数控激光切割机的加工原理及其结构组成分析

乔永强，李任戈，李志禹，温庆年

（中建科工集团有限公司，广东 深圳 518040）

随着国家大力发展钢结构建筑的趋势和政策指引，钢结构的加工体量持续加大，而钢构件的切割是钢结构加工极为重要的一项技术。以数控机床和激光技术为基础的数控激光切割机补足了传统切割技术的短板，实现了切割精度、准确度及稳定性的同幅度提升。为进一步优化建筑钢结构切割成效，推动数控技术和激光切割的有机融合，有必要对其加工原理和结构组成作进一步的分析。

1 数控激光切割机基本概述

1.1 技术特点

数控激光切割机有效整合了数字控制和激光技术，兼具高精度、高速度及高安全性的技术特点。数控激光切割支持高精度的反复切削，且其精密度并不会在反复切削中而出现变动。同时，在切割刚性较强的金属材料时，数控激光切割机的切削速度及能力远远超出了常规磨削机。此外，同砂轮及锯齿切割等技术比较，数控激光切割技术的风险系数相对更低，安全性较为理想。

1.2 用途及优势

数控激光切割机除了具备切割各类金属材料、特殊材料以及机械部件的应用功能外，还可用于打孔等精密加工工艺。当前阶段，数控激光切割已在食品机械、电梯制造、工具加工、农林机械、激光对外加工服务等各种机械制造加工行业普及应用，发挥着不可替代的作用。数控激光切割在操作流程、切割效率以及应用范围等方面有着传统机械切割无法比拟的优势，且其切割后所产生的间隙以及热影响区面积相对更小，总体切割性能较为优越。

1.3 常见分类

虽然各行业对数控激光切割机的功能需求不尽相同，但高效率、精密度以及安全性是机械制造业在切割环节的永恒追求。当前阶段，各领域通用的数控激光切割机常见分类主要有3 种：（1）YAG 固体激光切割机，其通过大功率光束照射来加速熔/气化进程，并借助高速气压流来实现吹出操作，进而完成元件切割工作。此类型切割机成本性能相对较高，且稳定性较为理想，因此在机械切割领域广受欢迎。（2）光纤激光切割机，其切割原理同YAG 比较相似，即借助激光光束完成切割操作，但其光束来源于光纤激光器，光束质量较高且体积精巧，适用于柔性加工和金属元件切割，在非金属元件切削方面稍显不足。（3）CO2激光切割机，其激光光束来源于CO2、N2以及He 等主要气体分子间的能量转移及振动运动，激光动能转化效率及效果相对理想，在大功率切割作业中尤为适用。

2 数控激光切割机加工原理

数控激光切割机以高功率密度的激光为加工能源，在聚焦镜作用下，光斑直径会明显缩小，而激光束功率密度会大幅增加，这一过程涉及公式为d=2.44λ/D·f（d 为聚焦处理后的光斑直径；λ 表示固定波长，为10.6μm；D 表示激光器光束直径；f 则表示透镜焦距），此公式多用于单模输出。但激光切割机的应用离不开大功率激光器，即为多模输出，功率密度采用Po=4W/πf²θ²这一公式（W 表示输出功率，f 表示焦距，θ表示发散角）。经大功率密度照射，材料温度很难及时扩散，此时聚焦点的温度将直线上升，待获得足够能量后便会触发熔化及汽化，激光切割设备的反应将明显加快，进而完成切割操作。数控技术的应用可将工件外形转化为数控装置能理解的信息，数控装置可依据输入信息给出相应脉冲指令，通过驱动马达来操控工作台的运作，通过连续进给促使激光束实施连续切割，在无模具的条件下随意加工平面图形和空间曲面零部件。

3 数控激光切割机结构组成分析

3.1 20000W 光纤激光切板机

此类切割机适用于机械制造领域的两维平面切割，切割对象涉及碳钢、不锈钢、铝合金、黄铜、紫铜、硅钢板、钛合金等多种材料。整机重量约27t，加工幅面为14000mm×3000mm，有效切割长度最大为长14000mm，宽3000mm，20mm 厚板材直切速度可达1000～1200mm/min，20mm 厚板材带有45°坡口切割速度可达600 ～800mm/min。详细结构组成如下。

3.1.1 机床底座

机床底座是切割机的基础零部件，也是保障切割机稳定、高效运作最关键的结构组成部分。切割机在高速运转时，往往伴随较高动能加速度，在此同时，动力零件将产生一定冲击力，这会影响机床底座的稳定运转和激光束质量，使得切割效果大幅下降。因此，在机床底座设计阶段，要注重动态稳定性的优化与提升。在焊接床身及横梁时，应积极实施退火处理、二次振动时效处理等工艺来消除焊接、加工等环节所产生的应力，以实现机床稳定性的全面增强和精密度的有效提升。为从刚性、便利性及精度等方面提升机床性能，可增加专用基准座，并配置性能极为优越的精密减速机、齿轮齿条及直线导轨等传动机构，以此为传动精度提供保障。在设计机床底座及切割平台时，还应充分考虑应用的便捷性，综合采用拼接组装、模块组装、随动抽尘结构等方法来改善用户的使用体验。

3.1.2 Z 轴随动机构和气路设计

在切割机运作期间，Z 轴随动装置在电容传感器支持下，能够对切削元件加工表面的平整度进行精准检测，并利用国际知名品牌伺服驱动来操控切割头，确保激光能量可聚焦于切削元件的表面。聚焦点精准与否直接影响切口间隙的小大和切割质量的高低，故要严格把控随动装置的检测精度，原则上不应低于0.010mm。此外，驱动转速也会对切割效果造成影响，一般以5m/min为佳。过高转速会致使切割头出现振动情况，影响切割精度，而过低转速则会使得切割速度降低，加剧资源浪费。切割机的气路可分成O2、N2及空气，各气体可自由切换。为提升气压控制精度和稳定性，应谨慎选择气体元件，如压力≤1.2MP 的比例阀和压力≤3MP 的电磁阀等。

