數(shù)控激光切割機(jī)床開發(fā)及其關(guān)鍵技術(shù)分析
2016-12-30 來源：佛山市精達(dá)信五金電器有限公司 作者：文彥
摘要：近年來，我國工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，切割技術(shù)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，現(xiàn)代的激光切割技術(shù)是熱切割技術(shù)發(fā)展的一大熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的熱切割技術(shù)相比較而言，激光切割技術(shù)具備精度高、效率高以及低污染等優(yōu)勢(shì)，而要想將激光切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，需要不斷研究其數(shù)控機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)來滿足發(fā)展的需求，文章對(duì)開發(fā)數(shù)控激光切割機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)做了簡單論述。
關(guān)鍵詞：主動(dòng)波浪補(bǔ)償；二次液壓控制；信號(hào)檢測；控制算法
激光技術(shù)主要是將激光束進(jìn)行聚焦，再聚焦后形成功率較高的密度光斑，并將需要被切割的材料快速的加熱，直到達(dá)到汽化的溫度，在經(jīng)過蒸發(fā)后形成氣孔，利用激光光束和材料之間的相對(duì)移動(dòng)，進(jìn)行窄縫切割的連續(xù)切割。利用激光技術(shù)進(jìn)行切割，可以對(duì)一些影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括激光的功率，激光切割的速度、氣壓以及光路系統(tǒng)。
1.激光切割機(jī)床中數(shù)控系統(tǒng)的嵌入
嵌入式系統(tǒng)也就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行作為核心內(nèi)容，由其軟件與硬件控制裁剪，其適用與不同系統(tǒng)根據(jù)不同版本的系統(tǒng)的具體功用，做出與不同要求相適應(yīng)的專用系統(tǒng)。其主要的結(jié)構(gòu)有：嵌入式處理器和外圍設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件。數(shù)控激光設(shè)備是利用計(jì)算機(jī)運(yùn)行技術(shù)，將嵌入式系統(tǒng)融入，這種方式被叫做嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以改變結(jié)構(gòu)對(duì)象，根據(jù)使用者的需求增設(shè)或減少，實(shí)現(xiàn)各種層次的數(shù)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的整體性能與可靠性，在一定程度上可以減少系統(tǒng)運(yùn)行的成本，不斷增大其做功率，提高數(shù)控激光切割機(jī)床的競爭力。
2.數(shù)控激光切割機(jī)床
2.1 光機(jī)聯(lián)動(dòng)切割機(jī)床
激光切割設(shè)備主要包括：激光器、聚焦系統(tǒng)與光束傳輸、電源和控制裝置、工作臺(tái)、氣源與水源、割柜和操作面以及數(shù)控裝置。其中激光器主要是提供激光切割設(shè)備加工中需要的光能，滿足設(shè)備加工需要的穩(wěn)定性與可靠性，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)設(shè)備加工的要求來調(diào)節(jié)合適的輸出功率。其中光束傳輸與聚焦系統(tǒng)，主要是將激光束聚焦在加工工件上，其中小功率系統(tǒng)需要采用透鏡聚焦，大功率系統(tǒng)使用反射聚焦鏡來聚焦。部分設(shè)備利用光纖來傳導(dǎo)，利用光纖導(dǎo)光系統(tǒng)的柔性、易配合性、功率密度性好等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行光束的聚焦。
其中工作臺(tái)中安裝伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)定位并切割加工工件，但是在使用工作臺(tái)時(shí)，需要保持其臺(tái)面的整潔干凈，保證其運(yùn)動(dòng)的精度，工作臺(tái)面材料需要選擇硬度較高的不容易被破壞的。控制裝置是用來顯示實(shí)時(shí)參數(shù)的，起到控制、保護(hù)、警報(bào)等作用，為了提高激光器的穩(wěn)定運(yùn)行能力，需要采用響應(yīng)較快的，穩(wěn)定性能較高的控制電源。
