多功能固體激光精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)

張日升 李尚政 余 緯

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

激光加工一直是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù)，已經(jīng)成為材料有效加工手段之一。本項(xiàng)目根據(jù)用戶(hù)需求開(kāi)發(fā)了一臺(tái)帶有在位測(cè)量功能的五軸固體激光精密加工機(jī)床，用于圖1 所示零件的精密切割加工。工件材質(zhì)為1060，切割后要求滿(mǎn)足:切縫控制在1.4 ±0.05 mm，切割前后面型輪廓變形量不超過(guò)0.03 mm;同時(shí)切割不銹鋼和鋁板的最大厚度不低于4 mm。

1 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)床功能設(shè)計(jì)

機(jī)床可實(shí)現(xiàn)五軸四聯(lián)動(dòng)，能完成由金屬材料或非金屬材料制成的各種零件的切割和打孔加工。利用本機(jī)床可以切割4 mm 鋁板和不銹鋼板。

1.2 機(jī)床主要構(gòu)成

機(jī)床主要構(gòu)成包括床身與激光器安裝部件、XYZ這3 個(gè)直線(xiàn)軸和AC 兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸、FAGOR8070 系列數(shù)控系統(tǒng)、雷尼紹TP200 檢測(cè)傳感器、氣體增壓系統(tǒng)、切割氣路系統(tǒng)、防護(hù)罩、制冷機(jī)組、CCD 觀察裝置、400 W燈泵浦固體激光器系統(tǒng)等。

1.3 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)與布局設(shè)計(jì)

機(jī)床總體設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了整體吊裝方便、精度保持性好、剛性足、可靠性、維修性、保障性好等，所有零部件盡量采用機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)。機(jī)床采用固定懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，Z 軸垂直固定在立柱上，XY 軸組合臺(tái)整體安裝在Z 軸溜板上，由Z 軸帶動(dòng)整體作上下運(yùn)動(dòng)。

兩軸變位轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)過(guò)渡安裝座安裝在XY 軸組合臺(tái)上，通過(guò)配重以平衡Z 軸整體負(fù)載。激光器安裝在橫梁上，激光切割頭安裝在激光器上，且切割頭上安裝有精密測(cè)量傳感器用于找正工件中心;CCD 觀察裝置與激光束偏軸安裝，通過(guò)棱鏡折射提取圖像。氣體增壓系統(tǒng)和切割氣路元件安裝在左側(cè)柜內(nèi)，激光切割頭噴嘴中心與轉(zhuǎn)臺(tái)中心對(duì)正，且在XYZ 三個(gè)直線(xiàn)軸方向分別具有足夠的行程量。機(jī)床外形圖見(jiàn)圖2。

2 控制與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)床控制功能

機(jī)床控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意五軸四聯(lián)動(dòng)，除具備通用數(shù)控加工機(jī)床的功能外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣路系統(tǒng)、激光器、冷卻系統(tǒng)、導(dǎo)軌潤(rùn)滑、精密測(cè)量系統(tǒng)等的集成控制，同時(shí)必須具備3 個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的全閉環(huán)控制、刀具半徑補(bǔ)償、切割回退功能、氣體壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、完善的故障報(bào)警與信息提示、良好的抗干擾能力等功能。

2.2 控制原理設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)選用FAGOR8070 -M 系統(tǒng)，采用CPU中央單元+10.4 英寸或以上彩色液晶顯示器(LCD)+全字母數(shù)字鍵盤(pán)+數(shù)控系統(tǒng)帶機(jī)床操作面板(MCP)+輔助操作面板(+F)+手操盒(+F1)，一體化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。伺服運(yùn)動(dòng)軸X、Y、Z、A、C 軸采用FAGOR 的數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)，正弦波PWM 控制方式，具有扭矩、速度和位置3 者數(shù)字化矢量控制功能。3 個(gè)直線(xiàn)軸采用AXD 驅(qū)動(dòng)模塊+FXM 系列永磁同步無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠+直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌+直線(xiàn)光柵尺的全閉環(huán)控制形式;旋轉(zhuǎn)軸采用AXD 驅(qū)動(dòng)模塊+FXM 伺服電動(dòng)機(jī)+轉(zhuǎn)臺(tái)的形式，速度和位置測(cè)量由電動(dòng)機(jī)內(nèi)置編碼器完成，半閉環(huán)控制?？刂圃砗涂刂平涌谠O(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

