复杂曲面激光切割成套设备

许双龙 金嘉琦

摘要：在激光应用领域，激光切割进行着飞速的发展。本文对激光切割的原理以及特点进行简单介绍，并对复杂曲面激光切割成套设备的末端执行系统，运动执行系统，激光器以及控制系统的结构功能等方面进行分析与说明。

关键词：激光切割；复杂曲面；成套设备

一、激光切割的原理以及相应特点

激光是上世纪继原子能和计算机之后的又一项重大高新技术，是原子核外电子受激辐射经光放大而形成的光辐射，具有单色性、相干性、方向性和高光强等特点。激光切割是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。近二十年來，随着科技的进步，激光切割技术的各个环节得到了长足的发展[1，2]，是各种加工手段中增长速度最快、也是最有竞争力的新兴产业。在如今大力发展的航空母舰、载人航天、汽车加工等方面都有着不可或缺的重要性和广泛应用。

（一）原理

激光切割技术是利用高能量密度激光束的加热作用，通过氧化等反应过程，使材料表面迅速加热到熔点或沸点，再随着气化物和高压辅助气体（如氧气、空气或氮气等惰性气体）的压力下将待加工材料形成缝隙，进而达到切割的效果。

（二）特点

激光切割是当前世界上最为先进的切割工艺手段之一，它相比于其他切割工艺来说，拥有着切缝窄，速度快，能量集中，工件变形小，切割质量高，可控性好等优点。在无接触切割领域有着非常强的实用性和灵活性。

二、复杂曲面激光切割成套设备

激光切割成套设备主要包括以下几个部分，末端执行器，激光系统，运动执行机构，控制系统几大部分。

（一）末端执行系统

末端执行器主要是由激光切割头以及相关扫描传感器和同轴显微镜组成。切割头包括防碰撞机械臂和切割头组成；并用防碰撞的光纤拖链连接。在防碰撞臂上还安装着同轴CCD显微镜，它可以在线扫描测量以及追踪功能，将扫描的结果上传至控制系统进行处理。此外末端执行器还需要非常精密的对焦系统，通过调整工件与切割头喷嘴的距离等参数来控制切割路径和准度。

作为切割执行系统中最影响加工的对焦系统，它是由喷嘴，辅助气体以及透镜所组成的，并有零对焦，正对焦和负对焦三种方式。零对焦是指焦点在工件表面，焦点在工件表面，切割相对比较光滑，一般适用于5mm以下的薄碳钢。负焦距焦点在工件表面下，一般切割铝材不锈钢等工件。平滑面范围较大，切割幅度较宽，切割气体流量较大，穿孔的时间较长。正焦距是焦点在工件表面上，一般切割厚钢材时采用。由于厚钢板比较难切断，切断时的氧化作用必须从上面到底面。因此切幅也是三者最宽的，最粗糙的。

喷嘴的作用是控制喷射的形状，提高切割表面质量，易于清除残渣等粘贴物。同时也为了防止熔渣等杂物反弹至激光切割头，造成设备的损坏污染透镜喷嘴的孔径、高度、形状、同轴度也会影响切割表面的质量。

切割辅助气体，一般使用氧气切割普通碳钢，低压打孔高压切割。一般用空气切割非金属，高低压可一样。气体纯度越高，切割质量也就越好。气体有助于助燃和散热，吹掉熔渣，保证切割表面质量，如果气压不足时，将形成熔渣减少切割速度，气压过大则会导致切割表面质量较差粗糙。

下图为激光切割头示意图：

（二）运动执行系统

运动执行机构主要由2个转动轴的机械臂，x、y、z三轴机械手以及旋转工作台和相对应的工件夹具组成。这些运动机构可以对复杂的待加工件进行理想化的加工。共有5个自由度，也可通过AGV小车实现6自由度加工。该运动系统可以自由根据工件曲线进行加工并附有自动检测最终功能。在检测工件的同时实时上传，并反馈到控制系统。在固定夹紧工件方面。本套设备主要采用球锁快速装夹和T型槽结构。根据不同工件需求，可以切换不同的回转台进行转换，并通过定位销，使工装与工作转台固定。