數(shù)控裝置是按照指定的代碼與程序格式來編寫加工程序單，其中包括工藝路線和參數(shù)、光斑運(yùn)動(dòng)軌跡和直徑、切削參數(shù)與輔助功能，將程序單的相關(guān)內(nèi)容統(tǒng)一的輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用軟件來控制并指揮機(jī)床來加工零部件。在激光切割的過程中，利用惰性氣體的特性來保護(hù)切割縫不受氧化，同時(shí)氣源可以防止聚焦透鏡受到金屬蒸汽的污染或者液體溶滴濺射，主要起到屏蔽的作用。而水源可以降低加工系統(tǒng)的整體溫度。
2.2 龍門式聯(lián)動(dòng)切割機(jī)床
龍門式光機(jī)聯(lián)動(dòng)激光切割機(jī)床是融激光器和機(jī)床以及數(shù)控系統(tǒng)為一體，這種數(shù)控激光切割機(jī)床設(shè)備整體性能好，并且占用的空間面積小，設(shè)備的成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。就激光和機(jī)床分離設(shè)備來說，其工件和光束的相對(duì)移動(dòng)可以采取的方式有兩種，一種是保持工作臺(tái)不同而光束移動(dòng)的方式，一種是工作臺(tái)移動(dòng)而光束固定不動(dòng)。
根據(jù)光束與設(shè)備相對(duì)移動(dòng)的特點(diǎn)，采用光機(jī)聯(lián)動(dòng)方式時(shí)，需要把機(jī)床設(shè)計(jì)為龍門式的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由激光器與移動(dòng)Y軸共同構(gòu)成切割機(jī)床橫梁部分，光束在沿著Y軸進(jìn)行短程運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件需要沿著X軸進(jìn)行長方向運(yùn)動(dòng)，這樣的構(gòu)成方式可以使機(jī)床結(jié)構(gòu)更加緊湊，當(dāng)Y軸在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，不需要加擴(kuò)束鏡，這樣可以有效的降低設(shè)備使用成本。
圖1 龍門式切數(shù)控切割系統(tǒng)圖
龍門式機(jī)床結(jié)構(gòu)布局可以做好整體的防護(hù)工作、集中抽風(fēng)與落料，在進(jìn)行工件的切割時(shí)，工件會(huì)受熱變形，在加工大型工件與薄板件時(shí)，由于其焦點(diǎn)位置很難一直不變，由此必須用檢測傳感器與信號(hào)處理器以及控制電器、驅(qū)動(dòng)裝置一同組成焦點(diǎn)自動(dòng)化追蹤系統(tǒng)，嚴(yán)格的控制機(jī)床的高度，以獲得較好的割縫質(zhì)量，其主要是利用激光切割的無切削力等優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了機(jī)床的整體布局，同時(shí)深入的研究了機(jī)床高速運(yùn)行與光束聚焦系統(tǒng)等一系列的關(guān)鍵技術(shù)，為提高機(jī)床的整體性能奠定了良好的基礎(chǔ)。
3.激光切割的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 光束聚焦問題
在使用數(shù)控激光切割機(jī)時(shí)，選擇的凹聚焦鏡直接影響著其切割的質(zhì)量，根據(jù)激光器波長的輸出長度一定，而高功率的激光在透視時(shí)，要保證透鏡材料均勻、吸收性低、導(dǎo)熱性高、機(jī)械強(qiáng)度高等品質(zhì)，要利用拋光表面與高水平光學(xué)鍍膜技術(shù)等，使用平凸鏡作為熱處理焊接需要的切割鏡片，平凸鏡不影響成像的品質(zhì)。同時(shí)光機(jī)聯(lián)動(dòng)式機(jī)床的高度控制系統(tǒng)，需要采用非接觸式的電容傳感器，保持切割噴嘴和加工金屬件在特定的高度，防止由于接觸產(chǎn)生探爪磨損。
3.2 氣體與噴嘴設(shè)計(jì)
通常情況下數(shù)控激光切割技術(shù)都需要采用輔助氣體，一些金屬材料或者非金屬材料，需要采用壓縮空氣或者惰性氣體，而大部分的金屬材料，需要用活性氣體即氧氣，調(diào)節(jié)氧氣的純度來控制切割的質(zhì)量。在選擇并確定使用何種輔助氣體為前提，要調(diào)節(jié)好氣體壓力的大小，若在進(jìn)行薄材料的高速切割時(shí)，需要將氣體的壓力調(diào)高，防止切割口的背面出現(xiàn)粘渣現(xiàn)象，若切割的材料的厚度增加或者切割的速度比較慢時(shí)，需要將氣壓適當(dāng)?shù)慕档停鋰娮煸谑褂玫倪^程中容易損壞，所以需要定期檢查并更換。
3.3 導(dǎo)光系統(tǒng)與切割速度
數(shù)控激光切割機(jī)導(dǎo)光系統(tǒng)主要包括反射式的擴(kuò)束鏡、折反射鏡片和圓偏振鏡片以及聚焦鏡片等，光束利用這些鏡片從激光器中被傳導(dǎo)到切割頭，最后進(jìn)行聚焦并在噴嘴處和切割輔助氣體一同輸出，但需要注意的是：由于透鏡在吸收傳遞光束的過程中，會(huì)出現(xiàn)能量損失導(dǎo)致變形的情況，最終會(huì)造成光束的焦點(diǎn)位置被改變，而影響到切割的效果，由此需要選擇無氧銅鍍金鏡片，在鏡片內(nèi)直接注入冷卻水，保證切割的質(zhì)量。除此之外在使用光纖進(jìn)行激光的傳導(dǎo)時(shí)，需要充分考慮光纖傳導(dǎo)功率的大小.