3.1.3 数控装置

数控系统主要功能在于按照规定指令代码和相关程序格式将工艺参数与路线、光板直径与运动轨迹、切割参数及辅助功能转化为加工程序单，并将其中内容完整传输至计算机，进而操控机床执行零件加工操作。FACUT 为全功能数控激光切割控制系统，也是机械制造领域较为常用的坡口数控系统，自动化模型标定、法向量跟随、平面垂直度补偿、二维图导入、插补跟随控制、三维误差判断以及拐角处理等均为该系统的核心功能。FACUT 的装配及合理应用，能够对模型中的水平偏移、倾斜误差以及大角度垂直跟随时出现的定位偏差开展自动化校准补偿，并在割缝补偿的基础上增用板面垂直度补偿，利用所采集的数据点信息对加工区整体倾斜信息进行推算，从而实现高精度加工。与此同时，FACUT 的插补跟随控制功能还可提高摆动机构的整体稳定性，既能消除切割头末端抖动问题，也能够规避纯插补控制下的撞头风险，加强安全保护。除此以外，FACUT 也能够对各轴配合状态及滞后情况作出科学判断，为调试工作提供辅助作用。而拐角处理功能通过提前在断面所处平面内调整好法向量以及切线速度和方向，便可实现持续性切割的效果。

3.2 12000W 光纤激光切管机

此类切割机适用于机械制造加工领域的空间切割，如方管、圆管、槽钢异型管材等，切割对象涉及碳钢、镀锌管、不锈钢、硅钢管等。整机重量约38t，圆管加工范围为直径60 ～500mm，长12200mm，方管尺寸为60×60 ～350×350mm，长12200mm，16mm 壁厚带35°坡口切割速度可达600 ～800mm/min。详细结构组成如下。

3.2.1 机床底座

整机床身可分为3 段，为方管焊接结构，横梁部分为墙板焊接结构，均经退火消除内应力、二次时效等工艺加工而成，稳定性比较可观。

3.2.2 随动机构

12000W 光纤激光切管机综合运用了Z 轴、Y 轴及W轴随动机构，在实现切割头上下运动的同时，进一步优化了切割质量及加工精度。

3.2.3 传动机构

12000W 光纤激光切管机传动机构主要应用在3 个环节：（1）夹料，此处应用气动卡盘，夹料后可自动校准轴心，卡爪的设计可依据管材形状而调整，从而实现对不同管材的高效装夹。（2）上料，以V 型支架为料架，支持一次放置多根管料，采用链条传动形式进行送料，在伺服电机操控下，结合管材大小实现自动化高度调整，确保各类管材均可准确输送至卡盘中心，为卡盘的自动装夹提供有利条件，以提升管材加工精度。配置进口伺服电机配合丝杆，以实现上料效率及精准度的全面提升。（3）下料，此处实行分区接料，设立废料仓并装置滚轮。在切割长料时，4 个卡盘会同时运作，以此确保切割稳定，材料进入接料架后会由链条自动传输出料。

3.2.4 气路、水路系统

气路可分为两部分：（1）为切割气体，主要涉及压缩空气、高纯氮以及高纯氧；（2）为运动辅助气体，以压缩空气为主，其能够直接驱动气缸，借助除尘风机强大的除尘功能来消除烟尘。水路也可分为两部分，冷却水自冷水机组排出后一部分会经激光器制冷循环后再次进入冷水机，另一部分则经激光切割头部分循环后再次进入冷水机。

3.2.5 切割头部分

原则上讲，切割头应支持高效率的焦距透镜更换（如5'、7.5'焦距透镜），并且能确保透镜更换完毕后无须对光路系统做出任何调整。此外，还应将防碰撞安保系统合理装置于切割头部位，确保切割头在遭受外力冲击后能在短时间内回归至原定位置，从而保证加工精度不受影响。为了对切割角度进行精准控制，切割头摆动部分仍选用进口伺服电机，切割头则选用现阶段最先进、内部结构绝对密封的激光头，从而降低光学镜片受污染的可能性。在伺服电机的自动调焦下，对激光头部分实施两点对中调节，以优化穿孔效率及质量。

3.2.6 数控装置

采用最专业的TubePro 激光加工数控系统，其紧凑的结构、模块式组装和高性价比较好地满足了广大用户对数控系统的性能需求。其优势体现在5 方面：（1）架构。有别于以往的双CPU 设计，TubePro 将所有系统软件运行于主PC 处理器中，系统设计构架合理且先进。（2）技术。在CNC 技术支持下，系统功能可通过模块化形式实现对外开放，且无须对硬件作出改动。（3）性能。5 轴联动及坐标变换等功能的日益完善能够实现对多轴多通道的良好操控，为数控设备的良好运作提供保障，且可针对轻度扭曲变形的瑕疵管材进行自动校正加工。（4）功能。该系统可满足用户的多样化功能需求，并在应用领域落实功能优化，以实现性价比的最大化。（5）界面。此系统的实时内核破解了Windows系统的实时控制难题，且在保障实时性的同时还突显了操作便捷、界面友好等特性。

4 结语

综上可知，数控激光切割机在建筑钢结构切割加工中开始发挥重要作用，今后必将成为建筑钢结构生产制造领域不可或缺的机械设备。为了推动数控激光切割技术的进一步完善，仍需加大对其加工原理和结构组成的研究与探索力度，深入挖掘其潜在价值，以提升我国数控激光切割技术在建筑钢结构下料领域的水准。