多軸激光切割在胸杯膠殼制作的技術(shù)革新

楊偉明+曹著明

摘 要：激光加工是一種非接觸式的、高效、靈活、可控、穩(wěn)定可靠的加工技術(shù)。目前已應(yīng)用在國內(nèi)外許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)線上。傳統(tǒng)胸杯膠殼樣板研發(fā)制造周期冗長(zhǎng)，整個(gè)開發(fā)過程均須通過人手作業(yè)完成，從而衍生胸杯膠殼精準(zhǔn)度、對(duì)稱度、重復(fù)度等質(zhì)量問題。本文通過運(yùn)用CAD/CAM技術(shù)，開發(fā)數(shù)控激光切割系統(tǒng)用于胸杯膠殼切割以解決上述問題。

關(guān)鍵詞：多軸激光；五軸加工；關(guān)鍵技術(shù)；工藝；設(shè)備；軟件

0 引言

近年來，多軸激光切割技術(shù)以加工應(yīng)用范圍廣、加工精度高、質(zhì)量好、工藝靈活多樣、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、生產(chǎn)清潔、柔性化和智能化等優(yōu)點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)的加工方法。制衣業(yè)是一個(gè)需要大量加工和測(cè)試的生產(chǎn)型產(chǎn)業(yè)，也是激光技術(shù)應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一。

過去內(nèi)衣業(yè)運(yùn)用傳統(tǒng)人手操作工具制造胸杯膠殼以作胸杯成品質(zhì)量檢定之用。此膠殼不但常有誤差、制作耗時(shí)并需要大量有經(jīng)驗(yàn)的工人，而且浪費(fèi)不少因人為錯(cuò)誤而棄置的物料。與此同時(shí)，國外買家往往質(zhì)疑傳統(tǒng)手作膠殼的精準(zhǔn)度及重復(fù)性，提高了胸杯半成品被退貨的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)手工作業(yè)的所存在的問題包括：胸杯膠殼開發(fā)與制造周期十分長(zhǎng)，開發(fā)成本昂貴；胸杯放碼完全依賴員工的經(jīng)驗(yàn)完成，立體膠殼通過人手構(gòu)畫放碼線，難以保證放碼線準(zhǔn)確性與尺寸精準(zhǔn)度，現(xiàn)時(shí)的放碼線長(zhǎng)度尺寸與型位尺寸精度僅僅可控制在±1mm范圍；如下圖1所示。人手剪切胸杯膠殼容易出錯(cuò)，無論工人經(jīng)驗(yàn)如何豐富，要求工人隨手剪出順暢完美的立體弧位，始終有一定難度，錯(cuò)誤幾乎不可避免；依賴人手開發(fā)制造胸杯膠殼無法保證左右兩邊胸杯的對(duì)稱度；客戶時(shí)常會(huì)質(zhì)疑膠殼的準(zhǔn)確度與對(duì)稱度，并以此作為退貨或重檢的理由；利用人手裁剪的胸杯膠殼作為胸杯成品質(zhì)量監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)，客戶一般認(rèn)為人手裁剪技術(shù)低而不準(zhǔn)確，因此大量拒收成品，導(dǎo)致較高的廢品率；對(duì)于胸杯膠殼的數(shù)據(jù)沒有有效的管理，當(dāng)客戶需要加單或翻單的時(shí)候。同一款的膠殼需要重新開發(fā)，且不能保證第一次交單的膠殼與最新加單的膠殼質(zhì)量保持一致性；開發(fā)的周期再次體現(xiàn)過于冗長(zhǎng)；現(xiàn)時(shí)通過人手作業(yè)，同一款的胸杯膠殼成品率平均只有30%，70%的膠殼通過本公司的QC及客戶的收貨檢驗(yàn)后需要丟棄.

