周 春

（深圳市思邁達(dá)智能設(shè)備有限公司,廣東深圳 518000）

1 數(shù)控激光切割機(jī)概述

1.1 激光切割技術(shù)

激光光斑較小，能量密度較高，且激光束方向固定，照射到被加工元件上會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，被切割元件在一瞬間汽化或熔化，從而達(dá)到切割的目的。由于激光加工時(shí)與被加工元件的接觸面積很小，被加工元件在切割時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生形變，因此激光切割機(jī)的切割質(zhì)量非常好，在高精度的加工生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

1.2 數(shù)控激光切割機(jī)的特點(diǎn)

（1）從作用上看，數(shù)控激光切割機(jī)是一種以激光為動(dòng)力，結(jié)合數(shù)控技術(shù)對(duì)各種元件進(jìn)行切割、沖壓等工序的設(shè)備。激光切割技術(shù)因其切割速度快，切割縫隙小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于金屬材料的切割，例如以工業(yè)母機(jī)為代表的機(jī)械設(shè)備，激光切割技術(shù)保證了金屬切割的速度與穩(wěn)定性；通過配置功率不同的光纖激光器，數(shù)控激光切割機(jī)可以對(duì)各類金屬元件進(jìn)行打孔、切割等操作。數(shù)控激光切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：①效率高：從設(shè)計(jì)圖到加工樣品的轉(zhuǎn)換周期較短。②切削精度高：能夠?qū)崿F(xiàn)高精密的反復(fù)切削，不會(huì)因?yàn)榉磸?fù)多次地切割而改變其切割精度。③切削速度快：特別是可以快速地切割堅(jiān)硬的金屬材料，數(shù)控激光切割機(jī)在金屬材料上的切削能力是普通磨削機(jī)的5倍。④安全性高：與砂輪切割、鋸切割等常規(guī)切割方式相比，具有更高的安全性。

（2）從結(jié)構(gòu)形式來看，目前市面上的數(shù)控激光切割機(jī)主要有：懸臂式、龍門式和橫梁倒掛式3種。

懸臂式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開放性好，能夠從3個(gè)方向接近加工區(qū)域。采用單邊驅(qū)動(dòng)，不存在龍門結(jié)構(gòu)雙邊驅(qū)動(dòng)的同步問題。但是懸臂結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件重量較大，單點(diǎn)支撐的懸臂結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如龍門結(jié)構(gòu)，難以滿足高動(dòng)態(tài)特性、高精度要求，所以懸臂結(jié)構(gòu)激光切割機(jī)在早期機(jī)型中采用較多，在現(xiàn)代機(jī)型中采用較少。圖1為懸臂結(jié)構(gòu)切割機(jī)示意圖。

圖1 懸臂結(jié)構(gòu)切割機(jī)示意圖

圖2所示為龍門式激光切割機(jī)。龍門式結(jié)構(gòu)可分為長(zhǎng)龍門式和短龍門式。長(zhǎng)龍門式工作區(qū)間大好，操作簡(jiǎn)便，但因運(yùn)動(dòng)部件的重量較大，橫梁靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度較差，因此在高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度的激光切割機(jī)上應(yīng)用不多；而短龍門式運(yùn)動(dòng)部件重量較輕，橫梁靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度較優(yōu)，再搭配上高性能的數(shù)控系統(tǒng)，如西門子公司生產(chǎn)的840D 和 Fanuc 18i，就可以輕松實(shí)現(xiàn)雙邊同步驅(qū)動(dòng)。因此短龍門結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代數(shù)控激光切割機(jī)的主流結(jié)構(gòu)，尤其適合高動(dòng)態(tài)特性、高精度的要求。

圖2 龍門式數(shù)控激光切割機(jī)示意圖

圖3為橫梁倒掛式結(jié)構(gòu)示意圖，此結(jié)構(gòu)工作區(qū)間也較大，橫梁剛度介于上述兩種結(jié)構(gòu)之間，但由于機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸較大，安裝調(diào)試方面相比于上述兩種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在現(xiàn)階段的數(shù)控激光切割機(jī)中應(yīng)用較少。

