三维五轴光纤激光切割机技术剖析
2019-11-8 来源：- 作者：-
三维五轴光纤激光切割机床被视为高功率激光加工设备皇冠上的明珠，其主要应用于三维异形曲面的切孔和修边，用于代替冲孔模和修边模。早期，国内采用手工等离子切割三维工件，切割效果不理想。近几年国内开发了机器人三维激光切割机，切割效果有一定的提升，但是受制于机器人的精度不高，切割精度不高，只是在一些要求不高的行业得到了一些应用。而在汽车冲压模具行业中试模，对切割精度要求较高，三维五轴光纤激光切割机床因其生产效率高、性能稳定等特点受到欢迎，但主要市场被国外设备所垄断，如德国Trumpf（通快）、意大利Prima（普瑞玛）、日本NTC、Mitsubishi（三菱）等公司。三维五轴光纤激光切割机产品图如图1所示。
图1 三维五轴光纤激光切割机产品
一、技术发展背景
三维五轴光纤激光切割机是集光、机、电、气一体化的高端机床装备，应用于汽车行业、模具行业、军工及航空航天行业、家用电器行业以及异型管材类切割，主要适用于曲面薄板类的金属切割。
三维五轴激光切割技术在90年代就已经开始研制，研制及生产厂家仅有德国Trumpf、意大利Prima两家，市场基本上被这两家垄断。在2008年后，日本NTC、Mitsubishi研制开发了低加速度、低速度、高精度的工作台移动式的三维五轴CO2激光切割机。但一直以来，三维五轴激光切割机主要用于研发及小批量试制，对冲压成形的三维零件进行修边、切孔，取代传统的修边模和冲孔模，缩短新产品研发周期，降低制造成本，所以每年的市场销量较少。在中国市场，一般一年的市场需求量在30-40台左右。
但是由于汽车热成形技术的出现及应用，改变了市场需求量少的状况，一条汽车热成形生产线一般配备4-5台三维五轴激光切割机，市场需求呈爆炸式发展。截止目前，全球有近450条汽车热成形生产线，跟随配套生产的三维五轴激光切割机约有2000台套。国内有近170条热成形生产线，跟随配套生产的三维五轴激光切割机约有700台套。
钢板热成形技术是指将钢板经过950℃的高温加热之后一次成形，又迅速冷却，从而全面提升钢板强度，屈服强度达1000Mpa以上，用在车身上后，车重没有增加，但承受力提高了30%，安全性能显著提高。由于钢板强度太高，传统的修边模和冲孔模因钢板高强度问题无法进行修边和冲孔，只能使用激光进行生产，从而使三维五轴激光切割产品进入汽车批量生产线，成为不可替代的生产工艺及工序。
普通钢板的屈服强度在140Mpa，适用于旅游观光车、缆车；高强度钢板的屈服强度在180-240Mpa，适用于卡车、叉车、客车、挖机、农机等；高强度钢板的屈服强度在260-320Mpa，适用于经济型轿车，经济型SUV车；超强度钢板的屈服强度在340-700Mpa，适用于高端型轿车，高端型SUV车；而热成形钢板的屈服强度超过1000Mpa以上，一般热成形钢板的屈服强度在1500Mpa左右。目前，材料厂家正在研制热成形钢板的屈服强度在2000Mpa左右，越来越超高强度钢板被汽车行业广泛应用，这使得三维五轴激光切割机产品越来越得到更多的应用。
二、技术发展现状
目前，生产三维五轴激光切割机主要厂家有德国Trumpf，意大利Prima，日本NTC、Mitsubishi，中国大族激光、华工。Trumpf、Prima由于生产较早，产品成熟，性能稳定，市场客户认可度极高。日本NTC、Mitsubishi 两家公司只生产低速度、低加速度的三维五轴CO2激光切割机，其生产效率较低，能耗较高（CO2激光器相比光纤激光器能耗非常高），无法满足汽车热成形生产线生产效率的要求。大族激光攻破关键技术，掌握核心技术，既生产低速度、高精度的三维五轴光纤激光切割机，又生产高速度、高精度的三维五轴光纤激光切割机，技术紧跟Trumpf、Prima，成为目前市场上三维五轴光纤激光切割性价比很高的产品，解决了三维五轴光纤激光切割机关键核心技术：