1 多軸激光切割在胸杯膠殼制造方案

1.1 基準(zhǔn)底座設(shè)計(jì)

通過客戶現(xiàn)場(chǎng)師傅人手裁剪的要求及工具（剪刀）的特殊性，一般機(jī)械式運(yùn)動(dòng)加上工具（剪刀）無法進(jìn)行復(fù)制人手裁剪的軌跡動(dòng)作。故技術(shù)方案選擇為機(jī)械運(yùn)動(dòng)加上非接觸式切割介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)膠殼切割。采用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以有效地保存每次加工的數(shù)據(jù)，避免了因?yàn)椴煌膸煾到?jīng)驗(yàn)裁剪膠殼的差異性。在日后大貨翻單的時(shí)候，只需要在機(jī)器上直接調(diào)用程序數(shù)據(jù)即可切割出合格的膠殼。采用三維數(shù)據(jù)圖形設(shè)計(jì)作畫膠殼吸塑模型，并使用CNC自動(dòng)加工技術(shù)制作吸塑模型，免除以往純手工制作石膏模的冗長(zhǎng)周期；在石膏模型中，增加設(shè)計(jì)基準(zhǔn)底座，如圖2所示。

1.2 激光切割方案

首先采集的胸杯膠殼技術(shù)參數(shù)，例如：外形尺寸大小范圍，膠殼關(guān)鍵尺寸精度，膠殼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。激光切割設(shè)備采用兩個(gè)線性軸和一個(gè)固定傾斜角度的旋轉(zhuǎn)軸組合方式，傾斜的旋轉(zhuǎn)軸可讓激光在膠殼面上進(jìn)行近乎曲面法向切割；工件可在三軸同步控制進(jìn)行上下，前后及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖3所示。配合激光，以及大功率的電機(jī)等控制設(shè)備，系統(tǒng)配備對(duì)應(yīng)的電器及激光安全標(biāo)準(zhǔn)的安全開關(guān)，安全門和安全電路；同時(shí)在激光下方設(shè)計(jì)氣體過濾裝置用于過濾切割過程中產(chǎn)生的氣體和煙塵.

在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面，由于傳統(tǒng)的多軸機(jī)器X/Y/Z/A/B/C運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)體積龐大，不適用現(xiàn)場(chǎng)局限性的空間擺放，且每個(gè)軸需要做密封處理涉及成本較高。采用Y/Z軸直線運(yùn)動(dòng)及B軸旋轉(zhuǎn)的3軸運(yùn)動(dòng)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)X/Y/Z/A/B/C的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。B軸與YZ平面呈45°夾角，可以盡可能模仿人手使用剪刀裁剪膠殼時(shí)所呈現(xiàn)接近曲面法向的姿態(tài)。激光采用CO2發(fā)生器30瓦特功率，有效切割焦距為100mm。

1.3 NC程序設(shè)計(jì)

配合上述設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)，運(yùn)用Cimatron軟件編寫適合該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)切割程序。圖形的定位根據(jù)機(jī)床樣式，以底座中心為原點(diǎn)，傾斜45°，如圖4（a）所示。由于機(jī)床的運(yùn)動(dòng)涉及“線性軸運(yùn)動(dòng)”及“旋轉(zhuǎn)軸”運(yùn)動(dòng)，在CAM系統(tǒng)中需要以五軸的運(yùn)動(dòng)模式呈現(xiàn)刀路軌跡切割模擬運(yùn)動(dòng)，故在Cimatron軟件中需要采用“5X production”編程模式完成刀軌設(shè)計(jì)。如圖4（b）所示；在『Surface paths』中的『Pattenrn』選擇『Project curvers』.投影曲線選擇對(duì)應(yīng)的放碼曲線，投影曲面選擇胸杯曲面。如下圖4-2所示.在『Tool axis control』里面選擇『Output format』為『5 Axis』，刀軸的形式『Tilted with fixed angle to axis』，『Fix title angle』為與Z軸保持45°傾斜角度?！篟un tool』為『At Center』。由于實(shí)際機(jī)器切割時(shí)，是采用激光切割，對(duì)于刀具而言可以隨意設(shè)定為任何一把球刀，本文所設(shè)定的刀具為D2R1的任意長(zhǎng)度球刀。然后計(jì)算所得的刀路樣式如圖4（c）所示。