圖3 橫梁倒掛式結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)控激光切割機(jī)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）底座。數(shù)控激光切割機(jī)最基本的零件是機(jī)床的底座，由于底座上安裝了絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)，二者都具有一定的運(yùn)動(dòng)加速度，這部分運(yùn)動(dòng)加速度會(huì)對(duì)設(shè)備施加一定的沖擊力，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，設(shè)備的底座勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的位移，一旦數(shù)控激光切割機(jī)的底座出現(xiàn)了位移情況，會(huì)影響激光發(fā)射裝置的穩(wěn)定性。因此，新的數(shù)控激光切割機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)卓眾關(guān)注這一問題?？刹扇〖又氐鬃亓康姆绞絹硖岣咴O(shè)備整體的慣性，從而達(dá)到設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的目的。按照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，底座的重量一般為設(shè)備本身所受加速度沖擊力的15倍。

（2）隨動(dòng)裝置。數(shù)控激光切割機(jī)的隨動(dòng)裝置的主要功能是在設(shè)備運(yùn)行過程中，對(duì)切削件的加工表面光滑度進(jìn)行檢測(cè)和控制。為判斷由激光器所發(fā)出的光束在聚焦后的焦點(diǎn)是否在工件上，采用伺服馬達(dá)及絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)切割頭高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，激光光束聚焦后，聚焦的部位會(huì)對(duì)切口的縫隙大小和質(zhì)量高低造成很大的影響，所以對(duì)隨動(dòng)裝置的要求很高，一般情況下，檢測(cè)的精度要達(dá)到0.010 mm。同時(shí)，隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為5m/min，不宜過高或過低，太高會(huì)引起切割頭的振動(dòng)，過低會(huì)使切割頭切割速度過低，造成資源的浪費(fèi)。

（3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。數(shù)控激光切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是影響設(shè)備加工性能好壞的重要因素。在進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮的問題是負(fù)載的慣性比值。目前，普通的常用電機(jī)比例約為1 ∶10，但是，要使數(shù)控激光切割機(jī)的傳動(dòng)性能達(dá)到最優(yōu)，最好將其負(fù)載慣性比設(shè)定在1 ∶3左右。

（4）光路設(shè)計(jì)。激光切割機(jī)的外光路主要由圓偏振反射鏡片、線偏振反射鏡片及聚焦透鏡等組成。激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)與設(shè)備集成為一體，因此，光路系統(tǒng)十分穩(wěn)定且便于調(diào)節(jié)，從而保證了優(yōu)質(zhì)的光束質(zhì)量。導(dǎo)光系統(tǒng)包括反射鏡和聚焦透鏡，所有的鏡片均密封于相同體積且有一定壓力的環(huán)境空間中，這種方式可以避免灰塵附上鏡片，降低鏡片反射效率。反射鏡在光束反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，可通過冷卻水帶走這部分熱量，避免鏡面的曲率發(fā)生變化，保證光路的恒定和精確的聚焦條件，且所有鏡片的拆裝和清潔非常簡(jiǎn)單。

（5）切割頭。切割頭的設(shè)計(jì)應(yīng)做到簡(jiǎn)單快捷地更換不同焦距的透鏡（5'和 7.5'焦距透鏡），且在更換后，無須對(duì)任何光路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。在切割頭上安裝有專業(yè)的用于防碰撞的保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)切割頭受到不同方向的外力撞擊后，可以迅速恢復(fù)至原定工作位置，以此來保證了機(jī)床的加工精度。

3 結(jié)束語

數(shù)控激光切割機(jī)是一種高精度的工件機(jī)械。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，既要保證機(jī)械的穩(wěn)定，又要兼顧激光光束的特性，又要兼顧人機(jī)的關(guān)系。為此，文章在對(duì)典型的數(shù)控激光切割機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到滿足實(shí)際加工要求的目的。