數(shù)控切割技術(shù)的使用過程中，需要嚴(yán)格控制切割的速度，需要利用能量平衡或者熱傳導(dǎo)的公式來估算其最大的切割速度，而且切割的速度還與光束的有效功率的密度、激光光束的模式、激光光斑的尺寸、被切割材料的密度、汽化需要的能量等因素有關(guān)，由此需要經(jīng)過實(shí)踐效果的最佳效果來確定切割的速度。
3.4 光路補(bǔ)償措施
光束發(fā)散性的特性和光束偏振的特性是在設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)時(shí)主要考慮的兩個(gè)方面，其光束的補(bǔ)償措施主要有擴(kuò)束鏡、平片VRM（變曲率半徑鏡）、恒定光程系統(tǒng)。其中擴(kuò)束鏡是由凸、凹透鏡一同組成，是一種光學(xué)系統(tǒng)，可以改變光束大小同時(shí)還可以改變光束發(fā)散特性。其工作的原理是下擴(kuò)束光束再聚焦光束，以得到最小的焦點(diǎn)，將光束的直徑有效的控制在合理的切割范圍內(nèi)，提高切縫同板材的垂直精度，裝置辦法，如圖2所示。
圖2 擴(kuò)束鏡的安裝示意圖
其中VRM系統(tǒng)的主要運(yùn)行原理：調(diào)整變量泵輸出的流量控制VRM鏡片中水槽的水壓，達(dá)到改變透鏡曲率半徑的作用，其可以改變光路長度的同時(shí)調(diào)整光束特征參數(shù)，保持焦點(diǎn)半徑與焦點(diǎn)深度穩(wěn)定性。VRM系統(tǒng)的構(gòu)成比較復(fù)雜，成本比較高并且需要用閉環(huán)進(jìn)行控制，這一系統(tǒng)在國外的一些技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品中會(huì)使用這種光路補(bǔ)償辦法，但是在我國國內(nèi)由于數(shù)控激光切割機(jī)床的整體技術(shù)水平還不夠完善，由此很難達(dá)到預(yù)計(jì)的使用效果。
恒定光程系統(tǒng)指的是恒定激光器與加工版面光束的傳輸距離，其恒定方案主要包括：一種是單獨(dú)用一臺(tái)伺服電機(jī)來控制光學(xué)鏡片，取得最終的恒定光路的長度，這種方案可以有效的調(diào)節(jié)光路的長度，并滿足光程長度不同的加工需求。另一中是利用光學(xué)鏡片與導(dǎo)光壁確定光路的恒定長度，此方案調(diào)節(jié)光路比較簡單。
4.結(jié)語
數(shù)控激光切割技術(shù)正在不斷地完善，其使用的成本得到了有效的降低，而設(shè)備的工作效率卻在不斷提升，但是我國的數(shù)控激光切割技術(shù)在一定程度上，還沒有滿足工業(yè)發(fā)展的需求，而我國正在不斷嘗試研發(fā)功能齊全的數(shù)控切割設(shè)備，來促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，文中針對(duì)數(shù)控切割機(jī)床以及其關(guān)鍵技術(shù)等方面做了簡單的闡述，意在為提高我國激光切割技術(shù)水平提供可參考的建議。
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