2 試制技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)以上制造方案，采用如圖5所示的機(jī)床，成功切割出如圖5所示的合格產(chǎn)品。該技術(shù)方案的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：利用CAD/CAM技術(shù)設(shè)計(jì)與制造膠殼吸塑模型，免除大量人手作業(yè)工作量，提升膠殼吸塑模型（石膏模）精度，從而提升膠殼產(chǎn)品的精度；重新建立石膏模型設(shè)計(jì)模式，在原有石膏模模型基礎(chǔ)上增加基準(zhǔn)底座設(shè)計(jì)，保證石膏模型復(fù)位位的精度；實(shí)現(xiàn)以下三點(diǎn)改善；增加設(shè)計(jì)基準(zhǔn)底座以保證設(shè)計(jì)與加工制造基準(zhǔn)統(tǒng)一，保證該模型所生產(chǎn)的膠殼產(chǎn)品精度統(tǒng)一；用于后期自動(dòng)激光切割系統(tǒng)裝夾與膠殼校正對(duì)位，以保證激光重復(fù)切割膠殼的精準(zhǔn)度；保存設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，用于日后客戶對(duì)設(shè)計(jì)的變更隨時(shí)修改石膏模型，而不需要浪費(fèi)時(shí)間重新設(shè)計(jì)制造。

采用三維CAD技術(shù)作畫胸杯膠殼放碼線能獲得以下改善：計(jì)算機(jī)三維CAD設(shè)計(jì)軟件輔助完成放碼線作畫，只需要在5～10分鐘內(nèi)即可完成胸杯兩邊對(duì)稱放碼線作畫；放碼線長(zhǎng)度尺寸及型位尺寸實(shí)現(xiàn)精確控制，達(dá)到客戶所提供的尺碼表要求數(shù)值，公差控制在±0.005范圍內(nèi)；計(jì)算機(jī)三維CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)，放碼線修改極致方便快捷；對(duì)客戶提出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)變更可作出快速反應(yīng)；通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可直接地，實(shí)時(shí)地與歐美地區(qū)客戶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊核對(duì)膠殼數(shù)據(jù)與放碼線樣式；免除以往通過地區(qū)速遞送貨或?qū)Ｈ藥О逯量蛻衄F(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)樣板的漫長(zhǎng)周期，極大限度地縮短膠殼樣板交付期。

建立自動(dòng)化胸杯膠殼激光切割測(cè)試原型，替代以往人手裁剪膠殼工序，只需要短短的40秒時(shí)間即可完成一次膠殼裁剪的過程，且切割后膠殼輪廓順滑，無需人手打磨修整；使得裁剪工序的效率提升達(dá)90%。以往胸杯膠殼開發(fā)工作需要配備5名同事且未能完全應(yīng)付所需產(chǎn)能，通過引進(jìn)自動(dòng)化胸杯膠殼激光切割系統(tǒng)，只需要配備2名同事即可輕松完成現(xiàn)有的胸杯膠殼開發(fā)工作量；由此可算，自動(dòng)化胸杯膠殼激光切割系統(tǒng)可節(jié)省60%的人力資源成本。胸杯膠殼切割精準(zhǔn)度達(dá)±0.2mm范圍以內(nèi)，且輪廓周邊無批鋒，節(jié)省人手修整打磨工序，大大提升膠殼樣板尺寸精度與外觀質(zhì)量。

3 結(jié)束語

通過新技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，改變手工開發(fā)胸杯膠殼的工序，引進(jìn)自動(dòng)化激光切割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)自動(dòng)切割膠殼，縮短膠殼樣板貨期，提升產(chǎn)品質(zhì)量。該系統(tǒng)現(xiàn)時(shí)在港企業(yè)界已獲得廣泛的應(yīng)用。