激光切割Z軸彈性定距隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳和平，石 敏，王曉暉

（武漢市工程科學(xué)技術(shù)研究院 光電技術(shù)研究室，武漢 430019）

1 Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及分析

在數(shù)控非接觸加工行業(yè)，尤其是激光切割、激光打孔等領(lǐng)域，工作距測(cè)量及定位（“自動(dòng)對(duì)焦”）一直是困擾業(yè)界的技術(shù)瓶頸。圍繞著該問(wèn)題的解決方案，產(chǎn)生了一個(gè)專業(yè)的技術(shù)分支——Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)。

一般說(shuō)來(lái)，在激光加工過(guò)程中，激光束的聚焦點(diǎn)應(yīng)位于被加工件表面，焦點(diǎn)對(duì)加工面的偏移（離焦），將極大的損失加工功率密度，其衰減曲線為幾何級(jí)數(shù)。所謂“Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)”是指在加工過(guò)程中，“激光頭”（Z軸）隨著加工面表面的起伏而作同步的移動(dòng)，以保證其工作距（焦距）的基本恒定。

目前國(guó)際上主流的Z軸隨動(dòng)裝置，是由電容測(cè)距、信號(hào)處理及Z軸伺服組成的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單但技術(shù)復(fù)雜。電容測(cè)距過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于位移的微小波動(dòng)，其電容變化量往往為皮法（10～12 F）量級(jí)。而溫度波動(dòng)、光焰濺射，表面異物等噪聲擾動(dòng)使得信號(hào)的采集異常困難。同時(shí)，由于加工面上孔及凸臺(tái)等不確定因素的存在，會(huì)產(chǎn)生大量的偽信號(hào)，對(duì)其的甄別處理，技術(shù)上也很復(fù)雜。所以，目前國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)，包括上海激光所、華工科技等，雖對(duì)其多有研究，但尚未有成熟的產(chǎn)品或者可行的解決方案。

因此有必要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)高度跟隨系統(tǒng)，使激光頭出光口與工件間隙保持不變、無(wú)跟蹤響應(yīng)滯后效應(yīng)。隨動(dòng)系統(tǒng)適用于金屬和非金屬材料且能保護(hù)激光頭，減少切割加工中對(duì)焦工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工效率。

2 彈性定距Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套適用于激光切割的Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)，包括彈性定距隨動(dòng)部分和伺服控制快速升降部分：彈性隨動(dòng)部分又由萬(wàn)向滾動(dòng)球頭和裝有彈簧的導(dǎo)套、激光頭組成；伺服控制快速升降部分則由行程開(kāi)關(guān)、上下限位桿、控制用電機(jī)構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制部分組成。最終實(shí)現(xiàn)一套可自動(dòng)對(duì)焦、無(wú)響應(yīng)滯后、工作距恒定的彈性定距Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)。

3 彈性定距Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

激光切割Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)涉及到光、機(jī)、電和數(shù)控方面的知識(shí)，交叉性和綜合性非常強(qiáng)。在提出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案前，首先對(duì)各組成環(huán)節(jié)的功能需求進(jìn)行定性分析，為后面的具體設(shè)計(jì)理清思路，確定設(shè)計(jì)步驟。

3.1 各組成部分的功能需求分析

1）彈性定距隨動(dòng)部分功能需求分析

彈性定距隨動(dòng)部分（包括彈性組元和測(cè)距頭）是整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，不但要實(shí)現(xiàn)彈性浮動(dòng)，還要實(shí)現(xiàn)測(cè)距頭和激光頭出光口的距離為一定值，這樣才能保證激光切割加工工作距的恒定。其主要組成部分需要滿足以下條件：

彈性組元部分應(yīng)能靈活自如地在垂直方向彈性浮動(dòng)，且不能產(chǎn)生晃動(dòng)。系統(tǒng)工作時(shí)彈性預(yù)壓力使得測(cè)距頭和被加工件表面接觸。

測(cè)距頭和被加工件表面接觸，要求能夠隨著工件表面的高低起伏而移動(dòng)。

2）伺服控制快速升降部分功能需求分析

伺服控制快速升降部分是彈性定距Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)彈性浮動(dòng)超出規(guī)定的范圍時(shí)，行程開(kāi)關(guān)啟動(dòng)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)Z軸的快速升降。其主要機(jī)構(gòu)需要滿足以下條件：

控制電機(jī)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)需響應(yīng)靈敏，升降快速，因此電機(jī)需啟動(dòng)快，扭矩大；傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡量減少整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以提高啟動(dòng)速度，并保證其平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 彈性組元設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

