數(shù)控激光切割機的加工原理及其結(jié)構(gòu)組成分析

喬永強，李任戈，李志禹，溫慶年

（中建科工集團有限公司，廣東 深圳 518040）

隨著國家大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的趨勢和政策指引，鋼結(jié)構(gòu)的加工體量持續(xù)加大，而鋼構(gòu)件的切割是鋼結(jié)構(gòu)加工極為重要的一項技術(shù)。以數(shù)控機床和激光技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控激光切割機補足了傳統(tǒng)切割技術(shù)的短板，實現(xiàn)了切割精度、準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的同幅度提升。為進一步優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)切割成效，推動數(shù)控技術(shù)和激光切割的有機融合，有必要對其加工原理和結(jié)構(gòu)組成作進一步的分析。

1 數(shù)控激光切割機基本概述

1.1 技術(shù)特點

數(shù)控激光切割機有效整合了數(shù)字控制和激光技術(shù)，兼具高精度、高速度及高安全性的技術(shù)特點。數(shù)控激光切割支持高精度的反復(fù)切削，且其精密度并不會在反復(fù)切削中而出現(xiàn)變動。同時，在切割剛性較強的金屬材料時，數(shù)控激光切割機的切削速度及能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)磨削機。此外，同砂輪及鋸齒切割等技術(shù)比較，數(shù)控激光切割技術(shù)的風(fēng)險系數(shù)相對更低，安全性較為理想。

1.2 用途及優(yōu)勢

數(shù)控激光切割機除了具備切割各類金屬材料、特殊材料以及機械部件的應(yīng)用功能外，還可用于打孔等精密加工工藝。當(dāng)前階段，數(shù)控激光切割已在食品機械、電梯制造、工具加工、農(nóng)林機械、激光對外加工服務(wù)等各種機械制造加工行業(yè)普及應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用。數(shù)控激光切割在操作流程、切割效率以及應(yīng)用范圍等方面有著傳統(tǒng)機械切割無法比擬的優(yōu)勢，且其切割后所產(chǎn)生的間隙以及熱影響區(qū)面積相對更小，總體切割性能較為優(yōu)越。

1.3 常見分類

雖然各行業(yè)對數(shù)控激光切割機的功能需求不盡相同，但高效率、精密度以及安全性是機械制造業(yè)在切割環(huán)節(jié)的永恒追求。當(dāng)前階段，各領(lǐng)域通用的數(shù)控激光切割機常見分類主要有3 種：（1）YAG 固體激光切割機，其通過大功率光束照射來加速熔/氣化進程，并借助高速氣壓流來實現(xiàn)吹出操作，進而完成元件切割工作。此類型切割機成本性能相對較高，且穩(wěn)定性較為理想，因此在機械切割領(lǐng)域廣受歡迎。（2）光纖激光切割機，其切割原理同YAG 比較相似，即借助激光光束完成切割操作，但其光束來源于光纖激光器，光束質(zhì)量較高且體積精巧，適用于柔性加工和金屬元件切割，在非金屬元件切削方面稍顯不足。（3）CO2激光切割機，其激光光束來源于CO2、N2以及He 等主要氣體分子間的能量轉(zhuǎn)移及振動運動，激光動能轉(zhuǎn)化效率及效果相對理想，在大功率切割作業(yè)中尤為適用。

2 數(shù)控激光切割機加工原理

數(shù)控激光切割機以高功率密度的激光為加工能源，在聚焦鏡作用下，光斑直徑會明顯縮小，而激光束功率密度會大幅增加，這一過程涉及公式為d=2.44λ/D·f（d 為聚焦處理后的光斑直徑；λ 表示固定波長，為10.6μm；D 表示激光器光束直徑；f 則表示透鏡焦距），此公式多用于單模輸出。但激光切割機的應(yīng)用離不開大功率激光器，即為多模輸出，功率密度采用Po=4W/πf2θ2這一公式（W 表示輸出功率，f 表示焦距，θ表示發(fā)散角）。經(jīng)大功率密度照射，材料溫度很難及時擴散，此時聚焦點的溫度將直線上升，待獲得足夠能量后便會觸發(fā)熔化及汽化，激光切割設(shè)備的反應(yīng)將明顯加快，進而完成切割操作。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用可將工件外形轉(zhuǎn)化為數(shù)控裝置能理解的信息，數(shù)控裝置可依據(jù)輸入信息給出相應(yīng)脈沖指令，通過驅(qū)動馬達來操控工作臺的運作，通過連續(xù)進給促使激光束實施連續(xù)切割，在無模具的條件下隨意加工平面圖形和空間曲面零部件。

3 數(shù)控激光切割機結(jié)構(gòu)組成分析

3.1 20000W 光纖激光切板機

此類切割機適用于機械制造領(lǐng)域的兩維平面切割，切割對象涉及碳鋼、不銹鋼、鋁合金、黃銅、紫銅、硅鋼板、鈦合金等多種材料。整機重量約27t，加工幅面為14000mm×3000mm，有效切割長度最大為長14000mm，寬3000mm，20mm 厚板材直切速度可達1000～1200mm/min，20mm 厚板材帶有45°坡口切割速度可達600 ～800mm/min。詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成如下。

