高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)分析

范曉文

摘要：高速激光切割是現(xiàn)代切割技術(shù)中的典型技術(shù)，高速激光切割屬于機床數(shù)控系統(tǒng)中比較注重的技術(shù)，具有一定的創(chuàng)新特征，現(xiàn)階段高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)具有綠色化、高精度的優(yōu)勢，其可滿足數(shù)控機床的基本需求，實現(xiàn)了數(shù)控切割的數(shù)字化。高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)能夠做到準確定位、快速切割，以最簡單的工藝實現(xiàn)高精密零件的切割，此項技術(shù)簡化了數(shù)控機床切割的工藝流程，保障零件加工的效率。因此，本文主要探討高速激光切割數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高速激光切割;機床;數(shù)控系統(tǒng)

一、前言

隨著我國數(shù)控行業(yè)的發(fā)展，高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)成為數(shù)控行業(yè)中的關(guān)鍵，高速激光切割機床具有自動化的應(yīng)用表現(xiàn)，其可自動切割薄板材料，為航空航天、石油化工等行業(yè)提供可靠的切割材料。高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，其為諸多行業(yè)提供了技術(shù)支持，體現(xiàn)出高速激光切割操作的優(yōu)勢，同時完善機床數(shù)控系統(tǒng)的實踐應(yīng)用。

二、高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的研究背景

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)有著運行高速、勞動強度低以及自動化的優(yōu)勢，高速激光切割技術(shù)在數(shù)控機床的切割領(lǐng)域中占有1/7的比重，與其他切割技術(shù)相比，其具備一定的特殊性，與國外的技術(shù)相比又存在著一定的差距，分析高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)在現(xiàn)階段的研究背景，具體如下。

（一）特殊性

高速激光切割技術(shù)在數(shù)控機床中切割縫的細度范圍是0.2～0.3?mm，熱度影響的區(qū)域很小，基本在0.2～0.4?mm之間，材料表面切割的端面非常好，光潔度能夠達到6.3^[1]，在高速激光切割的過程中無噪聲，此類切割技術(shù)可適用在非金屬、金屬、合成等多種類型的材料中，即使是超硬質(zhì)或者是稀有金屬也能完成優(yōu)質(zhì)的切割操作。

（二）差距分析

總結(jié)我國高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中操作技術(shù)與國外技術(shù)上的差距，如：

1. 國產(chǎn)高速激光切割數(shù)控操作設(shè)備的切割速度偏低，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)設(shè)備的切割速度是每分鐘50?m，定位精度的范圍是-0.03～+0.03?mm/m，重復(fù)定位的精度范圍是-0.01～+0.01?mm/m，目前市面上最先進的切割設(shè)備的速度可以達到每分鐘100?m，是國產(chǎn)設(shè)備的2倍，由此可見國產(chǎn)切割設(shè)備在數(shù)控機床中與國外先進設(shè)備的差距^[2]。

• 高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的國產(chǎn)設(shè)備具有不開放性的特征，無法集成國外先進的設(shè)備，只能匹配國產(chǎn)設(shè)備，這樣限制了高速激光切割設(shè)備的改進，無法為機床數(shù)控系統(tǒng)提供可靠的運行設(shè)備。

三、高速激光切割機床數(shù)控中的切割原理

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中切割原理分析是非常重要的，切割原理是保障高速激光切割機床數(shù)控操作系統(tǒng)正常使用的前提條件。激光在高精度對焦的條件下可以把光束的能量集中到一個點位上，激光因高度聚集而產(chǎn)生了能量，激光切割也就是在集成的能量作用下照射材料，照射作用下材料會在瞬間達到燃點，完成變形切割的工作^[3]。高速激光切割時對精確度有著極高的要求，為了實現(xiàn)高速激光切割的準確性，在激光切割時需要借助輔助氣體，排除雜物對高速激光切割的影響，進而確保整個高速激光切割的準確度，這個過程中還可以采用加工透鏡增加激光的做功量，促使激光能夠沿著設(shè)定的路徑完成激光切割。高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中，激光和輔助氣流會在燃燒前落入到作用點位，激光功耗一部分在切割位置通過灼燒的方式消耗，另一部分會從切孔內(nèi)反射消耗，具體的工作原理圖如下圖1所示。