1．机床结构优化设计及动态设计
对整机结构进行CAE有限元分析，结合动、静态刚度，静态强度，热特性进行分析，得到整机最佳的刚度场与温度场，经过反复测试及验证，进行设计改进，分析理论值与实际测试值数据的差异化的因素，当理论值与实际测试值数据基本吻合，最终获得整机既经济又轻量的结构设计。机床结构优化设计及动态设计方框图与机床结构图如图2所示。
图2 机床结构优化设计及动态设计方框图与机床结构图
2．提高动态性能和稳定性
对高速度、大惯量、大尺寸的部件进行CAE有限元模态分析，对结合面阻尼、局部刚度、质量分布进行分析，采取隔振、减振、抑振措施，对结构进行设计改进及优化，经过反复测试验证，获取动态性能和稳定性良好的移动部件，确保产品的动态性能与稳定性。提高动态性能和稳定性方框图与模态分析图分别如图3 、图4所示。
图3 提高动态性和稳定性方框图与模态分析图
图4模态分析数据图
3．提高高速度、高精度定位
对电机及伺服进给驱动系统进行测试及有限元分析，结合定位精度、响应速度、热特性、电机刚性进行分析及优化，并跟踪特性分析，对数控系统多轴联动进行误差补偿，获得高速度，高精度定位。伺服驱动系统分析方框图如图5所示。
图5伺服驱动系统分析方框图
4．解决无限旋转三维切割头核心技术
精密的光学计算，制定系统几何的空间算法，研制360°无线旋转三维切割头，自主创新，拥有核心技术，是继德国Trumpf、意大利Prima、德国LT后，第四家能够生产360°无线旋转三维切割头的厂家，打破了国外技术垄断。360°无线旋转三维五轴切割头如图6所示。
图6 360°无线旋转三维五轴切割头
对三维五轴切割头产品，解决如下关键及核心技术：
（1）三维五轴无限旋转切割头水、气、光通路的密封
三维五轴切割头加工时运动轨迹较为复杂，通过C轴（无限旋转）机械传动部分传输的管道有光路、水路、气路、电信号通路。由于C轴为无限旋转结构，上述通道无法采用管道式的结构，需设计特定的旋转式通道结构传输。随之而来的问题就是要解决运动通道水、气、光的动密封性。为突破此重大障碍，在多种备选设计方案中选择水、气、光、电各通道独立传输的旋转机械结构；针对C轴各旋转传输通路对密封元件技术要求，开发以新型材料为基础设计的旋转通道密封元件，元件设计充分地考虑了耐磨性、密封性和元件与管道动摩擦力等综合因素的平衡；结合理论与经验的指导适当调整密封元件与被密封通路的公差配合，成功地实现集成多个密封传输通道的高速无限旋转C轴部件。经过大量实验验证自主研发的高速旋转密封元件性能已达到国外同类产品水平。
（2）三维切割头高速旋转下电信号抗干扰屏蔽技术
采用传统的线缆在旋转轴中传输电信号会因轴的旋转将线缆缠绕甚至拉扯断裂，多路电信号同时在间距较小的空间内传输也会有信号互相串扰的风险。为了避免此类问题并保证多路电信号的抗电磁干扰传输，根据多路电信号通路的技术规格，首创的独特电滑环结构设计，突破多路电信号在高速旋转轴上的抗干扰传输。
5．在线修改软件技术
大族自行开发的HANS 3DEDIT在线修改程序软件，修改程序尺寸更加方便、快捷，换件速度快，提高了生产效率，节约了生产成本。在线修改软件如图7所示。
图7 在线修改软件
6．基于具备RTCP功能数控三维五轴光纤切割系统集成应用技术研究
（1）研究三维五轴光纤激光切割装备硬件集成系统结构，分析具备RTCP功能数控系统的软硬件接口，设计三维五轴光纤激光切割中各加工部件的系统集成控制方案。