彈性組元在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的范圍內(nèi)隨被加工件表面高低起伏而垂直上下彈性浮動(dòng)，首先要有滿足加工條件的彈力，其次是不能晃動(dòng)，最后是上下移動(dòng)要靈活。

1）彈性浮動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

彈性浮動(dòng)裝置的主要作用是靈活自如地在垂直方向彈性浮動(dòng)，根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)中摩擦和晃動(dòng)是始終考慮的因素，由于激光束必須經(jīng)過(guò)彈性組元部分，所以我們采取了中空活動(dòng)導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)方式，如圖1所示，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)套的導(dǎo)柱部分提出了表面淬火的熱處理要求以提高表面硬度，改善活動(dòng)導(dǎo)套和固定導(dǎo)套的摩擦工況，延長(zhǎng)零件的使用壽命。為達(dá)到垂直上下運(yùn)動(dòng)不發(fā)生晃動(dòng)的要求，我們通過(guò)加長(zhǎng)活動(dòng)導(dǎo)套導(dǎo)柱部分和固定導(dǎo)套的接觸面積以增強(qiáng)垂直上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，另外，在活動(dòng)導(dǎo)套上安裝一垂直方向?qū)驐U，與固定導(dǎo)套上的導(dǎo)向孔配合，保證激光頭在垂直方向上下彈性浮動(dòng)且不晃動(dòng)。

圖1 浮動(dòng)裝置設(shè)計(jì)圖

2）彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)

彈簧是彈性組元部分能否實(shí)現(xiàn)彈性浮動(dòng)的關(guān)鍵，彈簧的彈力和工作行程是設(shè)計(jì)中考慮的兩大核心參數(shù)，根據(jù)工作條件，彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第Ⅱ類彈簧來(lái)考慮，我們選用碳素彈簧鋼絲B級(jí)。設(shè)計(jì)安裝載荷(要求) F1'=1(N)，安裝高度H1=59.00(mm)，工作載荷(要求)F2'=15(N)，工作行程 h=10(mm)，要求剛度 k'=1.40(N/mm)，載荷作用次數(shù)N=1000(次)，利用彈簧設(shè)計(jì)軟件（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)軟件版3.0）進(jìn)行校核分析計(jì)算，軟件如圖2所示，確定彈簧基本參數(shù)：鋼絲直徑d=1.60mm，彈簧中徑D=34.8mm，旋繞比C=21.75，曲度系數(shù)K=1.01，有效圈數(shù)n=10，壓并圈數(shù)n2=1，實(shí)際剛度k=0.15N/mm。

圖2 彈簧設(shè)計(jì)軟件

由于實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜，我們?cè)O(shè)計(jì)了d=1.4,d=2，d=3三種線徑的壓縮彈簧，經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，我們目前采用線徑d=1.4的壓縮彈簧，完全滿足彈力需求。

3.3 測(cè)距頭即萬(wàn)向滾動(dòng)球頭的選型及設(shè)計(jì)

測(cè)距頭是實(shí)現(xiàn)工作距恒定的重要環(huán)節(jié)，而且和被加工件表面緊密接觸，因此質(zhì)量?jī)?yōu)良、運(yùn)動(dòng)靈活是設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵因素，根據(jù)功能需求，我們選用了帶有螺桿的型號(hào)為C-5H萬(wàn)向滾珠作為萬(wàn)向滾動(dòng)球頭的功能部件，該型號(hào)萬(wàn)向滾珠是機(jī)加件，質(zhì)量過(guò)硬，滾動(dòng)靈活，基本能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。萬(wàn)向滾珠安裝在支撐桿上，支撐桿和激光頭通過(guò)螺紋實(shí)現(xiàn)剛性聯(lián)接，根據(jù)激光頭透鏡的焦距決定的工作距，設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐桿尺寸參數(shù)，使得激光頭出光口和萬(wàn)向滾珠末端（球體頂點(diǎn)）距離為一設(shè)定值，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的工作距恒定，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)距頭結(jié)構(gòu)圖

3.4 Z軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

Z軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速升降的功能，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)帶動(dòng)整套系統(tǒng)的快速升降，我們采用伺服電機(jī)和導(dǎo)軌滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，該傳動(dòng)方式平穩(wěn)快速，技術(shù)成熟。

伺服控制快速升降部分由行程開(kāi)關(guān)、上下限位桿、控制用電機(jī)構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制部分組成，其控制原理如圖4所示。

