浅析激光落料线

陈 晖，王金荣，2，冷志斌，2，王尚斌

（1.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州225200；2.江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏 扬州225200）

随着汽车轻量化技术的发展、国产大飞机适航量产步伐的加快，高强钢、铝合金、以及铝基复合材料得到大量应用。传统压力机落料线加工面临越来越严重的问题：①模具磨损快，修复和使用成本直线上升，且模具加工的周期不适合多品种、小批量加工特点；②已有生产线中的压力机吨位不足，面临重大改造；③铝板加工极易形成的铝积瘤，增加10%的维护成本，高表面质量等级05 合格率小于90%。激光落料线的无模具工艺、柔性编程、动态流切割等特点，具有模具成本低、加工材料范围宽、表面质量高、材料利用率高、适用小批量等优势，有效解决上述不足，替代趋势非常强劲，涌现了舒勒、法格、本田等一批装配研发企业，也在福特、奔驰等汽车企业和国内宝钢、鞍钢河北钢铁等汽车板原材料供应企业得到应用[1-5]。

1 激光落料线发展现状

21 世纪前10 年中期，位于美国俄亥俄州拿破仑市的Automatic Feed 公司投资开发了一种可以直接切割卷材的激光切割解决方案，目的是为了使用激光器来替代冲压机和剪床等设备，以克服先前所面临的传统障碍。通过5 年的研发，在开发出可以试生产的原型设备后，2011 年，LaserCoil Technologies LLC 被剥离出来成了一个独立的公司，并将此专利技术推向市场。继2012 年用原型生产线试产成功后，2014 年，LaserCoil Technologies 首先推出了其生产的卷材激光落料系统。LaserCoil 的系统具有可成功应用于生产环境的多项专利。

随后，SCHULER 、PRODUTECH- ISEO、RDI、DIMECO、DANOBAT、DALCOS、BWD 等国外厂家纷纷进军激光落料行业。2015 年6 月，戴姆勒公司为它在库彭海姆的梅赛德斯奔驰工厂订购了两条SCHULER（舒勒）的激光落料线。从此打开了激光落料线的高端市场，其服务对象多为汽车行业。2016年本田为日本Yorii 工厂提供了一套激光落料生产线。

2010 年，上海宝钢中央研究院开始申报与激光落料线相关的发明专利，2014 年，由吴瑞珉博士牵头成立激光落料技术项目团队，完成了一台样机，在此基础上研究汽车用高强钢板、铝合金板的加工方案。

2019 年，江苏亚威在低端激光落料线技术基础上，进军高端市场，产品性能、智能化水平接近国外先进水平，代表国内最先进技术。

随着全行业对激光落料系统的高度关注，研发的国内外企业越来越多。从产品原理来看，主要有两种技术路线：一种是连续动态联动技术，多切割头并行切割，板料连续送料；另一种是启停式技术，切割时板料停止。前者代表了高端技术和未来趋势，供应商主要集中在国外舒勒、法格、本田等少数几个企业，其应用领域也主要集中在对柔性、效率、质量、可靠性、智能化要求高的汽车加工领域；后者主要应用于轨道交通类附加值较低行业，效率和表面防护质量远不如前者，代表企业包括美国，Laser－Coil、法国DIMECO、西班牙DANOBAT、以及国内大族激光。国内外代表企业先进产品技术水平如表1 所示。

2 激光落料线组成及工作原理

激光落料线组成包括开卷单元、校平定尺单元、激光切割单元、堆垛单元、智能控制系统，在传统落料线基础上，核心主机采用激光切割单元替代冲压单元，由激光切割这种无接触加工取代冲压、剪切加工，完成异形板的柔性加工[6]。

具体工作原理是：卷料经上料小车送入开卷机，经引料、切头、清洗、夹送进入校平定尺单元，对板料进行矫直、纠偏，夹料辊夹持板料，送至激光切割单元，激光切割头联合输送皮带运动，在板料连续输送状态下完成切割，切割后板料送至堆垛单元，完成废料分离、工件堆垛。为了提高落料线效率，通常配置2组以上激光切割头。如图1 所示。

3 激光落料线效率提升措施

与传统冲压落料线相比，激光落料线单件成本低，材料利用率高，但效率不高，只有冲压线效率的30%～50%。国内外就效率提升研究主要从提高单体效率、运动部件轻量化、多轴联动控制、开发专用CAM系统4 个方面进行研究。

图1 激光切割工艺示意图

（1）高速激光切割技术。通过激光切割工艺研究，提高切割头单体效率、质量。通过提高热能密度，稳定间隙和优化辅助气体条件，本田在大规模生产环境中实现了比常规激光切割系统快出3 倍的切割速度。可以实现120m/min（板件厚度0.6mm）的切割速度。

（2）轻量化技术。通过运动部件结构优化、新材料应用研究，保证刚性情况下减小运动部件质量，提高系统响应能力。本田通过伺服电机固定、传动皮带，运动部件上没有驱动器，从而实现了轻量化的设计；通过使用轻质，高刚性的碳纤维增强塑料(CFRP)来减轻框架的重量和变形，与传统钢架3G 的加速度相比，实现了10G 的加速度，并且通过使用带碳纤维芯的聚氨酯传动带，由此获得的延伸率帮助减少了50%的精度问题。

（3）多轴联动切割技术。建立多个切割头之间关联、切割头与送料之间关联、单个切割头运动轴间关联、送料轴间关联，开发产品多通道多头控制技术，使独立的多轴插补信息交互，实现板料连续运动下的多切割投准确定位与衔接、多段与多轴的同步，提高系统效率。

（4）高效切割工艺集成的CAM 技术。对多切割头路径优化、切割轮廓合理高效分工、切割避让算法等技术进行研究，封装底层控制的特殊运动控制函数，集成薄板切割所需要的高加速、高速的伺服控制的再编程及参数优化能力、切割头高速随动机运动轨迹优化、切割扫描等工艺，开发专用的CAM系统。

4 结束语

激光落料线是革命性的系统组合，集冲压落料线、激光切割机和横切线三线合一。它适应了汽车轻量化对高强钢、铝合金加工的要求，也适应了小批量、多品种的市场需求，具有非常强的竞争力，发展前景和市场价值都无限广阔。