（2）研究RTCP功能数据。三维五轴光纤激光切割系统由三大功能块组成，分别是加工控制模块、离线编程模块以及激光切割工艺数据库。结合加工装备的硬件集成，面向三维五轴光纤激光切割工艺的软件二次开发，给予PC工控平台设计数控系统控制类函数，开发三维五轴光纤激光切割控制应用程序接口，实现三维五轴光纤激光切割机床运动控制以及工艺调节等功能。
（3）基于三维空间映射对三维五轴激光加工机床进行运动学分析，同时设计切割头运动仿真。
（4）开发基于HMI的PC平台的数据库，并结合功能需求利用SQL进行数据库的具体功能设计，实现数据库的修改、添加、查询、浏览以及删除等功能。
7．三维复杂曲面激光切割工艺的研究
（1）分析外光路模式，对光路进行整形补偿，确保最佳切割光束模式，开发三维五轴激光切割专用工艺控制软件。
（2）研发快速穿孔、切割状态控制反馈技术，同时开发碳钢厚板尖角切割、厚板极限切割小孔、高功率光纤氮气切割中薄板碳钢工艺方法、复杂图形及图片处理与应用等工艺方法，攻克复杂图形及小轮廓加工的工艺技术难题。
（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、转角的激光切割方法。对三维覆盖件误差补偿、三维覆盖件拐角切割质量控制和平板上尖角切割质量的控制方法进行研究。
（4）开发基于CC编译循环的Z轴仿形控制技术，图形预览及轨迹同步显示技术，基于图形预览的灵活介入和灵活补切技术，基于快速响应激光脉冲方波PWM发生器的激光脉冲频率与占空比、激光功率实时坡度调节技术。
解决三维件拐角过烧，厚板尖角过熔和极限小孔切割，薄板的快速穿孔等工艺难题，建立完善的激光切割工艺专家数据库，实现大轮廓、小轮廓、拐角、标准图形等激光切割工艺参数的自动调用。
三、技术及应用发展趋势
1．技术发展趋势
伴随三维五轴激光切割技术越来越先进及进步，性能及功能越来越强大，技术发展趋势如下：
（1）高加速度、高速度：产品加速度越来越高，产品速度越来越快，生产效率越来越高；
（2）高切割速度、高精度：切割速度快生产效率才能高，生产成本才能降低；高的定位速度及高的重复定位精度，才能有高的切割精度，才能满足日益提高的产品质量需求；
（3）自动化、智能化：人工成本日益增高，产品需要向高自动化、高智能化方向发展；一方面高自动化可以减少人力，节约成本；另一方面，高智能化致使机器装备技术操作简单，对人员技术的依赖较小，简单、易学，也可降低成本。
2．应用发展趋势
一方面，产品性能不断优化改进，产品价格不断下降，致使越来越多的用户都可以买得起，基本上能够采用三维五轴激光切割的工序，优先采用，取代传统的加工方法。
另一方面，三维五轴激光切割技术促进产品个性化设计，工程设计师可以发挥个性化的设计，设计出更加精美的产品，不再受传统加工方式的制约。
再有，热成形技术进入汽车行业，促使三维五轴激光切割机成为汽车生产工序上不可替代的工序，随着越来越多的车型采用热成形技术，越来越多的三维五轴激光切割机进入汽车生产线。目前，只有高端车在使用，但随着技术发展，经济型车、新能源车也会采用热成形技术。据汽车行业调研分析，今后汽车更新换代将更加快速，过去一个车型生产上百万辆的时代已经成为历史。单一车型的数量逐步在下降，模具的成本非常高，三维五轴激光切割机就会体现较低的使用成本从而顺应时代发展需求。
综上所述，在汽车行业，特别是在汽车热成形行业中，随着三维五轴激光切割不断应用与发展，汽车制造技术水平越来越先进、生产效率越来越高，不仅可以解决汽车热成形高强钢强度大的问题，还能促进汽车个性化设计发展。
（来源：《世界制造技术与装备市场（WMEM）》2019年第5期 作者：周桂兵 大族激光智能装备集团有限公司）
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