎn)效率才能高，生產(chǎn)成本才能降低；高的定位速度及高的重復(fù)定位精度，才能有高的切割精度，才能滿足日益提高的產(chǎn)品質(zhì)量需求；

（3）自動(dòng)化、智能化：人工成本日益增高，產(chǎn)品需要向高自動(dòng)化、高智能化方向發(fā)展；一方面高自動(dòng)化可以減少人力，節(jié)約成本；另一方面，高智能化致使機(jī)器裝備技術(shù)操作簡(jiǎn)單，對(duì)人員技術(shù)的依賴較小，簡(jiǎn)單、易學(xué)，也可降低成本。

2．應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

一方面，產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化改進(jìn)，產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，致使越來(lái)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工序，優(yōu)先采用，取代傳統(tǒng)的加工方法。

另一方面，三維五軸激光切割技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)師可以發(fā)揮個(gè)性化的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出更加精美的產(chǎn)品，不再受傳統(tǒng)加工方式的制約。

再有，熱成形技術(shù)進(jìn)入汽車行業(yè)，促使三維五軸激光切割機(jī)成為汽車生產(chǎn)工序上不可替代的工序，隨著越來(lái)越多的車型采用熱成形技術(shù)，越來(lái)越多的三維五軸激光切割機(jī)進(jìn)入汽車生產(chǎn)線。目前，只有高端車在使用，但隨著技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型車、新能源車也會(huì)采用熱成形技術(shù)。據(jù)汽車行業(yè)調(diào)研分析，今后汽車更新?lián)Q代將更加快速，過(guò)去一個(gè)車型生產(chǎn)上百萬(wàn)輛的時(shí)代已經(jīng)成為歷史。單一車型的數(shù)量逐步在下降，模具的成本非常高，三維五軸激光切割機(jī)就會(huì)體現(xiàn)較低的使用成本從而順應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求。

綜上所述，在汽車行業(yè)，特別是在汽車熱成形行業(yè)中，隨著三維五軸激光切割不斷應(yīng)用與發(fā)展，汽車制造技術(shù)水平越來(lái)越先進(jìn)、生產(chǎn)效率越來(lái)越高，不僅可以解決汽車熱成形高強(qiáng)鋼強(qiáng)度大的問(wèn)題，還能促進(jìn)汽車個(gè)性化設(shè)計(jì)發(fā)展。

（來(lái)源：《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》2019年第5期作者：周桂兵大族激光智能裝備集團(tuán)有限公司）

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