韓麗杰 李玉鳳

[摘要]隨著我國數(shù)控技術(shù)和激光技術(shù)的進步，我國在數(shù)控激光切割機的研發(fā)上投入了巨大的人力物力，數(shù)控激光切割機的制造獲得了極大的發(fā)展。本文對汽車進、排氣彎管的激光加工進行了重點研究，指出了存在的問題和設(shè)計的思路，探討了優(yōu)化措施，對激光加工技術(shù)的發(fā)展有一定借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]不銹鋼彎管;激光加工;PLC技術(shù)

[中圖分類號] TG665

[文獻標(biāo)識碼]A

近年來，國內(nèi)汽車、摩托車以及空調(diào)等裝備制造業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，不銹鋼彎管作為管路的重要組成零件，市場前景廣闊。由于各類彎管直徑、壁厚、彎曲半徑、角度等規(guī)格較多，采用激光切割的方式產(chǎn)品加工切換困難，傳統(tǒng)的不銹鋼彎管主要以線切割的方式生產(chǎn)，通過工人手動來調(diào)節(jié)夾裝設(shè)備，這種加工方式生產(chǎn)效率低、表面粗糙度差、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動強度大，費時又費力，僅僅適用于小批量彎管的加工。而對于大批量的彎管生產(chǎn)，則采用激光切割的方式進行，如何實現(xiàn)加工過程中各規(guī)格彎管產(chǎn)品快速切換成了一個只待解決的難題。隨著PLC技術(shù)的不斷進步，使得彎管的自動化加工成為可能。本文以汽車進、排氣彎管的激光加工為例，進行深入的研究與探討。

1 數(shù)控激光切割機

激光切割是一種利用高能量密度的激光束加熱工件表面，極短的時間內(nèi)使材料氣化，通過激光束和材料的相對移動，達到了切割材料的目的。相比于砂輪機切割，激光切割的零件不易出現(xiàn)毛邊和掛口，切割完成后也不用擔(dān)心切割使零件表面變色，省去了后續(xù)的打磨拋光工序，降低了工人的勞動強度。汽車進、排氣彎管是一種薄壁不銹鋼管，這種管件采用砂輪機切割很難達到質(zhì)量要求，甚至在加工的過程中產(chǎn)生形變。如果采用激光加工，則切割口不會有機械應(yīng)力，沒有毛刺出現(xiàn)，精度也可以達到要求。為了排除外界因素的影響，激光技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合的數(shù)控激光機床被應(yīng)用于生產(chǎn)各種機械零件。數(shù)控機床實現(xiàn)了工件角度的自動調(diào)整、自動夾緊、自動切割、自動停止以及松開工件等一系列工序，適應(yīng)了不同需求的工件生產(chǎn)。激光數(shù)控機床不損傷材料表面結(jié)構(gòu)，重復(fù)性和精度極高，保證了零件的標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)控技術(shù)的運用更是降低了人力成本，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，經(jīng)濟效益明顯。

2彎管激光切割的主要問題

2.1 彎管在夾緊過程中的形變問題

汽車的進、排氣管管壁一般僅有l(wèi).Omm左右，壁厚較薄，極其容易發(fā)生形變，對工件的夾緊機構(gòu)提出了較高的要求。首先夾緊機構(gòu)必須保證定位準(zhǔn)確，不能出現(xiàn)工件的位移;其次，夾緊力的大小必須要可靠，既要保證位置不變，還要保證管件不發(fā)生嚴重形變;最后夾緊機構(gòu)要有一定的白鎖能力，不僅要能承受外力不移動，外力突然消失時也不能發(fā)生位移。

2.2切割線的控制問題

激光切割一般激光頭是固定的，要想讓彎管切割按照工藝要求進行，就必須要通過夾具的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)切割線和激光頭在同一平面。這一點是較困難的，首先，必須進行比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算來繪制夾具的運轉(zhuǎn)軌線，其次要通過PLC技術(shù)控制電機的運轉(zhuǎn)帶動夾具運轉(zhuǎn)，最后我們需要加工的彎管常常是不同規(guī)格、不同角度的彎頭，切割線的控制難度更大。

2.3工件的控制問題

工件定位角度、調(diào)整角度以及旋轉(zhuǎn)角度的控制，激光切割和松開工件的自動化控制如何控制，是保證激光加工自動化最核心的難題。要解決這一問題，需要我們詳細分析研究工藝的過程，熟悉激光設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理以及各個關(guān)鍵參數(shù)，掌握PLC編程控制方法，能夠準(zhǔn)確根據(jù)工藝需求輸入控制信息。

3彎管切割的優(yōu)化設(shè)計

3.1 夾緊設(shè)計要點

不銹鋼彎管管壁厚約1—0.8mm，采用普通加緊裝置，容易造成因夾緊力過大而引起的變形，或因夾緊力過小而導(dǎo)致的工件在加工過程中位置變化，采用三爪氣缸進行夾緊，三爪能實現(xiàn)彎管安裝的自定心.并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動夾緊、自動松開動作;氣動可以預(yù)設(shè)夾緊力，保證工作的夾緊并防止變形;同時三爪氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，并且重復(fù)裝夾地精度較高。

為保證加緊安全可靠，夾緊部分不能過短，在保證夾爪不與彎管干涉的情況下，夾緊長度一般不小于30mm，為保證彎管加緊表面的精度，在夾爪的夾持部分可以裝有夾持墊來防護排氣管的表面不被破壞。

