洪 超，周鵬飛，潘峻城，孫 謙

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

光纖激光技術(shù)的發(fā)展以及成本的下降，極大地推動(dòng)了光纖激光在金屬板材切割上的應(yīng)用。例如隨著汽車輕量化要求的不斷提高，三維鈑金覆蓋件、結(jié)構(gòu)件的激光切割需求逐步增加。乘用車車身覆蓋件、大梁等結(jié)構(gòu)件中最厚板通常在3mm 以內(nèi)，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變化快，普通的機(jī)械手式三維激光切割機(jī)在精度、穩(wěn)定性、效率等方面不能完全滿足相關(guān)工藝及質(zhì)量要求，此時(shí)三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)的優(yōu)勢(shì)便凸顯出來(lái)。本文將結(jié)合我公司最新研制的三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)，介紹能夠切割碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金件的高性能激光加工設(shè)備，并分析該設(shè)備的主要部件功能。

1 方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示，三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)采用技術(shù)成熟的光纖激光器作為切割光源，采用高架龍門(mén)橫梁移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，以滿足切割機(jī)高速切割運(yùn)行的需求，同時(shí)設(shè)計(jì)雙工位移動(dòng)工作臺(tái)，以提高機(jī)床使用效率。三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)總體結(jié)構(gòu)包括：龍門(mén)機(jī)身三軸結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、激光切割頭、大功率光纖激光器和控制系統(tǒng)等。其中工作臺(tái)采用可旋轉(zhuǎn)雙工位方案，采用鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)快；同時(shí)，采用定位氣缸插拔定位銷的方式，實(shí)現(xiàn)精確定位?？膳鋫溆糜谥喂ぜ墓ぱb夾具。工件在工作臺(tái)一側(cè)的工裝裝夾下進(jìn)行切割的同時(shí)，工作臺(tái)另一側(cè)工裝可以完成工件的上下料，可有效提高機(jī)床利用率和生產(chǎn)效率。

圖1 三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)整體示意圖

2 主要部件功能

2.1 高架龍門(mén)移動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)

移動(dòng)橫梁移動(dòng)行程長(zhǎng)、速度快、驅(qū)動(dòng)加速度大、定位精度要求高，因此要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。高架龍門(mén)移動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2 所示。通過(guò)結(jié)構(gòu)選型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計(jì)；采用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等分析，獲得切割機(jī)有效的切割空間范圍、以及各個(gè)部件的受力、速度、加速度等指標(biāo)；進(jìn)行橫梁等部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小伺服系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)功率，提高導(dǎo)軌位置精度保持性。

圖2 高架龍門(mén)移動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2 三維激光切割頭

三維激光切割頭由激光擴(kuò)束裝置、對(duì)中調(diào)節(jié)裝置、水平調(diào)整裝置、透鏡裝置、反射鏡裝置、上下運(yùn)動(dòng)單元、聚焦切割頭、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成見(jiàn)圖3。A 軸、B 軸均采用三相同步扭矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)；A軸為重力方向左右擺動(dòng)，B 軸為水平方向360°旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用冷卻水路恒溫控制提高電機(jī)使用性能；設(shè)計(jì)有壓縮空氣抱閘制動(dòng)裝置避免電機(jī)在失去使能時(shí)在重力影響下的碰撞現(xiàn)象。

圖3 三維激光切割頭的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成

2.3 W 軸隨動(dòng)補(bǔ)償功能

結(jié)構(gòu)上采用齒形帶實(shí)現(xiàn)W 軸直線位移驅(qū)動(dòng)，通過(guò)位移傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)W 軸閉環(huán)控制，提高控制精度；采用雙側(cè)導(dǎo)軌導(dǎo)向，提高W 軸的導(dǎo)向精度；通過(guò)噴嘴與板材之間的距離檢測(cè)和W 軸隨動(dòng)控制，保持切割頭切割距離的恒定。如圖4 所示，通過(guò)切割頭下面的電容傳感器，采集切割頭到工件表面的切割距離模擬量位置信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)切割頭的上下浮動(dòng)，自動(dòng)跟蹤與修正工件表面到噴嘴之間的距離，保持切割頭噴嘴和板材之間的距離恒定，保證切割質(zhì)量，且防止切割頭碰撞、安全互鎖等，保證設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

圖4 W 軸隨動(dòng)控制方法和流程

2.4 控制系統(tǒng)

該設(shè)備采用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，控制硬件以CNC 控制器為核心，分別連接伺服電源模塊、各類傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)控制器、操作面板等，通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)獲取位置、壓力、溫度等信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)各類伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空壓機(jī)、閥門(mén)、警示器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)龍門(mén)框架三軸移動(dòng)、切割頭轉(zhuǎn)擺和補(bǔ)償、設(shè)備安全和制動(dòng)控制，具體功能如下：激光切割機(jī)的龍門(mén)框架（X1、X2、Y、Z）三軸直線移動(dòng)控制；激光切割系統(tǒng)切割頭（B 軸轉(zhuǎn)動(dòng)、A 軸擺動(dòng)、W 軸補(bǔ)償）控制；水冷裝置、除塵裝置、潤(rùn)滑裝置、雙工作臺(tái)控制、防護(hù)門(mén)控制、報(bào)警控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了一種三維五軸數(shù)控激光切割機(jī)，較為詳細(xì)地介紹了其機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作控制原理，該設(shè)備可應(yīng)用于車身構(gòu)件、內(nèi)高壓成形件和高強(qiáng)度鋼成形件等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金覆蓋件的加工，具有高效生產(chǎn)能力，滿足市場(chǎng)對(duì)高速、高效率切割的需求，降低了市場(chǎng)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了客戶在生產(chǎn)過(guò)程中的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。