耿仁賢

（蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校，蘇州 215123）

1 數(shù)控激光切割機概述

數(shù)控激光切割機主要是通過配置不同大小功率的光纖激光器對各種機械元件以及金屬材料進行切割、打孔等精密加工操作。目前，在整個機械切割加工行業(yè)里，激光切割高精度加工方法占到70%以上，和其他的機械切割加工方法相比，數(shù)控激光切割具有不可比擬的優(yōu)點，如適用性廣（適用于合金鋼、陶瓷、有機玻璃等機械材料）、精度高、切割速度快、切割后切割縫隙小、熱影響區(qū)域小等。但是，除了外界因素影響以外，傳統(tǒng)的數(shù)控激光切割機由于自身的設(shè)計缺陷也會出現(xiàn)切割過程噪聲大、切割區(qū)域面質(zhì)量差等故障。因此，改善優(yōu)化數(shù)控激光切割機的設(shè)計，使其更加適合行業(yè)生產(chǎn)的使用特點變得極其重要。

1.1 數(shù)控激光切割機的分類

數(shù)控激光切割機主要是由切割機機床、光纖激光器、數(shù)控系統(tǒng)、切割頭、工作臺、隨動系統(tǒng)等部分組成[1]。由于其適用行業(yè)較為廣泛，因此各個行業(yè)對數(shù)控激光切割機的使用要求各不相同，例如，汽車行業(yè)要求數(shù)控激光切割機不僅要能夠具有高速、可靠、精密等優(yōu)點，還要具備高速取料、去毛刺等功能；發(fā)電設(shè)備行業(yè)則需要其具有規(guī)格大、強度高的特點。但是，大部分行業(yè)對數(shù)控激光切割機都有以下幾個方面的要求：切割精密高、切割速度快、切割裂縫小、切割面質(zhì)量高。因此，后續(xù)設(shè)計主要圍繞這幾點展開。

目前，根據(jù)產(chǎn)生激光的原理不同，各個行業(yè)通用的數(shù)控激光切割機大致可以分為3種類型：光纖激光切割機、CO2激光切割機、數(shù)控YAG固體激光切割機[2]。

數(shù)控YAG固體激光切割機的工作原理是通過把高密度、高功率的激光光束聚焦在一起，照射機械元件表面上，元件被照射后迅速熔化甚至氣化，然后借助激光光束在同一水平軸形成高速氣壓流，對熔化的工件進行吹出操作，進而把機械元件切割。YAG固體激光切割機的使用成本和后續(xù)的維護費用都比同類的激光切割機要低很多，性價比高，它是數(shù)控激光切割機領(lǐng)域內(nèi)最為成熟和穩(wěn)定的產(chǎn)品之一[3]。

光纖激光切割機是數(shù)控激光切割機領(lǐng)域內(nèi)的一種新型產(chǎn)品，它與YAG固體激光切割機的工作原理類似，也是利用激光光束使機械元件熔化從而完成切割，不同的是，光纖激光切割機發(fā)射的激光光束來源于一種新型光纖激光器。它的光束質(zhì)量好，體積小巧，相比其他兩種更加適合柔性加工要求的工件。由于激光光束波長的原因，光纖激光切割機只能切割金屬工件，對于非金屬材料的工件并不適用。

CO2激光切割機和以上兩種激光切割機的激光器有所不同，它是使用氣體分子激光器。一般使用氣體分子是CO2氣體分子，N2、He等氣體分子輔助，利用氣體分子的振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷來產(chǎn)生激光光束。CO2激光切割機的穩(wěn)定性能極好，激光器的能量轉(zhuǎn)化效率高，所以被廣泛應(yīng)用于高功率輸出的工件切割行業(yè)。

1.2 數(shù)控激光切割機的發(fā)展

國內(nèi)數(shù)控激光切割機的技術(shù)一部分來源于國外，因為國外對于激光切割技術(shù)研究較早，美國的光學(xué)公司大約在1961年就開始研究光纖激光切割領(lǐng)域。而我國的第一臺數(shù)控激光切割器是在1994年湖南大學(xué)激光研究所研發(fā)出來的。隨后中科院物理研究所在2003年3月研制出了使用數(shù)控激光技術(shù)的管材加工設(shè)備，使我國的數(shù)控激光切割技術(shù)有了一個質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對數(shù)控激光切割技術(shù)的關(guān)注核心點都在于降低閾值、調(diào)節(jié)波長等性能方面。

2 典型數(shù)控激光切割機的設(shè)計分析

近幾年來，國內(nèi)的數(shù)控激光切割機飛速發(fā)展。從設(shè)計分析的角度來看，其設(shè)計理念和設(shè)計表現(xiàn)側(cè)重點都有著很大的變化。下面挑一款典型的1530型數(shù)控激光切割機，分析其設(shè)計的優(yōu)點及缺點。