（三）激光系统

激光系统主要包括能量源，激光器以及水冷机。激光器分为气体、固体、和光纤激光器。相比气体和固体激光器，作为第三代激光技术的代表，它有着散热快，损耗低，热转化效率高（远高于二氧化碳激光器），易于调节，稳定性高，可以在恶劣环境下高效工作等特点。在低于5mm的板材切割有着不可比拟的优势。

本套设备主要采用IPG光纤激光器，可以进行连续或脉冲信号发送。光纤激光器是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。光纤激光器用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出，并随着光纤放大器的增強。最大脉冲能量可达150J，脉冲宽度在0.2ms10ms之间，脉冲频率范围在1Hz2000Hz之间。在水冷方面，保证工作环境温度：5℃至45℃间即可。水温可自动加热补偿，离子吸附功能， 并且具有对水温，流量，冷却方面进行实时监控与报警功能。

（四）控制系统

控制系统主要分为在线测量与路径规划以及集成控制这几个模块。

通过轮廓测量仪进行在线测量与路径规划。首先构建理论数模，再对切割路径进行规划和位移指令，这样可获得与实际工件误差很小的建模。测量传感器器和测量仪在高速测量的同时，每秒输出64000个轮廓数据，并可自动位移补正。建立的三维建模通过以太网与工控机连接，高速传输数据上传至集成系统。在线测量系统分别从两个扫描方向根据数模自动生成测量路径。利用计算机图形学、微分几何学相关理论，由点到曲线的方式，导入数模中的边作为切割路径，支持编辑路径起点、路径方向、安全起落方向等。根据数模上的加工路线和安全方向设置生成加工路径。

集成控制系统包含激光切割工艺数据库。数据库中对材质，板材厚度，焦距，位置，功率，切割速度，辅助气体，喷嘴直径，喷嘴高度等加工工艺数据进行分析，可随时进行历史查询及数据分析。集成系统通过在线测量进行切割路径规划，再根据加工工艺参数，进行生成加工文件，再上传到西门子840Dsl处理，最后反馈到集成系统中达到工件相关运动和激光切割补偿等操作。采用G语言进行数控编程，进行位置指令、设备控制指令、工艺参数设定指令等。测量和加工过程运行之前，首先通过离线仿真系统模拟运行，对可能出现的干涉情况进行排除。在线仿真测量和加工过程运行时，监测设备的运行状态数据，并通过3D仿真显示运动机构运行状态。本套设备集成控制系统采用C++/C#语言开发的应用程序，C/S架构，可以运行在Windows系统中。与西门子840Dsl通信采用libnodava或OPC通信，连接方式都为RJ45。840Dsl直接与激光器和激光头连接，安全控制都由840Dsl直接控制。数据库与测量末端等设备通信采用厂商提供的软件DLL接口，采取二次开发把对应功能集成到最终的集成系统中。

此外控制系统还需要对加工烟雾等有害颗粒进行回收，即吸烟净化系统，该部分采用分体模块组合形式，根据现场空间布置，布置灵活，空间利用率高。 通过配置风压传感器，系统可实现全自动变频，起到节约能耗及延长滤筒使用寿命的作用。

三、结语

本套复杂曲面激光切割成套设备，主要针对薄板钢材进行加工，可根据在线测量以及高自由度机械手进行复杂曲面的加工，相比其他激光切割设备，它拥有着对于复杂曲面更好地切割质量，更全面更高效的集成系统和反馈检测系统，同时更为环保，安全，节能等优势。在未来的机械制造行业中有着非常强的应用前景。

参考文献：

[1]王家金.激光加工技术.北京：中国计量出版社，1992.

[2]李力钧.现代激光加工及其装备.北京：北京理工大学出版社，1993.

作者简介：许双龙（1993），汉族，沈阳工业大学机械工程学院硕士研究生，主要研究方向：机械制造及其自动化和车辆工程。