（一）高速激光切割機床數(shù)控中的切割方式

高速激光切割數(shù)控機床中的切割方式可以按照材料的物理特征進行劃分，主要有四類切割方式，分別是熔化切割、汽化切割、控制斷裂切割以及氧助熔化切割，這四類切割方式激光作用機理有差異，具體分析如下。

（二）熔化切割

高速激光切割數(shù)控機床中的熔化切割，激光需要在一定功率密度條件下實行，激光加熱后加工工件材料熔化，工件表面會形成熔化孔洞，此時激光配合非氧化性的輔助氣流，在光束同軸的條件下熔化工件材料對應(yīng)的材料并且吹走材料粉末，完成縫隙切割，如下圖2所示。高速激光切割數(shù)控機床中熔化切割的工作過程是：切割設(shè)備產(chǎn)生激光束，激光束直接照射到加工工件的表層，工件材料會吸收反射損失以外的激光能量，待加工工件的材料表面形成小孔之后會吸收激光產(chǎn)生的所有能量^[4]，此時小孔周圍包圍著熔化的金屬，輔助氣流會隨著切割的過程吹走熔化的材料，促使熔壁處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，切割設(shè)備切割并移動的過程中，小孔橫移并在工件表面留下切縫。

（三）汽化切割

汽化切割中采用的是高功率密度激光，激光直接照射到數(shù)控加工工件的表層，工件材料會在瞬間達到汽化的溫度值，工件材料上被激光照射的材料汽化蒸發(fā)產(chǎn)生了切割縫。汽化切割功率密度的量級是108?W/cm?，汽化切割常用在不能熔化的材料中，汽化切割產(chǎn)生的能量是熔化切割的10倍，用在木材、有機材料等材料方面。

（四）控制斷裂切割

控制斷裂切割在高速激光切割數(shù)控機床系統(tǒng)中為有控制性的切割操作，此類切割方法適用于脆性材料中，激光光束在加工工件表層加熱，脆性材料容易斷裂，控制斷裂切割可以在快速切割的條件下完成控制切斷，避免損傷脆性材料^[5]?？刂茢嗔亚懈钅軌蚓_的切割小塊脆性材料，切割產(chǎn)生的熱梯度破壞脆性材料的整體，促使脆性材料在機械變形的情況下裂縫。

（五）氧助熔化切割

氧化助熔切割在高速激光切割的工件表面加熱，激光會把工件加熱到其自身對應(yīng)的熔點，氧氣為激光切割中的助燃氣體，實際切割中也可以為激光配置其他類型的活性助燃氣體，增大熔化燃燒時釋放的熱量，激光和助燃氧氣產(chǎn)生的能量同時用在工件切割上，提高激光切割的效率。氧助熔化切割比熔化切割可以適用的工件厚度大，此類切割方法仍舊處于不斷的研究過程中。

四、高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的技術(shù)要點

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)與工業(yè)產(chǎn)生存在著直接的關(guān)系，工業(yè)企業(yè)帶動了高速激光切割技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了數(shù)控機床行業(yè)中切割技術(shù)的創(chuàng)新，本文總結(jié)了高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的幾類技術(shù)要點，致力于優(yōu)化加工工件的切割操作，實現(xiàn)理想化的激光切割。

（一）提高工件切割前期的準備質(zhì)量

高速激光切割數(shù)控機床系統(tǒng)技術(shù)中注重提高工件切割前的準確質(zhì)量，本文以鋼板材料為例，分析此項技術(shù)的要點^[6]。為了保證高速激光切割在機床數(shù)控中的技術(shù)水平，切割鋼板材料以前，先要處理好鋼板材料的表面，也就是預(yù)處理技術(shù)，打磨鋼板的表層，清理掉鋼板材料表層附著的防護漆或者是銹跡，鋼板材料切割期間會遇到很多焊接輪廓線，此時就要在鋼板材料上確定出焊接輪廓的線路，同時劃上定位線，這樣才能保障高速激光切割時的運動速度，避免影響高速激光切割的效率，鋼板切割的過程中容易遇到表層缺陷，此時就要修復(fù)有缺陷的鋼板材料，數(shù)控機床上切割鋼板材料時必須預(yù)防角焊縫超標，防止鋼板材料上出現(xiàn)變形，保障鋼板材料切割加工的精準性。