3.1.1 機床底座

機床底座是切割機的基礎(chǔ)零部件，也是保障切割機穩(wěn)定、高效運作最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)組成部分。切割機在高速運轉(zhuǎn)時，往往伴隨較高動能加速度，在此同時，動力零件將產(chǎn)生一定沖擊力，這會影響機床底座的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和激光束質(zhì)量，使得切割效果大幅下降。因此，在機床底座設(shè)計階段，要注重動態(tài)穩(wěn)定性的優(yōu)化與提升。在焊接床身及橫梁時，應(yīng)積極實施退火處理、二次振動時效處理等工藝來消除焊接、加工等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的應(yīng)力，以實現(xiàn)機床穩(wěn)定性的全面增強和精密度的有效提升。為從剛性、便利性及精度等方面提升機床性能，可增加專用基準(zhǔn)座，并配置性能極為優(yōu)越的精密減速機、齒輪齒條及直線導(dǎo)軌等傳動機構(gòu)，以此為傳動精度提供保障。在設(shè)計機床底座及切割平臺時，還應(yīng)充分考慮應(yīng)用的便捷性，綜合采用拼接組裝、模塊組裝、隨動抽塵結(jié)構(gòu)等方法來改善用戶的使用體驗。

3.1.2 Z 軸隨動機構(gòu)和氣路設(shè)計

在切割機運作期間，Z 軸隨動裝置在電容傳感器支持下，能夠?qū)η邢髟庸け砻娴钠秸冗M行精準(zhǔn)檢測，并利用國際知名品牌伺服驅(qū)動來操控切割頭，確保激光能量可聚焦于切削元件的表面。聚焦點精準(zhǔn)與否直接影響切口間隙的小大和切割質(zhì)量的高低，故要嚴(yán)格把控隨動裝置的檢測精度，原則上不應(yīng)低于0.010mm。此外，驅(qū)動轉(zhuǎn)速也會對切割效果造成影響，一般以5m/min為佳。過高轉(zhuǎn)速會致使切割頭出現(xiàn)振動情況，影響切割精度，而過低轉(zhuǎn)速則會使得切割速度降低，加劇資源浪費。切割機的氣路可分成O2、N2及空氣，各氣體可自由切換。為提升氣壓控制精度和穩(wěn)定性，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇氣體元件，如壓力≤1.2MP 的比例閥和壓力≤3MP 的電磁閥等。

3.1.3 數(shù)控裝置

數(shù)控系統(tǒng)主要功能在于按照規(guī)定指令代碼和相關(guān)程序格式將工藝參數(shù)與路線、光板直徑與運動軌跡、切割參數(shù)及輔助功能轉(zhuǎn)化為加工程序單，并將其中內(nèi)容完整傳輸至計算機，進而操控機床執(zhí)行零件加工操作。FACUT 為全功能數(shù)控激光切割控制系統(tǒng)，也是機械制造領(lǐng)域較為常用的坡口數(shù)控系統(tǒng)，自動化模型標(biāo)定、法向量跟隨、平面垂直度補償、二維圖導(dǎo)入、插補跟隨控制、三維誤差判斷以及拐角處理等均為該系統(tǒng)的核心功能。FACUT 的裝配及合理應(yīng)用，能夠?qū)δＰ椭械乃狡?、傾斜誤差以及大角度垂直跟隨時出現(xiàn)的定位偏差開展自動化校準(zhǔn)補償，并在割縫補償?shù)幕A(chǔ)上增用板面垂直度補償，利用所采集的數(shù)據(jù)點信息對加工區(qū)整體傾斜信息進行推算，從而實現(xiàn)高精度加工。與此同時，F(xiàn)ACUT 的插補跟隨控制功能還可提高擺動機構(gòu)的整體穩(wěn)定性，既能消除切割頭末端抖動問題，也能夠規(guī)避純插補控制下的撞頭風(fēng)險，加強安全保護。除此以外，F(xiàn)ACUT 也能夠?qū)Ω鬏S配合狀態(tài)及滯后情況作出科學(xué)判斷，為調(diào)試工作提供輔助作用。而拐角處理功能通過提前在斷面所處平面內(nèi)調(diào)整好法向量以及切線速度和方向，便可實現(xiàn)持續(xù)性切割的效果。

3.2 12000W 光纖激光切管機

此類切割機適用于機械制造加工領(lǐng)域的空間切割，如方管、圓管、槽鋼異型管材等，切割對象涉及碳鋼、鍍鋅管、不銹鋼、硅鋼管等。整機重量約38t，圓管加工范圍為直徑60 ～500mm，長12200mm，方管尺寸為60×60 ～350×350mm，長12200mm，16mm 壁厚帶35°坡口切割速度可達600 ～800mm/min。詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成如下。

