数控激光切割机结构设计

田敬党

摘 要：数控激光切割机是具有高精度、高效率、高质量和高集成的特点，技术起点比较高，该产品采用模块化方式设计，功能全面，性能稳定，节能环保，可根据用户的不同要求，组成不同规格、型号的产品，实现对不同板材、管材的加工。

关键词：数控激光切割机；结构；可靠性

中图分类号：TP485 文献标志码：A

1 结构简介

产品整体采用开放式悬臂结构设计，使操作者可以从3个方向接近工作区域，方便机床操作。光路采用飞行式光路设计，工件不动，激光焦点在加工区域内移动，保证加工精度。集成化设计整机占地面积小，减少用户的场地投入。

2 机床结构

2.1 “铸造大理石床身

如图1所示，大理石床身铸造工艺先进，常温下冷浇铸，无内应力。刚性高、抗震性能好。

电气控制柜集成于床身后侧空腔内，占地面积小。

2.2 变截面航空铸铝悬臂

如图2所示，变截面铸铝悬臂具有如下特点：

多方向接近加工区域，开放性好，易于上下料，方便操作与维护。

单电机驱动，无双边同步驱动误差。

工作台与主机分离，切割时工作台受热变形，不会影响主机精度。

柔性强，可方便移除工作台，配套旋转切管辅机。

移动设备时，悬臂可折叠，免拆卸，便于更改场地

3 F轴

切割头上安装了一个专门用于移动透镜位置的数控聚焦轴-F轴。自动调节激光焦点位置，切割不同的材料或者切割同一材料不同厚度板材时。

无需手动调整焦点与喷嘴表面间的距离。可以大大缩短切割厚板或高反射材料时的穿孔时间和穿孔质量（在切割时穿孔质量是非常重要的）如图3所示。

因此，F轴技术有如下突出特点：（1）切割不同的材料或者切割同一材料不同厚度时，无需操作者人工调整焦点与喷嘴表面间的距离。（2）各种材料的切割工艺参数完全实现数控调节，使机床的使用更加简单、安全，同时，降低了对操作者的专业知识要求。（3）可以大大缩短切割厚板或高反射材料时的穿孔时间和穿孔质量。可以在激光穿孔和切割过程中实现自动调节焦点位置。（4）可以在整个加工范围内对焦点位置进行补偿。

4 切割头

切割头允许快速更换不同焦距的透镜（5和7.5焦距透镜），而且更换后不需进行任何光路调节。本机床选用的透镜都适合高压切割应用。在切割头上配备一个电容式传感器，可以自动确定被加工材料表面的位置。

在切割头上安装有专门的电磁式防碰撞保护系统。在切割头受到水平或垂直方向的撞击后，可以快速恢复。保证机床的机械精度不受影响，如图4所示。

5 传动系统

整机丝杠、导轨等主要传动部件采用国际知名品牌，可靠性高，使用寿命长。为保证机床的快速运动和具有较高的加速性能，避免震动和震荡，X 轴选用大导程、高刚性、中空丝杠，并采用丝杠不转，螺母旋转的独特结构，惯性小，刚性高，实现140m/min、1.2g的高速运动。

6 飞行式激光传输系统

激光器、导光系统与床身集成一体，光路系统稳定，调节十分方便，保证优质的光束质量。

导光系统包括反射镜和聚焦透镜，全部镜片处于密封的等体积的并有一定压力的环境中，避免灰尘的进入。反射镜通过冷却水带走光束反射时产生的热量，避免镜面的曲率变化，保证光路的恒定。聚焦透镜靠干燥清洁的空气来进行冷却，保证精确的聚焦条件。所有镜片镜拆装、清洁十分方便。

7 高压切割系统

比例阀、三联阀等气体控制元件选用德国进口品牌，质量可靠，控制精度高，響应迅速，可承受高达35bar的压力。切割不锈钢时使用高压氮气或其他保护气体以减少切割时工件边缘的氧化。系统由高压气体管路，聚焦透镜以及气体压力反馈及控制单元组成。根据执行的程序，系统可以在不同的辅助气体之间自动转换并精确调节喷嘴出口压力的大小。

8 交换工作台

两个台面可在加工位置和上料位置之间进行交换。使用自动交换工作台可以使机床的非加工时间控制在最小范围内，大大提高生产效率。

在主机加工区域范围内，工作台下方带有废料收集装置以及排风除尘装置，其装置在台面下方分为几个区域，当切割头在一个区域进行切割时，此区域的排风除尘装置进行工作，其余区域关闭，此优化设计可增加除尘效果，最大化处理，切割粉尘，并且能提高切割质量。

小的工件和废料可由工作台下的废料收集装置收集。

9 防护门

保证加工区域视野完全开阔。

防护门可以从侧面和前面完全打开，使机床的可接近性达到最佳。

结语

通过以上的机床结构设计，我们开发出了一款先进的、可量产的数控激光切割机产品，同时也希望该产品能在未来的市场竞争中取得优势地位，打破国外高端机床的垄断地位，从而实现我国机床工具行业由大到强的转变。

参考文献

[1]白京九.机床工人技术手册[M].辽宁：辽宁科学技术出版社出版，1989.

[2]吴祖育，秦鹏飞.数控机床（第三版）[M].上海：上海科学技术出版社，2010.