（二）型鋼切割與空間曲線的切割研究

型鋼切割在高速激光切割機床數(shù)控領(lǐng)域中成為新的技術(shù)要點，機床數(shù)控系統(tǒng)中采用高速激光切割技術(shù)切割完型鋼之后需要組織焊接，型鋼切割后再對表面進行焊接處理具有一定的操作難度，因此，高速激光切割型鋼時對切口質(zhì)量以及切割時的輪廓線提出了極高的要求，目的是精準地完成型鋼的高速激光切割及焊接^[7]。國內(nèi)型鋼切割時采用的高速激光切割技術(shù)中，需在數(shù)控機床上安裝切割專機，專機上設(shè)有等離子割炬，也可以設(shè)置氧火焰割炬，這兩種配置通過定位系統(tǒng)與專業(yè)的夾具，完成數(shù)控機床中高速激光切割的定位、夾緊、切割、松開一系列動作，此類技術(shù)雖然在高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中最為常見，但是整個動作過程需要耗費一些時間，降低了型鋼切割的時效性，而且型鋼切割后的切口處會有聚集的殘余應(yīng)力，應(yīng)力釋放的過程中會產(chǎn)生切割誤差，針對這項問題可以借鑒國外技術(shù)，比如在高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的切割機上安裝機械手，機械手專門用于高速激光切割，同時為數(shù)控系統(tǒng)配置五軸切割控制系統(tǒng)，這樣能夠任意切割型鋼，系統(tǒng)中還需安裝跟蹤探頭，以便跟蹤型鋼切割的軌跡，完善型鋼空間曲線的切割過程。

（三）改進切割工具并落實具體的應(yīng)用

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中傳統(tǒng)的坡口切割操作中運用的是等角坡口切割，考慮到數(shù)控系統(tǒng)中提出的變角坡口切割的要求，在高速激光切割技術(shù)要點分析中應(yīng)該改進切割工具，同時全面落實改進后切割工具的應(yīng)用，現(xiàn)階段高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中改進的切割工較多，可以為切割工具配置切割軟件，利用軟件中的編程完成切割工具的控制，編程對切割工具的控制能夠最大程度地排除切割誤差。切割編程工具能夠簡化高速激光切割的過程，切割時向編程內(nèi)輸入坡口角度、厚度等參數(shù)，接下來就是控制器的自動化操作，整個高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的控制模塊按照切割的參數(shù)控制切割的方向及位置，完成材料的切割。

（四）最優(yōu)化切割參數(shù)數(shù)據(jù)庫的運用

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中配備了最優(yōu)化切割參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫能夠為切割提供最優(yōu)化的參數(shù)，參數(shù)最優(yōu)化的過程中能夠排除外部因素的干擾，數(shù)據(jù)庫內(nèi)匯總了以往的數(shù)據(jù)，為數(shù)控系統(tǒng)的操作提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)，有助于提高加工工件切割的質(zhì)量水平^[8]。最優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)庫的實踐優(yōu)勢非常明顯，高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中選好加工工件的材料類型之后，就要配置合適的切割氣體，此時就可以在數(shù)據(jù)庫內(nèi)匹配最優(yōu)的參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)會把高速激光切割的數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?qū)動模塊，再由驅(qū)動模塊給出可控制的定值，數(shù)控系統(tǒng)中會高精度的完成各項切割操作，同時保障高速激光切割過程的穩(wěn)定性，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)同一塊材料中如果遇到不同的組織，此時需暫停切割之后重新設(shè)定配置參數(shù)。最優(yōu)參數(shù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息并不是固定不變的，而是可以隨時根據(jù)外部經(jīng)驗進行修改，保障數(shù)據(jù)庫的服務(wù)性，滿足高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的需要。

五、高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例

分析高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)在不同行業(yè)中的應(yīng)用表現(xiàn)，本文主要在汽車制造、船舶制造以及醫(yī)療器械制造3個方面進行分析，探討高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，如下。

