三维激光切割机的发展现状及未来动向

闫新华，付黎伟，甄守乐

（诺伯特智能装备（山东）有限公司，山东 聊城 252000）

0 引言

激光切割是激光加工领域中应用最早、使用最多的应用技术，占整个激光加工领域的70%以上，在机械、汽车、航空航天、轻工纺织、食品医疗等行业应用广泛[1]。

传统的激光切割平面切割为主，随着激光切割技术的发展，自由曲面三维工件的加工逐渐成为可能。从1979 年世界上第一台五轴CO2激光切割机在Prima 公司问世以来，三维激光切割机即以柔性强、精度高、工装设备需求少、生产准备时间短等优点受到诸多青睐，目前广泛应用于汽车、机械制造、航空航天等领域对三维工件有加工需求的生产中[2]。

1 三维激光切割机的种类

为保证加工质量并高效利用激光束能量，三维激光切割过程中，切割头在沿预设的空间轨迹运动的同时，其激光光轴须始终与被切割工件表面垂直。因此，三维激光切割机通常至少需要具有5 个轴，即三个直线运动轴（X、Y、Z 轴）和两个旋转轴（A、B、C轴中的两个）。

目前，商业市场的三维激光切割机有龙门式和机器人式两种基本结构。前者通常由床身或工作台提供X、Y、Z 轴直线运动，切割头提供其余两轴旋转（或摆动）运动；后者采用光纤传输（或内含反射镜的关节臂）与机器人连接，实现三维激光切割。两者性能对比如表1 所示[3-5]。

表1 龙门式、机器人式切割机性能对比

大功率激光器是激光切割设备的关键配件，根据使用激光器的种类不同，三维激光切割机通常也分为光纤激光切割机、CO2激光切割机和YAG 激光切割机三类。三类激光切割机主要性能对比如表2所示[6-8]。

表2 光纤、CO2、YAG 激光切割机性能对比

目前，商业市场的三维激光切割机以光纤激光切割机和CO2激光切割机为主。

2 国内外研究现状

2.1 三维光纤激光切割机

相比CO2激光切割和YAG 激光切割，光纤激光切割在切割效率、光电能转换效率、光路结构、维护成本、切割精度等方面均具有一定的优势，近些年来，光纤激光切割机发展迅速，已逐渐取代传统的CO2激光切割机，成为新的市场主流。

目前，国外生产三维光纤激光切割机的知名厂商主要有德国Trumpf 公司，意大利Prima Power 公司，美国PREISER 公司，以及日本小松公司、NTC 公司、小池公司、Mitsubishi 公司、AMADA 公司和MAZAK 公司。其中，Trumpf 公司的TruLaser Cell 3000 型、TruLaser Cell 5030 型、TruLaser Cell 8030型、Prima Power 公 司 的Rapido 型、Laserdyne 795型、小松公司的TLH-N 系列、AMADA 公司的LCG3015AJ II 等三维光纤激光切割机产品具有较高的知名度。

TruLaser Cell 3000 型五轴激光加工机床采用模块化结构，可选用多种激光器，并可通过更换激光加工头实施焊接、切割和激光熔覆等加工；便于实现机床自动化，可满足大批量生产需要；其定位精度较高，X/Y/Z 轴定位精度为±0.015mm，A、C 轴定位精度0.02°。

TruLaser Cell 80303D 激光切割机适用于快速切割大尺度热成型车辆侧围件，其X/Y/Z 轴移动范围为3000mm/1300mm/600mm，轴加速度为4g；采用优化的旋转加工台，极大地减少了非生产时间，提高了效率和产能。如图1 所示。

图1 TruLaser Cell 3000 型

Rapido 三维五轴激光切割机采用2.0～4.0kW 光纤激光器，其工艺灵活，可适用于不同的切割、焊接应用，具有防撞系统以及无反冲、无磨损的直驱。

Laserdyne 795 多轴激光加工机床采用高精密加工表面和大直径、高刚性传动丝杆，机械精度高，适合高速切割加工，且适合光纤、CO2和YAG 等不同种类激光光源。如图2 所示。

图2 Laserdyne 795 多轴激光加工机床

TLH-N 系列超高速三维5 轴控制激光切割机具有高刚度、高速度（X/Y/Z 轴快进速度100m/min、A/C轴快进速度540°/s）、操作性好、采用单侧OPEN、接近性高等特点。

LCG3015AJ II 高效光纤激光加工机具有高达170m/min 的快进速度和120m/min 的加工进给速度，生产效率高、可扩展性好，且拥有从工艺改善到工厂改革的全新的钣金加工数字化改善解决方案。如图3所示。