圖4 Z軸控制原理圖

行程開(kāi)關(guān)SW1和SW2分別檢測(cè)激光頭的上升和下降是否超出了彈性浮動(dòng)范圍，一旦激光頭上下浮動(dòng)超過(guò)了規(guī)定的彈性范圍，行程開(kāi)關(guān)便向伺服電機(jī)5發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制Z軸激光頭上下移動(dòng)。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 試驗(yàn)及分析

通過(guò)以上各部分設(shè)計(jì)，接受檢驗(yàn)的時(shí)刻到來(lái)了，那就是把各部分連接起來(lái)，組成一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，然后進(jìn)行整體的調(diào)試，看是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。調(diào)試的順序和方法是：首先用指示光調(diào)整光路，其次是調(diào)整Z軸行程開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟位置，最后是加載彈性預(yù)壓力使得萬(wàn)向滾動(dòng)球頭和被加工件緊密接觸。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 模擬現(xiàn)實(shí)工況試驗(yàn)

在整套設(shè)備未通電的狀態(tài)下，模擬現(xiàn)實(shí)工況，手工移動(dòng)被加工件，檢驗(yàn)萬(wàn)向滾動(dòng)球頭是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，在不同方向上勻速移動(dòng)被加工件，遇到工件高低不平時(shí)，系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)彈性浮動(dòng)，上下移動(dòng)基本穩(wěn)定。

上述試驗(yàn)說(shuō)明，彈性組元和測(cè)距頭的機(jī)械功能是符合設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)的，然后我們打開(kāi)指示光，使設(shè)備處于實(shí)際加工狀態(tài)，但不打開(kāi)激光，實(shí)際運(yùn)行效果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 實(shí)際加工試驗(yàn)

上面的模擬現(xiàn)實(shí)工況試驗(yàn)雖然運(yùn)行效果良好，但是還沒(méi)有“真刀實(shí)槍”地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，只有經(jīng)過(guò)實(shí)際加工，才能對(duì)完整地反應(yīng)隨動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在實(shí)際加工試驗(yàn)中，我們模擬現(xiàn)實(shí)惡劣工況制作了被加工件，在被加工碳鋼板上焊接厚度分別為1mm，2mm，3mm，4mm的橫條，如圖6所示。

圖6 模擬被加工件

經(jīng)過(guò)實(shí)際切割加工，由于萬(wàn)向滾動(dòng)球頭的結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)厚度超過(guò)4mm時(shí)，萬(wàn)向滾動(dòng)球頭會(huì)被工件卡住，但考慮到現(xiàn)實(shí)工況中幾乎沒(méi)有如此惡劣的工況，故沒(méi)有進(jìn)一步研究。其他不同程度的彎曲，高低起伏，該隨動(dòng)系統(tǒng)均能按設(shè)計(jì)要求平穩(wěn)運(yùn)行，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，可投入實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目進(jìn)行了如下四項(xiàng)工作：

1）結(jié)合自身設(shè)備實(shí)際情況，分析對(duì)比了接觸式和非接觸式測(cè)距頭隨動(dòng)方案，選擇接觸式彈性定距測(cè)距頭。

2）在彈性定距的功能實(shí)現(xiàn)上，選擇了萬(wàn)向滾珠作為功能元件；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，并通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，得到了彈性組元的重要元件彈簧的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3）設(shè)計(jì)彈性浮動(dòng)裝置；該裝置設(shè)計(jì)安裝有垂直導(dǎo)向桿，實(shí)現(xiàn)了較為穩(wěn)定的垂直上下移動(dòng)。

4）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服快速升降部分的控制部件和控制電路。

5）通過(guò)上述工作，最終實(shí)現(xiàn)了整個(gè)Z軸彈性定距隨動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和實(shí)際加工應(yīng)用表明，該套Z軸彈性定距隨動(dòng)系統(tǒng)達(dá)成了項(xiàng)目預(yù)期的自動(dòng)對(duì)焦、工作距恒定的高度跟隨目標(biāo)，可投入生產(chǎn)使用。

本套Z軸彈性定距隨動(dòng)系統(tǒng)采用的是三個(gè)萬(wàn)向滾動(dòng)球頭的三點(diǎn)接觸方式，在加工中受被加工件表面不平整和加工路徑不規(guī)則的影響，有時(shí)不能三點(diǎn)同時(shí)接觸被加工件表面，甚至只有一個(gè)萬(wàn)向滾動(dòng)球頭作用于被加工件，因此若萬(wàn)向滾動(dòng)球頭和激光頭出光口距離過(guò)大，容易造成逆焦，雖然實(shí)際加工中此類現(xiàn)象較少，但依然值得我們進(jìn)一步研究探索。

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