CNC 與每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)采用SERCOS 通訊標(biāo)準(zhǔn)的光纖進(jìn)行通訊，光纖連接確保通訊過(guò)程無(wú)噪音，電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊均設(shè)置過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)速、過(guò)溫、電動(dòng)機(jī)溫度、電網(wǎng)故障、硬件錯(cuò)誤等保護(hù)，由PLC程序監(jiān)控電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的使能、模塊準(zhǔn)備好、MCC 接觸器吸合檢查等狀態(tài)。機(jī)床操作面板上有主軸倍率和進(jìn)給倍率波段開(kāi)關(guān)，有操作方式選擇、軸方向選擇、點(diǎn)動(dòng)、快速、回零搜索、超程釋放、激光器開(kāi)、光閘開(kāi)等選擇按鍵。

機(jī)床的邏輯控制和其他輔助功能控制由系統(tǒng)內(nèi)裝的PLC 負(fù)責(zé)。機(jī)床的操作集中在一塊操作面板上，它包括NC 的編程、顯示、報(bào)警、機(jī)床輔助部件的控制，手持單元方便進(jìn)行機(jī)床手動(dòng)調(diào)整。機(jī)床電氣控制柜安裝在機(jī)床背面，電氣控制系統(tǒng)安裝于電柜內(nèi)，電柜內(nèi)安裝各種電氣部件。

表1 激光器技術(shù)指標(biāo)

3 激光器系統(tǒng)

由于固體激光波長(zhǎng)短，與材料的作用效率高，因此本機(jī)床選用了燈泵浦固體激光器。該激光器峰值能量高，光束質(zhì)量好，其控制采用PNP 型TTL 電平信號(hào)，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

4 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1 氮?dú)?氬氣)供氣氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣路系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖5。

氮?dú)?氬氣)供氣氣路系統(tǒng)為切割過(guò)程提供吹氣源，即切割氣。此部分氣路分為兩部分:一部分為增壓系統(tǒng)提供被增壓氣，此路各元件承壓1 MPa，氣路過(guò)濾精度5 μm。另外一路是接受由增壓系統(tǒng)出口輸出的高壓氣，此路各元件耐壓力可達(dá)2 MPa，電氣比例調(diào)壓閥調(diào)壓范圍0～2 MPa。

4.2 壓縮空氣供氣氣路設(shè)計(jì)

本機(jī)床需要提供最高壓力1 MPa 的壓縮空氣，主要有兩個(gè)用途:一是為氣體增壓系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)氣;二是為兩軸變位轉(zhuǎn)臺(tái)A、C 軸提供制動(dòng)氣。其流量設(shè)計(jì)要同時(shí)滿(mǎn)足增壓裝置供氣及兩軸變位工作臺(tái)制動(dòng)所需的流量需求。

4.3 氣體增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣體增壓裝置動(dòng)力源采用氣體增壓泵，增壓泵整機(jī)采用鋁合金和不銹鋼制造。其增壓比為5:1，增壓介質(zhì)為惰性氣體;出口設(shè)計(jì)有儲(chǔ)氣罐，維持氣壓穩(wěn)定輸出，儲(chǔ)氣罐容積16 L 且滿(mǎn)足壓力容器的安全設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)氣為壓縮空氣，氣壓0.3～0.8 MPa;最小入口壓力:0.35 MPa。輸出壓力1.5～4.0 MPa;壓力無(wú)級(jí)可調(diào);輸出壓力穩(wěn)定。增壓裝置最大耗氣量1200 LN/min。增壓系統(tǒng)工作原理圖見(jiàn)圖6。