（一）汽車制造案例

汽車制造時大量的材料都為批量生產(chǎn)，汽車制造時如果采用普通的激光機床數(shù)控系統(tǒng)進行切割就會影響到汽車制造與生產(chǎn)的效率，因此，采用高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)，以便滿足汽車制造時的批量生產(chǎn)，高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的切割機功率比較高，切割鋼板時不需要耗費太長的時間，激光束在數(shù)控系統(tǒng)的工作臺上能夠高速移動，一天就可以切割出上萬的鋼板制造材料。目前，市面上的新型切割機就采用了高速激光切割技術(shù)，在機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)可以根據(jù)汽車制造對零件的需求去靈活的改變切割設(shè)計，直接修改數(shù)控系統(tǒng)中的程式參數(shù)就可以快速的更改切割設(shè)計，直接取代了傳統(tǒng)設(shè)計中的模具設(shè)計環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢。汽車制造中高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的案例分析中，柔性設(shè)計和跟蹤技術(shù)成為數(shù)控系統(tǒng)中的重點，柔性設(shè)計和跟蹤技術(shù)有利于優(yōu)化高速激光切割的過程，控制好切割精度的同時提高激光頭在數(shù)控系統(tǒng)中的切割速度，提高了汽車零部件切割制造的水平。

（二）船舶制造案例

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)是船舶制造中不能缺少的部分，船舶制造中的前船板的制造案例中，高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)達到了理想的切割效果，切割中4000W氣體能夠完成20?mm船板的切割工作，數(shù)控系統(tǒng)中使用高速激光切割切割前船板時不會出現(xiàn)熱變形的問題，切割之后不需要繼續(xù)加工就可以焊接，而且具備高精度的曲線切割效果。例如：高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)中的超大幅面激光切割機應(yīng)用案例，該案例中的切割機的工作臺面長度是6～30?m，寬度是3～4.5?m，船舶制造中的材料能夠一邊加工，一邊完成上下料，在很大程度上提高了切割的效率，該案例的切割機橫梁中安裝了同步等光程系統(tǒng)，確保高速激光切割時的激光切割頭以精準的操作達到指定的位置，保證整個材料上的切割點位置質(zhì)量一樣，船舶制造時使用的鋼板具有很大的重量，此類型切割機完成了該船舶制造案例中20?mm厚度碳鋼板的切割工作以及10?mm的不銹鋼板切割工作，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，切割機的工作面上，激光切割頭的加工臺為X軸方向，切割運動的方向在Y軸方向，工作時6個電機同時運行，激光頭高速完成切割的工作。

（三）醫(yī)療器械制造案例

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)在醫(yī)療器械制造行業(yè)中采用的是全自動激光切割系統(tǒng)，主要是確保醫(yī)療器械加工構(gòu)件可以達到精度與純凈度的要求。例如：全自動激光切割系統(tǒng)在機床數(shù)控操作臺切割顯微鏡蓋玻片與載玻片案例中，切割后玻璃邊緣的粗糙度均低于0.5?μm，玻璃的完好性非常好，排除了激光高溫造成的變色或者裂紋問題，數(shù)控系統(tǒng)中切割流程直接運用軟件進行控制，軟件配置完成切割的過程控制，不需要人工配置，保障醫(yī)療器械切割制造的精密性。高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)在醫(yī)療器械加工行業(yè)中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢為無模具、全自動以及軟件配置，切割期間不需要人為參與，快速完成醫(yī)療器械的切割，適用于小批量生產(chǎn)的加工工藝中。

六、高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向

高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)朝向嵌入式的方向發(fā)展，目前已經(jīng)有嵌入式高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)投入到應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)圖如下圖3，實際仍舊存在著較大的發(fā)展空間，嵌入式系統(tǒng)在機床數(shù)控的高速激光切割上主要是實現(xiàn)計算機控制的全軟件型操作，取代原本的硬件控制，增強數(shù)控系統(tǒng)中激光切割的靈活度。高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)嵌入式發(fā)展的過程中還要注重開放性，確保嵌入式系統(tǒng)能夠快速的應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，逐步實現(xiàn)硬件向全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的過度。

七、結(jié)語

我國高速激光切割機床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展過程中，數(shù)控機床中高速激光切割技術(shù)逐漸成熟，跟上世界工業(yè)自動化的發(fā)展速度。我國數(shù)控行業(yè)中不斷地完善高速激光切割技術(shù)，同時改進高速激光切割機床數(shù)控中的缺陷，這樣才能保障高速激光切割機床數(shù)控的有效運用，滿足工業(yè)行業(yè)的需求。高速激光切割機床數(shù)控中有著一定的目標，根據(jù)目標落實發(fā)展策略，全面落實高速激光切割技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用。

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