3.2電機的科學(xué)管控

單電機的科學(xué)管控涉及到的PLC技術(shù)，需要具備PDRVA、PLSV以及DRVI功能。其中PLSV功能是隨著時間改變速度也相應(yīng)改變的變速運行命令，對于定位工作無法完成，但是它仍然是一種十分靈活的管控命令。DRVI與PLSV不同，主要是完成定位任務(wù)，方位確定后，電機將會暫停等待下個命令。在實際的運行過程中，常常是以PLSV技術(shù)為主，PDRVA、DRVI命令為輔，這樣可以保證電機獲得的命令明確，設(shè)備運行穩(wěn)定。在設(shè)計PLC系統(tǒng)時需要準(zhǔn)確把握不同命令形式的功能劃分，對電機進行科學(xué)管控。首先，需要保證程序運行合理。對起繞點進行合理的定位，保證按下按鈕后電機能夠按照設(shè)定好的程序快速運行、往返運行、緩慢暫?；蛘呤强焖偻Ｖ埂Ｈ缓髴?yīng)該做好PLC的調(diào)控。對于運行有關(guān)的速度設(shè)置、定位有關(guān)的起止點設(shè)置，要與伺服電機的單圈脈沖數(shù)進行緊密融合。對于雙電機的管控較為復(fù)雜，研究的重點是兩組電機的運行情況和速度的匹配問題，并進行精準(zhǔn)定位。

3.3隨動機構(gòu)設(shè)置

為了確定激光平面與工作面在同一位置，需要將切割頭的高度進行調(diào)整，激光頭位置決定了縫隙的大小以及切割質(zhì)量的好壞。這就要求我們需要將隨動機構(gòu)進行合理化的設(shè)置，保證切割精度和隨動速度的要求，誤差應(yīng)控制在±O.Olmm，隨動速度應(yīng)該在5 m/min，一般不能過快或者過慢。

3.4運動機構(gòu)優(yōu)化

評價數(shù)控切割機的好壞主要看運動機構(gòu)設(shè)計是否合理，負載慣量比值是否在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)。一般通用的電機負載慣量比值在1：10。但是在實際的生產(chǎn)設(shè)計中，為了使電機運行在最佳狀態(tài)，可將負載慣量控制在1：3左右。

3.5激光切割機的優(yōu)化分析技巧

激光切割機的設(shè)計通常會采用兩種方法進行設(shè)計和優(yōu)化，或者兩種設(shè)計優(yōu)化方法結(jié)合使用。一是經(jīng)驗分析法，結(jié)合過去的加工經(jīng)驗以及國內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品加工經(jīng)驗，進行優(yōu)化設(shè)計。也可以結(jié)合一些生產(chǎn)單位提供的設(shè)計思路，比如山東鵬沃激光科技有限公司提出設(shè)計方案較為可取。二是實踐反思法，積極的與學(xué)校教師和相關(guān)企業(yè)技術(shù)員溝通，進行理論研究，理論研究進行到一定階段后做出實物進行實踐，根據(jù)實物實踐過程中出現(xiàn)的問題，思考解決辦法，不斷提高和改善。在整個設(shè)計工作中，我們可以按照設(shè)計方案、可行性分析、圖紙設(shè)計、樣機制作、試運行以及調(diào)整驗收的思路運行，最終得到滿意的產(chǎn)品。

3彎管的激光加工設(shè)計

以彎管激光加工為例，在初步設(shè)計過程中，可供參考的技術(shù)路線有如下幾種：（1）線切割，工件固定不動，這種方案速度慢，耗時較長。（2）通過設(shè)計多種不同角度、不同尺寸的裝置進行立式激光機切割，這種加工方式不適合汽車彎管這種大規(guī)模生產(chǎn)的部件。（3）用臥式激光機切割，工件通過夾緊裝置夾緊后，激光頭進行運動，改變激光頭的運行軌跡來切割工件。這種加工方式常常會導(dǎo)致價值昂貴的激光部件損壞，設(shè)備維修成本極高，工件質(zhì)量也很不穩(wěn)定。（4）通過旋轉(zhuǎn)夾緊裝置來實現(xiàn)激光頭和工件的相對運動，這種方式采用的是立式激光切割機進行操作，特別適合于汽車彎管這種工件量大，效率較高的產(chǎn)品，這種思路較為實用。為了實現(xiàn)這種思路，進行可行性分析。這種方式是由激光切割機、工件回轉(zhuǎn)和夾緊裝置構(gòu)成的。這種結(jié)構(gòu)的特點是激光頭固定，工件回轉(zhuǎn)。要想實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)調(diào)整，就必須有兩臺伺服電機，一臺實現(xiàn)工件的進退，另一臺控制工件旋轉(zhuǎn)。其加工過程如下：首先是角度的調(diào)整，先用伺服電機將角度調(diào)整至工藝要求范圍。隨后夾緊工件，夾緊裝置收到信號后自動將工件夾緊，夾緊力不可過大或過小。然后啟動工件回轉(zhuǎn)裝置，按照工藝要求和激光脈沖數(shù)的匹配要求進行工件的回轉(zhuǎn)，使管件繞軸線回轉(zhuǎn)運動，與此同時，激光切割機啟動，完成管件切割。

4結(jié)語

彎管的激光加工適用于多種直徑和尺寸的彎管，一方面克服了傳統(tǒng)切割質(zhì)量不穩(wěn)定、耗時時間長的缺點，另一方面，通過PLC技術(shù)實現(xiàn)了自動、半自動控制，從而實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)流程。降低了操作成本、勞動強度，提高了資源利用率，極大地改善了生產(chǎn)環(huán)境。與此同時，也應(yīng)該看到我國的激光加工技術(shù)還未達到世界先進水平，機床的穩(wěn)定性、光束性能等都還有很大差距，也沒有將人機關(guān)系考慮在內(nèi)。我們還要認清差距，在此方向上不斷努力，進行深入的研究，提高創(chuàng)新能力，促使我國的數(shù)控激光技術(shù)做大做強，提高我國產(chǎn)品的國際競爭力。

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