三維激光切割機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來動(dòng)向

閆新華，付黎偉，甄守樂

（諾伯特智能裝備（山東）有限公司，山東 聊城 252000）

0 引言

激光切割是激光加工領(lǐng)域中應(yīng)用最早、使用最多的應(yīng)用技術(shù)，占整個(gè)激光加工領(lǐng)域的70%以上，在機(jī)械、汽車、航空航天、輕工紡織、食品醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]。

傳統(tǒng)的激光切割平面切割為主，隨著激光切割技術(shù)的發(fā)展，自由曲面三維工件的加工逐漸成為可能。從1979 年世界上第一臺(tái)五軸CO2激光切割機(jī)在Prima 公司問世以來，三維激光切割機(jī)即以柔性強(qiáng)、精度高、工裝設(shè)備需求少、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)受到諸多青睞，目前廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域?qū)θS工件有加工需求的生產(chǎn)中[2]。

1 三維激光切割機(jī)的種類

為保證加工質(zhì)量并高效利用激光束能量，三維激光切割過程中，切割頭在沿預(yù)設(shè)的空間軌跡運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，其激光光軸須始終與被切割工件表面垂直。因此，三維激光切割機(jī)通常至少需要具有5 個(gè)軸，即三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸（X、Y、Z 軸）和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（A、B、C軸中的兩個(gè)）。

目前，商業(yè)市場(chǎng)的三維激光切割機(jī)有龍門式和機(jī)器人式兩種基本結(jié)構(gòu)。前者通常由床身或工作臺(tái)提供X、Y、Z 軸直線運(yùn)動(dòng)，切割頭提供其余兩軸旋轉(zhuǎn)（或擺動(dòng)）運(yùn)動(dòng)；后者采用光纖傳輸（或內(nèi)含反射鏡的關(guān)節(jié)臂）與機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)三維激光切割。兩者性能對(duì)比如表1 所示[3-5]。

表1 龍門式、機(jī)器人式切割機(jī)性能對(duì)比

大功率激光器是激光切割設(shè)備的關(guān)鍵配件，根據(jù)使用激光器的種類不同，三維激光切割機(jī)通常也分為光纖激光切割機(jī)、CO2激光切割機(jī)和YAG 激光切割機(jī)三類。三類激光切割機(jī)主要性能對(duì)比如表2所示[6-8]。

表2 光纖、CO2、YAG 激光切割機(jī)性能對(duì)比

目前，商業(yè)市場(chǎng)的三維激光切割機(jī)以光纖激光切割機(jī)和CO2激光切割機(jī)為主。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 三維光纖激光切割機(jī)

相比CO2激光切割和YAG 激光切割，光纖激光切割在切割效率、光電能轉(zhuǎn)換效率、光路結(jié)構(gòu)、維護(hù)成本、切割精度等方面均具有一定的優(yōu)勢(shì)，近些年來，光纖激光切割機(jī)發(fā)展迅速，已逐漸取代傳統(tǒng)的CO2激光切割機(jī)，成為新的市場(chǎng)主流。

目前，國(guó)外生產(chǎn)三維光纖激光切割機(jī)的知名廠商主要有德國(guó)Trumpf 公司，意大利Prima Power 公司，美國(guó)PREISER 公司，以及日本小松公司、NTC 公司、小池公司、Mitsubishi 公司、AMADA 公司和MAZAK 公司。其中，Trumpf 公司的TruLaser Cell 3000 型、TruLaser Cell 5030 型、TruLaser Cell 8030型、Prima Power 公 司 的Rapido 型、Laserdyne 795型、小松公司的TLH-N 系列、AMADA 公司的LCG3015AJ II 等三維光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品具有較高的知名度。

TruLaser Cell 3000 型五軸激光加工機(jī)床采用模塊化結(jié)構(gòu)，可選用多種激光器，并可通過更換激光加工頭實(shí)施焊接、切割和激光熔覆等加工；便于實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化，可滿足大批量生產(chǎn)需要；其定位精度較高，X/Y/Z 軸定位精度為±0.015mm，A、C 軸定位精度0.02°。