图3 LCG3015AJ II 高效光纤激光加工机

我国工业激光的起步较晚，商品化的激光切割机技术的研究与发达国家相比有较大差距。随着国家将激光加工技术列入重点科技攻关项目，国内兴起了一股热潮，越来越多的企业及科研院所开展了相关技术的研究。目前，国内已有大族激光、华工激光、楚天激光、百超迪能、济南金威刻、镭鸣激光等多家企业推出了三维光纤激光切割机产品。

其中，大族激光的HyRobot C20 光纤激光切割机、华工激光的AUTOBOT 汽车三维五轴激光切割机、SF 系列三维五轴激光切割机、迪能激光的FCCBD 大包围自动互换台光纤激光切割机、焦点激光的FK3015S 汽车三维五轴激光切割机、斯塔克公司的STK-S-3015 三维五轴激光切割机、镭鸣激光的LMR 三维多轴智能激光切割装备等具有较高的知名度。

目前，在主要技术指标方面，国产三维光纤激光切割机产品与国外主流产品相差不大。主要技术指标如表3 所示。

表3 三维光纤激光切割机主要技术指标

2.2 三维CO2 激光切割机

CO2激光切割机目前常用于厚度不超过12mm的不锈钢和厚度不超过25mm 的非金属材料的加工，在汽车内外饰工件以及其他行业的非金属件的切割加工中有比较广泛的应用。

目前，国外生产CO2激光切割机主要厂家有德国Trumpf 公司，意大利Prima Power 公司，以及日本小松公司、NTC 公司等。其中，Trumpf 公司的Tru-Laser Cell 7040 型三维CO2激光切割机、Prima Power 公司的Optimo 三维五轴激光切割机、小松公司的TLM系列三维5 轴控制激光切割机、NTC 公司的TLM610 双交换工作台的三维五轴激光切割机等产品具有较高的知名度。

TruLaser Cell 7040 型三维CO2激光切割机的X/Y/Z 轴行程为4000mm×2000mm×1000mm、B/C轴行程为±135°和n×360°，最大轴加速度4g，设有多个工作区，可根据需要方便选取，可选用多种激光器，并可通过更换激光加工头实施焊接、切割和激光熔覆等多种加工工艺。如图4 所示。

图4 TruLaser Cell 7040 型三维激光切割机

Optimo 三维五轴激光切割机同样适用于大型工件切割和焊接，其X/Y/Z 轴行程为4500mm×2500mm×1020mm、B/A 轴行程为±135°和360°，采用2.5～4kW 的速轴向流动和平板式CO2激光器。如图5 所示。

图5 Optimo 三维五轴激光切割机

TLM610 三维五轴激光切割机采用了龙门式床身、移动式工作台、一点指向式切割头，以及具有专利技术的摇杆控制箱、特殊割嘴结构及TDLC-04R高性能数控系统，并提供脱机编程功能。

目前，国内CO2激光切割主要应用于二维切割机产品，如民升激光科技有限公司研发的MS-1380激光切割机、纵通激光科技有限公司研发的ZT-CC1610 激光切割机等。暂未有产品化的三维CO2激光切割机产品。

3 发展动向

（1）高功率化。提高激光器的功率可提高加工能力和效率，降低加工成本。随着激光器成本的下降，三维切割机主流产品的功率已由几年前的2kW、3 kW 提升至4kW、6kW，现在也已出现了万瓦级产品，相信未来几年，万瓦级产品将成为市场主流。

（2）高速高精度。提高定位速度和定位精度有助于提高机床加工效率、满足工程机械及其他高附加值产品的性能要求、提升产品竞争力。目前，切割机主流产品的定位速度为100m/min，而高速切割机的定位速度最高可达280m/min。

（3）智能化。操作的自动化、智能化是工业4.0、智能制造的要求。越来越多的企业注重机床的智能化，如开放式系统、自动排料、自我故障诊断、工艺数据的智能管理、远程控制等。

（4）功能多样化。拓展机床的加工范围可增大机床的柔性和适应能力，进而提升产品的竞争力。国外不少先进三维切割机产品具有较宽的工艺范围，如Trumpf 公司的TruLaser Cell 3000 型和TruLaser Cell 7040 项三维激光切割机均具有三维切割、焊接金属熔覆功能；Prima Power 公司的Rapido 三维五轴激光切割机可使用多种激光器，满足多类焊接、切割加工的需要。

4 结语

在我国工业领域从传统加工向高端制造转型的大背景下，激光切割行业将保持高速发展的趋势。未来三维激光切割装备将向高功率化、高速高精度、智能化、功能多样化等方向发展。目前，与德国、日本、意大利等发达国家相比，我国无论在三维激光切割机产品方面，还是在激光切割头、高功率激光器等核心零部件方面，亦或在激光切割机理研究、高性能数控系统研发等关键技术领域，均存在较大差距，需要科技人员不断进行深入研究。