圖1 1530型數(shù)控激光切割機實物圖

1530型數(shù)控激光切割機的機身總重達到9t，最大加工范圍為1500mm×3000mm，工作臺的最大載重為1250kg。其底座部分為了確保加工切割精度進行了加重設(shè)計。驅(qū)動結(jié)構(gòu)部分選用了龍門式雙邊設(shè)計，這種設(shè)計使其具有最佳的對稱受力條件，避免了切割機在操作時由于被切割工件的重心外懸擺動而產(chǎn)生振動，同時也避免切割機的傳動及導(dǎo)向部件不會出現(xiàn)瞬間過載的故障。獨立的伺服軸設(shè)計也是該機器的設(shè)計亮點之一，利用該設(shè)計可以保證激光光束從數(shù)控激光切割機的激光器出光口射出直到切割頭的長度是不變的，能夠維持原值。這樣的設(shè)計保證了激光光束焦點位置的恒定及穩(wěn)定性，但是由于1530型數(shù)控激光切割機被研發(fā)出來的時間較早，在那個階段，市場對于數(shù)控激光切割機的要求主要是滿足生產(chǎn)需要，功能完善即可。所以，它在很多方面不符合人機工程系的原理，忽略了人作為主體，在設(shè)計上存在很多不足。

例如，該機器的落料口和入料口在開啟和關(guān)閉時需要兩個人同時操作，非常不方便；監(jiān)視窗的角度和高度都過大過高，造成使用者在操作時難以觀察機器內(nèi)部加工過程，造成人為的誤操作率上升等。

3 新型數(shù)控激光切割機結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)控激光切割機的安裝位置以及操作環(huán)境都和使用者存在著密切的交互關(guān)系，因此人們在對新型數(shù)控激光切割機進行設(shè)計時，除了要考慮到機器本身應(yīng)具有的符合生產(chǎn)實際的功能外，還要考慮到人機交互關(guān)系是否合理、安全。新型數(shù)控激光切割機模型示意圖如圖2所示。

圖2 新型數(shù)控激光切割機模型示意圖

3.1 切割機機床底座

數(shù)控激光切割機機床最基礎(chǔ)的部件就是機床底座，由于機床上包括絲杠傳動機構(gòu)和電機，兩者都具有一定的運動加速度，會對機床產(chǎn)生一定的沖擊力，這股沖擊力能夠使切割機機床底座產(chǎn)生動態(tài)的位移。一旦切割機機床底座出現(xiàn)位移會對激光器發(fā)射的激光光束造成干擾，使其不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)控激光切割機的切割質(zhì)量下降。所以，在設(shè)計新型數(shù)控激光切割機時重點要改善這一點，為了保證電機和絲杠傳動機構(gòu)在高速運動時，機器也能保證穩(wěn)定，盡量加重底座的質(zhì)量，提高其慣性?？偨Y(jié)之前的設(shè)計經(jīng)驗，機床底座的重量一般是機床所受沖擊力的15倍。

3.2 隨動機構(gòu)

數(shù)控激光切割機的隨動機構(gòu)主要作用為檢測和控制切割機運轉(zhuǎn)時切割工件表面是否光滑。為了確定激光器所發(fā)射的激光光束聚焦后焦點是否在工件的位置，需要利用伺服電機和絲杠傳動裝置來調(diào)整切割頭高度。而激光光束聚焦后焦點的位置在一定程度上對切割后的縫隙大小以及質(zhì)量高低有著很大影響，因此對隨動機構(gòu)的要求就非常高，檢測精度要在0.010mm左右。同時，隨動機構(gòu)的隨動速度應(yīng)該在5m/min左右，不能太高也不能太低，太高會導(dǎo)致切割頭上下震動，太低會導(dǎo)致切割頭跟不上。

3.3 運動機構(gòu)

數(shù)控激光切割機的運動機構(gòu)決定了切割機的性能好壞。在進行運動機構(gòu)的設(shè)計時，首要考慮的因素為負載的慣量比值。目前，通用的電機的比值一般在1∶10左右，但是為了數(shù)控激光切割機的機床驅(qū)動參數(shù)達到最佳狀態(tài)，在設(shè)計時最好把數(shù)控激光切割機的負載的慣量比值控制在1∶3左右。

4 結(jié)語

數(shù)控激光切割機屬于精密工件加工裝置。在設(shè)計時，除了考慮機床運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定、激光光束的性能這些機構(gòu)性功能方面的要求外，也要把人機關(guān)系考慮在內(nèi)。因此，本文通過分析典型數(shù)控激光切割機的設(shè)計特點，對其進行了優(yōu)化設(shè)計，使其更好地實現(xiàn)生產(chǎn)所需要的功能。