激光柔性落料線探討與應(yīng)用研究

王琦 陳春 王梓

摘 要：本文首先介紹了激光落料線的發(fā)展概況和工作原理，著重闡述柔性激光與傳統(tǒng)沖壓落料間的對比分析。激光落料的加工效率比傳統(tǒng)落料低是其最大劣勢所在?；诖?，本文介紹了幾種加工效率提升的措施，包括激光切割工藝改進(jìn)、機(jī)床與輸送鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多激光頭分配路徑、定制化套料軟件算法開發(fā)等。

關(guān)鍵詞：高柔性;激光切割;動態(tài)落料

前言：

近年來，汽車輕量化技術(shù)的快速發(fā)展使得高強(qiáng)鋼、鋁合金等材料得到了大規(guī)模的使用，光纖激光器功率的大幅度提高也促使激光切割的速度有了質(zhì)的突破，汽車板的需求正逐步從規(guī)?；蚨ㄖ苹D(zhuǎn)變，尤其在超薄板加工領(lǐng)域，激光落料相比于傳統(tǒng)的沖壓落料優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)壓力機(jī)落料的加工問題嚴(yán)重且長時間未有有效解決方式，包括：①模具的開發(fā)成本高，周期長，磨損過快，修復(fù)較困難，不適合多品種、小批量零部件的加工;②鋁板加工過程中極易形成鋁積瘤，又增加約10%的維修成本，導(dǎo)致對表面質(zhì)量要求高的產(chǎn)品的合格率小于 90%。對比而言，激光落料線可無模具、柔性編程、動態(tài)連續(xù)切割，總成本大幅度縮減，加工材料的表面質(zhì)量和利用率顯著提升，尤其針對小批量、換型較頻繁的零件加工，替代傳統(tǒng)落料的趨勢非常強(qiáng)勁[1]。本文以公司最新研制的項(xiàng)目為背景，重點(diǎn)介紹鋼鋁混合柔性激光落料線。

1 激光落料線發(fā)展情況相關(guān)概述

早在21世紀(jì)中期，為使用激光器替代傳統(tǒng)的沖壓落料線中的沖壓機(jī)和剪床等設(shè)備，以克服其諸多不足，美國的LaserCoil Technologies公司就設(shè)計(jì)了一種可以直接切割鋼卷的激光切割解決方案。2012年用原型生產(chǎn)線試產(chǎn)成功后，又于2014年將其研制的卷材激光落料系統(tǒng)推出市場并申請了可成功應(yīng)用于不同生產(chǎn)環(huán)境的多項(xiàng)專利。隨后，SCHULER 、DIMECO、BWD 等眾多國外一流的設(shè)備制造商也相繼進(jìn)軍到激光落料行業(yè)。2015年 6 月，SCHULER（舒勒）交付給戴姆勒公司位于德國的奔馳工廠兩條動態(tài)激光落料線。自此全球激光落料線的高端市場拉開了序幕，最初其服務(wù)對象多集中在汽車行業(yè)。隨著激光落料在鈑金加工領(lǐng)域的關(guān)注度一直居高不下，國內(nèi)眾多企業(yè)也紛紛加入激光落料設(shè)備研發(fā)的隊(duì)伍。

從控制原理的角度分析，目前主要有兩種較具代表性的技術(shù)路線：一種是連續(xù)落料動態(tài)切割技術(shù)，鋼板連續(xù)送料的同時多激光頭并行同步切割，這一新工藝雖研發(fā)難度極大，但在生產(chǎn)效率、落料質(zhì)量與輪廓精度等方面都有著無可比擬的優(yōu)勢，若成功投產(chǎn)，不僅能夠勝任多種材料的加工處理，還可實(shí)現(xiàn)在廠房建設(shè)、物流成本、沖壓車間維護(hù)等各個環(huán)節(jié)全方位地降本升效，也代表了激光落料的未來趨勢;另一種技術(shù)路線則是啟停式加工，切割時鋼板靜止，待靜態(tài)切割完成之后，輸送鋼板，進(jìn)行下一組切割循環(huán)，此種形式的落料沒有明顯的效率優(yōu)勢，但在低端市場也有廣泛應(yīng)用[2]。

2 激光落料線組成及工作流程簡介

柔性激光落料線配有上卷機(jī)組、開卷機(jī)組、切頭剪、矯平機(jī)組、激光連續(xù)切割機(jī)組、動態(tài)下料機(jī)組、碼垛機(jī)組等。除卻最核心的落料單元，其余部分與傳統(tǒng)落料線基本一致，核心主機(jī)采用激光連續(xù)切割機(jī)組替代沖壓單元，由激光切割這種無接觸加工取代沖壓、剪切式加工，是對落料工藝的極大創(chuàng)新 。加工流程主要包括以下步驟：

鋼卷上卷→開卷 →矯平→活套→送料→柔性激光連續(xù)切割→機(jī)器人動態(tài)下料→碼垛。

具體工作原理是：鋼卷卷料經(jīng)由上料小車送入開卷機(jī)，經(jīng)引料、切頭、清洗、夾送后進(jìn)入到校平定尺單元，對板料進(jìn)行矯直、糾偏后，經(jīng)由夾料輥夾持使板料實(shí)現(xiàn)邊對齊，再經(jīng)過二次定位以防止鋼板傳送過程中擺動，接下來鋼板被送至激光切割單元，以連續(xù)動態(tài)（無間歇停頓）模式通過切割區(qū)域，多激光切割頭與輸送機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動，在鋼板連續(xù)送料的前提下完成動態(tài)切割，零件被送至后續(xù)的機(jī)器人動態(tài)下料單元，完成廢料分離與堆垛工作。此設(shè)備設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，自動化程度高，可滿足產(chǎn)品尺寸精度高、表面加工質(zhì)量好、生產(chǎn)節(jié)拍快、換型頻繁等諸多要求。