3.2.1 機床底座

整機床身可分為3 段，為方管焊接結(jié)構(gòu)，橫梁部分為墻板焊接結(jié)構(gòu)，均經(jīng)退火消除內(nèi)應(yīng)力、二次時效等工藝加工而成，穩(wěn)定性比較可觀。

3.2.2 隨動機構(gòu)

12000W 光纖激光切管機綜合運用了Z 軸、Y 軸及W軸隨動機構(gòu)，在實現(xiàn)切割頭上下運動的同時，進一步優(yōu)化了切割質(zhì)量及加工精度。

3.2.3 傳動機構(gòu)

12000W 光纖激光切管機傳動機構(gòu)主要應(yīng)用在3 個環(huán)節(jié)：（1）夾料，此處應(yīng)用氣動卡盤，夾料后可自動校準(zhǔn)軸心，卡爪的設(shè)計可依據(jù)管材形狀而調(diào)整，從而實現(xiàn)對不同管材的高效裝夾。（2）上料，以V 型支架為料架，支持一次放置多根管料，采用鏈條傳動形式進行送料，在伺服電機操控下，結(jié)合管材大小實現(xiàn)自動化高度調(diào)整，確保各類管材均可準(zhǔn)確輸送至卡盤中心，為卡盤的自動裝夾提供有利條件，以提升管材加工精度。配置進口伺服電機配合絲桿，以實現(xiàn)上料效率及精準(zhǔn)度的全面提升。（3）下料，此處實行分區(qū)接料，設(shè)立廢料倉并裝置滾輪。在切割長料時，4 個卡盤會同時運作，以此確保切割穩(wěn)定，材料進入接料架后會由鏈條自動傳輸出料。

3.2.4 氣路、水路系統(tǒng)

氣路可分為兩部分：（1）為切割氣體，主要涉及壓縮空氣、高純氮以及高純氧；（2）為運動輔助氣體，以壓縮空氣為主，其能夠直接驅(qū)動氣缸，借助除塵風(fēng)機強大的除塵功能來消除煙塵。水路也可分為兩部分，冷卻水自冷水機組排出后一部分會經(jīng)激光器制冷循環(huán)后再次進入冷水機，另一部分則經(jīng)激光切割頭部分循環(huán)后再次進入冷水機。

3.2.5 切割頭部分

原則上講，切割頭應(yīng)支持高效率的焦距透鏡更換（如5'、7.5'焦距透鏡），并且能確保透鏡更換完畢后無須對光路系統(tǒng)做出任何調(diào)整。此外，還應(yīng)將防碰撞安保系統(tǒng)合理裝置于切割頭部位，確保切割頭在遭受外力沖擊后能在短時間內(nèi)回歸至原定位置，從而保證加工精度不受影響。為了對切割角度進行精準(zhǔn)控制，切割頭擺動部分仍選用進口伺服電機，切割頭則選用現(xiàn)階段最先進、內(nèi)部結(jié)構(gòu)絕對密封的激光頭，從而降低光學(xué)鏡片受污染的可能性。在伺服電機的自動調(diào)焦下，對激光頭部分實施兩點對中調(diào)節(jié)，以優(yōu)化穿孔效率及質(zhì)量。

3.2.6 數(shù)控裝置

采用最專業(yè)的TubePro 激光加工數(shù)控系統(tǒng)，其緊湊的結(jié)構(gòu)、模塊式組裝和高性價比較好地滿足了廣大用戶對數(shù)控系統(tǒng)的性能需求。其優(yōu)勢體現(xiàn)在5 方面：（1）架構(gòu)。有別于以往的雙CPU 設(shè)計，TubePro 將所有系統(tǒng)軟件運行于主PC 處理器中，系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架合理且先進。（2）技術(shù)。在CNC 技術(shù)支持下，系統(tǒng)功能可通過模塊化形式實現(xiàn)對外開放，且無須對硬件作出改動。（3）性能。5 軸聯(lián)動及坐標(biāo)變換等功能的日益完善能夠?qū)崿F(xiàn)對多軸多通道的良好操控，為數(shù)控設(shè)備的良好運作提供保障，且可針對輕度扭曲變形的瑕疵管材進行自動校正加工。（4）功能。該系統(tǒng)可滿足用戶的多樣化功能需求，并在應(yīng)用領(lǐng)域落實功能優(yōu)化，以實現(xiàn)性價比的最大化。（5）界面。此系統(tǒng)的實時內(nèi)核破解了Windows系統(tǒng)的實時控制難題，且在保障實時性的同時還突顯了操作便捷、界面友好等特性。

4 結(jié)語

綜上可知，數(shù)控激光切割機在建筑鋼結(jié)構(gòu)切割加工中開始發(fā)揮重要作用，今后必將成為建筑鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造領(lǐng)域不可或缺的機械設(shè)備。為了推動數(shù)控激光切割技術(shù)的進一步完善，仍需加大對其加工原理和結(jié)構(gòu)組成的研究與探索力度，深入挖掘其潛在價值，以提升我國數(shù)控激光切割技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)下料領(lǐng)域的水準(zhǔn)。