TruLaser Cell 80303D 激光切割機(jī)適用于快速切割大尺度熱成型車輛側(cè)圍件，其X/Y/Z 軸移動(dòng)范圍為3000mm/1300mm/600mm，軸加速度為4g；采用優(yōu)化的旋轉(zhuǎn)加工臺(tái)，極大地減少了非生產(chǎn)時(shí)間，提高了效率和產(chǎn)能。如圖1 所示。

圖1 TruLaser Cell 3000 型

Rapido 三維五軸激光切割機(jī)采用2.0～4.0kW 光纖激光器，其工藝靈活，可適用于不同的切割、焊接應(yīng)用，具有防撞系統(tǒng)以及無反沖、無磨損的直驅(qū)。

Laserdyne 795 多軸激光加工機(jī)床采用高精密加工表面和大直徑、高剛性傳動(dòng)絲桿，機(jī)械精度高，適合高速切割加工，且適合光纖、CO2和YAG 等不同種類激光光源。如圖2 所示。

圖2 Laserdyne 795 多軸激光加工機(jī)床

TLH-N 系列超高速三維5 軸控制激光切割機(jī)具有高剛度、高速度（X/Y/Z 軸快進(jìn)速度100m/min、A/C軸快進(jìn)速度540°/s）、操作性好、采用單側(cè)OPEN、接近性高等特點(diǎn)。

LCG3015AJ II 高效光纖激光加工機(jī)具有高達(dá)170m/min 的快進(jìn)速度和120m/min 的加工進(jìn)給速度，生產(chǎn)效率高、可擴(kuò)展性好，且擁有從工藝改善到工廠改革的全新的鈑金加工數(shù)字化改善解決方案。如圖3所示。

圖3 LCG3015AJ II 高效光纖激光加工機(jī)

我國(guó)工業(yè)激光的起步較晚，商品化的激光切割機(jī)技術(shù)的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距。隨著國(guó)家將激光加工技術(shù)列入重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)興起了一股熱潮，越來越多的企業(yè)及科研院所開展了相關(guān)技術(shù)的研究。目前，國(guó)內(nèi)已有大族激光、華工激光、楚天激光、百超迪能、濟(jì)南金威刻、鐳鳴激光等多家企業(yè)推出了三維光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品。

其中，大族激光的HyRobot C20 光纖激光切割機(jī)、華工激光的AUTOBOT 汽車三維五軸激光切割機(jī)、SF 系列三維五軸激光切割機(jī)、迪能激光的FCCBD 大包圍自動(dòng)互換臺(tái)光纖激光切割機(jī)、焦點(diǎn)激光的FK3015S 汽車三維五軸激光切割機(jī)、斯塔克公司的STK-S-3015 三維五軸激光切割機(jī)、鐳鳴激光的LMR 三維多軸智能激光切割裝備等具有較高的知名度。

目前，在主要技術(shù)指標(biāo)方面，國(guó)產(chǎn)三維光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品與國(guó)外主流產(chǎn)品相差不大。主要技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表3 三維光纖激光切割機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 三維CO2 激光切割機(jī)

CO2激光切割機(jī)目前常用于厚度不超過12mm的不銹鋼和厚度不超過25mm 的非金屬材料的加工，在汽車內(nèi)外飾工件以及其他行業(yè)的非金屬件的切割加工中有比較廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)外生產(chǎn)CO2激光切割機(jī)主要廠家有德國(guó)Trumpf 公司，意大利Prima Power 公司，以及日本小松公司、NTC 公司等。其中，Trumpf 公司的Tru-Laser Cell 7040 型三維CO2激光切割機(jī)、Prima Power 公司的Optimo 三維五軸激光切割機(jī)、小松公司的TLM系列三維5 軸控制激光切割機(jī)、NTC 公司的TLM610 雙交換工作臺(tái)的三維五軸激光切割機(jī)等產(chǎn)品具有較高的知名度。