3 激光落料線效率提升的主要措施

相比傳統(tǒng)的基于模具的落料設(shè)備，激光落料可以為輪廓設(shè)計(jì)帶來更高的靈活性，飛行切割更能大大提升材料利用率，顯著降低單件產(chǎn)品的成本。雖然這一新工藝在落料質(zhì)量與輪廓精度方面有著出色的表現(xiàn)，能夠勝任多種材料不同形狀的加工處理，但若不能突破生產(chǎn)效率不高的桎梏，則很難有廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外制造商也將研發(fā)重點(diǎn)聚焦在效率提升上，作為難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)。目前主要從提高激光高速切割工藝、優(yōu)化機(jī)床與鋼板送料結(jié)構(gòu)、多頭分配路徑，套料軟件定制開發(fā)這4 個方面進(jìn)行研究與突破。

3.1 高速激光切割

前些年由于激光技術(shù)的限制，激光在小批量的金屬板材切割領(lǐng)域占絕對地位，但在大規(guī)模生產(chǎn)上卻表現(xiàn)不佳，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的激光切割速度過慢，無法滿足高速加工的要求。近年來光纖激光的快速發(fā)展引發(fā)了相關(guān)行業(yè)的變革，而且光纖傳導(dǎo)激光是固態(tài)激光，易于維護(hù)與集成及傳導(dǎo)能量，由于汽車的白車身厚度普遍在3毫米以下，且光纖激光高度聚集的光線特別適合快速切割薄板，所以激光切割工藝應(yīng)用在汽車零部件加工領(lǐng)域是優(yōu)中之選。排列幾臺大功率的光纖激光器同時連續(xù)切割零件，其生產(chǎn)效率得以大幅提高。

通過對激光切割工藝的持續(xù)深入研究與優(yōu)化創(chuàng)新，例如對隨動控制方式及切割保護(hù)氣等不斷改進(jìn)，極大提升了單體激光頭切割的速度、效率和質(zhì)量。一流的激光設(shè)備制造商爭相將這一指標(biāo)刷新升級，以本田為例，現(xiàn)可達(dá)到120m/min（板件厚度 0.6mm）的切割速度，對比之前的加工效率可謂有了質(zhì)的飛躍[3]。

3.2 機(jī)床與輸送結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料應(yīng)用研究、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器和電機(jī)的仔細(xì)篩選，極大的提升了激光切割機(jī)床的動態(tài)響應(yīng)性。機(jī)床的直線軸采用直線電機(jī)，相比于傳統(tǒng)的伺服加絲杠的結(jié)構(gòu)，大大簡化了電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的傳動環(huán)節(jié)，保證了機(jī)床本體的高動態(tài)、高精度加工;鋼板輸送單元為雙驅(qū)同步高精度板鏈輸送機(jī)，運(yùn)動速度不僅可確保與鋼卷進(jìn)給單元的輸送速度完全一致，而且可實(shí)現(xiàn)鋼板高速穩(wěn)定連續(xù)的輸送，在提升加工效率方面起到了至關(guān)重要的作用。

3.3多頭協(xié)調(diào) 分配路徑

建立多個切割頭之間協(xié)調(diào)分配路徑、單個切割頭與輸送單元之間動態(tài)協(xié)調(diào)、輸送單元與鋼板壓送單元、自動下料單元之間速度協(xié)調(diào)，開發(fā)落料線的多通道多頭控制技術(shù)，統(tǒng)一的控制器與軟件平臺使多軸運(yùn)動信息得以實(shí)時高效交互，大大提升設(shè)備的加工效率。目前市面上常見的高端激光落料線多配有兩至三個切割頭，可加工寬度為1135mm、1260mm、1360 mm、1930 mm等不同尺寸及不同材質(zhì)、不同零件的鋼卷，是更加經(jīng)濟(jì)的選擇。此外，激光落料設(shè)備可提供多種選配件，能夠滿足不同客戶的多樣化需求，也能適用未來若干年的生產(chǎn)需要，靈活性及生產(chǎn)柔性較之傳統(tǒng)的沖壓落料線有質(zhì)的突破與提升。

3.4 套料軟件定制開發(fā)

套料軟件是柔性激光落料線的控制核心，基于此平臺需要完成諸多核心算法的開發(fā)，包括多切割頭軌跡規(guī)劃、切割輪廓合理高效分工、多頭切割軌跡順滑搭接、切割避讓算法、劍柵與夾爪智能控制、分料智能拾取預(yù)處理、工藝數(shù)據(jù)庫框架搭建等功能開發(fā)，定制出專用于柔性激光落料的套料軟件。

結(jié)束語：

柔性激光落料線是足以顛覆落料與鈑金加工行業(yè)的產(chǎn)品，它集沖壓落料線、激光高速切割機(jī)床、橫切線，智能動態(tài)下料四線合一，不僅能適應(yīng)汽車輕量化對高強(qiáng)鋼、鋁合金的加工需求，也能滿足市場對小批量、多品種工件的加工要求，具有強(qiáng)大競爭力，廣大的發(fā)展前景和市場價(jià)值，代表了一個正冉冉升起的新興產(chǎn)業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王平， 崔禮春.先進(jìn)開卷落料線的工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)， 2013，38 （4）：190-192.

[2]舒勒集團(tuán).舒勒亞洲首條雙激光頭開卷落料線[D].鍛壓裝備與制造技術(shù)， 2018， 53（6）：5.

[3]胡俊舟.激光切割技術(shù)在沖壓行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].模具制造，2012，（9）：78-81.