5 精密測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精密測(cè)量系統(tǒng)主要用于加工時(shí)找正工件中心，其硬件選用RENISHAW 公司TP200 測(cè)頭和PI200 數(shù)控接口單元，其中TP200 測(cè)頭可手動(dòng)旋轉(zhuǎn)90°。TP200 測(cè)頭為觸發(fā)式測(cè)頭，有5 個(gè)敏感方向，分別是±X、±Y 和+Z 方向，重復(fù)測(cè)量精度為0.15 μm。傳感器觸發(fā)后輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)PI200 接口輸入到CNC 控制接口，數(shù)控系統(tǒng)接到此信號(hào)后，通過(guò)后臺(tái)PLC 程序立即讀取機(jī)床坐標(biāo)值，根據(jù)讀取到的坐標(biāo)值通過(guò)一定的運(yùn)算即可知道測(cè)頭中心在機(jī)床坐標(biāo)系或工件坐標(biāo)系中的位置。

6 CCD 視覺(jué)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CCD 視覺(jué)采集系統(tǒng)主要用于調(diào)整激光光束和觀察切割過(guò)程，其包含CCD 一個(gè)、物鏡一個(gè)、反射棱鏡兩個(gè)和一個(gè)TFT 工業(yè)液晶顯示器。被測(cè)物被物鏡聚焦后通過(guò)兩個(gè)反射棱鏡反饋到CCD，即實(shí)現(xiàn)圖像的攝取，并通過(guò)VGA 接口輸入到顯示器進(jìn)行顯示。

7 機(jī)床控制程序與軟件開(kāi)發(fā)

7.1 PLC 控制程序

如圖6，在PLC 控制程序開(kāi)發(fā)時(shí)，統(tǒng)籌兼顧PLC 程序的條理性、可讀性和功能優(yōu)化，盡量把有關(guān)相同操作元素或控制功能的程序語(yǔ)句集中在同一模塊，便于調(diào)試和維修過(guò)程中分析及測(cè)試，為此，根據(jù)功能分類(lèi)，將整個(gè)PLC 程序劃分為初始化循環(huán)、主程序和14 個(gè)子程序。

在初始化循環(huán)中，對(duì)所有M 標(biāo)志位、寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輸出點(diǎn)、報(bào)警及信息寄存器先進(jìn)行了清零，確保PLC 上電后不輸出錯(cuò)誤值，發(fā)生不期望的錯(cuò)誤操作;還將必要的選擇檔位、停止零件程序執(zhí)行、不執(zhí)行下一段程序、進(jìn)給暫停等對(duì)CNC 的信號(hào)預(yù)先初始化賦值。

在主程序中，主要是進(jìn)行對(duì)14 個(gè)子程序塊的條件調(diào)用，依據(jù)各子程序功能對(duì)機(jī)床安全運(yùn)行的關(guān)鍵程度，把有關(guān)急停、限位和運(yùn)動(dòng)判斷條件的子程序塊優(yōu)先調(diào)用。

7.2 子程序編制

自動(dòng)回零子程序:此程序用于機(jī)床啟動(dòng)后，通過(guò)MDI 方式，實(shí)現(xiàn)各軸順序自動(dòng)回零。

切割氣壓力控制子程序:此子程序用于切割時(shí)，在NC 程序中通過(guò)調(diào)用此程序?qū)崿F(xiàn)切割氣壓力值的設(shè)定。

精密測(cè)量驅(qū)動(dòng)子程序:此程序用于驅(qū)動(dòng)傳感器開(kāi)始測(cè)量。

8 工藝試驗(yàn)

作了半環(huán)鋁試件的切割試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了半環(huán)鋁試件的切割，切割面切縫寬度在1.4 ±0.05 mm、切割前后輪廓變形量在0.03 mm 以?xún)?nèi)。機(jī)床用于切割純鋁和不銹鋼時(shí)的最大切割厚度不少于4 mm。

9 結(jié)語(yǔ)

實(shí)測(cè)與工藝試驗(yàn)表明，機(jī)床的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、精度指標(biāo)、功能配置、工藝指標(biāo)均等達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。