TruLaser Cell 7040 型三維CO2激光切割機(jī)的X/Y/Z 軸行程為4000mm×2000mm×1000mm、B/C軸行程為±135°和n×360°，最大軸加速度4g，設(shè)有多個(gè)工作區(qū)，可根據(jù)需要方便選取，可選用多種激光器，并可通過更換激光加工頭實(shí)施焊接、切割和激光熔覆等多種加工工藝。如圖4 所示。

圖4 TruLaser Cell 7040 型三維激光切割機(jī)

Optimo 三維五軸激光切割機(jī)同樣適用于大型工件切割和焊接，其X/Y/Z 軸行程為4500mm×2500mm×1020mm、B/A 軸行程為±135°和360°，采用2.5～4kW 的速軸向流動(dòng)和平板式CO2激光器。如圖5 所示。

圖5 Optimo 三維五軸激光切割機(jī)

TLM610 三維五軸激光切割機(jī)采用了龍門式床身、移動(dòng)式工作臺(tái)、一點(diǎn)指向式切割頭，以及具有專利技術(shù)的搖桿控制箱、特殊割嘴結(jié)構(gòu)及TDLC-04R高性能數(shù)控系統(tǒng)，并提供脫機(jī)編程功能。

目前，國(guó)內(nèi)CO2激光切割主要應(yīng)用于二維切割機(jī)產(chǎn)品，如民升激光科技有限公司研發(fā)的MS-1380激光切割機(jī)、縱通激光科技有限公司研發(fā)的ZT-CC1610 激光切割機(jī)等。暫未有產(chǎn)品化的三維CO2激光切割機(jī)產(chǎn)品。

3 發(fā)展動(dòng)向

（1）高功率化。提高激光器的功率可提高加工能力和效率，降低加工成本。隨著激光器成本的下降，三維切割機(jī)主流產(chǎn)品的功率已由幾年前的2kW、3 kW 提升至4kW、6kW，現(xiàn)在也已出現(xiàn)了萬瓦級(jí)產(chǎn)品，相信未來幾年，萬瓦級(jí)產(chǎn)品將成為市場(chǎng)主流。

（2）高速高精度。提高定位速度和定位精度有助于提高機(jī)床加工效率、滿足工程機(jī)械及其他高附加值產(chǎn)品的性能要求、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。目前，切割機(jī)主流產(chǎn)品的定位速度為100m/min，而高速切割機(jī)的定位速度最高可達(dá)280m/min。

（3）智能化。操作的自動(dòng)化、智能化是工業(yè)4.0、智能制造的要求。越來越多的企業(yè)注重機(jī)床的智能化，如開放式系統(tǒng)、自動(dòng)排料、自我故障診斷、工藝數(shù)據(jù)的智能管理、遠(yuǎn)程控制等。

（4）功能多樣化。拓展機(jī)床的加工范圍可增大機(jī)床的柔性和適應(yīng)能力，進(jìn)而提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)外不少先進(jìn)三維切割機(jī)產(chǎn)品具有較寬的工藝范圍，如Trumpf 公司的TruLaser Cell 3000 型和TruLaser Cell 7040 項(xiàng)三維激光切割機(jī)均具有三維切割、焊接金屬熔覆功能；Prima Power 公司的Rapido 三維五軸激光切割機(jī)可使用多種激光器，滿足多類焊接、切割加工的需要。

4 結(jié)語

在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域從傳統(tǒng)加工向高端制造轉(zhuǎn)型的大背景下，激光切割行業(yè)將保持高速發(fā)展的趨勢(shì)。未來三維激光切割裝備將向高功率化、高速高精度、智能化、功能多樣化等方向發(fā)展。目前，與德國(guó)、日本、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)無論在三維激光切割機(jī)產(chǎn)品方面，還是在激光切割頭、高功率激光器等核心零部件方面，亦或在激光切割機(jī)理研究、高性能數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，均存在較大差距，需要科技人員不斷進(jìn)行深入研究。