WMEM | 三維五軸光纖激光切割機技術(shù)剖析

中國機床工具工業(yè)協(xié)會(huì )cmtba 

三維五軸光纖激光切割機床被視為高功率激光加工設備皇冠上的明珠，其主要應用于三維異形曲面的切孔和修邊，用于代替沖孔模和修邊模。早期，國內采用手工等離子切割三維工件，切割效果不理想。近幾年國內開(kāi)發(fā)了機器人三維激光切割機，切割效果有一定的提升，但是受制于機器人的精度不高，切割精度不高，只是在一些要求不高的行業(yè)得到了一些應用。而在汽車(chē)沖壓模具行業(yè)中試模，對切割精度要求較高，三維五軸光纖激光切割機床因其生產(chǎn)效率高、性能穩定等特點(diǎn)受到歡迎，但主要市場(chǎng)被國外設備所壟斷，如德國Trumpf（通快）、意大利Prima（普瑞瑪）、日本NTC、Mitsubishi（三菱）等公司。三維五軸光纖激光切割機產(chǎn)品圖如圖1所示。

圖1 三維五軸光纖激光切割機產(chǎn)品

一、技術(shù)發(fā)展背景

三維五軸光纖激光切割機是集光、機、電、氣一體化的高端機床裝備，應用于汽車(chē)行業(yè)、模具行業(yè)、軍工及航空航天行業(yè)、家用電器行業(yè)以及異型管材類(lèi)切割，主要適用于曲面薄板類(lèi)的金屬切割。

三維五軸激光切割技術(shù)在90年代就已經(jīng)開(kāi)始研制，研制及生產(chǎn)廠(chǎng)家僅有德國Trumpf、意大利Prima兩家，市場(chǎng)基本上被這兩家壟斷。在2008年后，日本NTC、Mitsubishi研制開(kāi)發(fā)了低加速度、低速度、高精度的工作臺移動(dòng)式的三維五軸CO₂激光切割機。但一直以來(lái)，三維五軸激光切割機主要用于研發(fā)及小批量試制，對沖壓成形的三維零件進(jìn)行修邊、切孔，取代傳統的修邊模和沖孔模，縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，降低制造成本，所以每年的市場(chǎng)銷(xiāo)量較少。在中國市場(chǎng)，一般一年的市場(chǎng)需求量在30-40臺左右。

但是由于汽車(chē)熱成形技術(shù)的出現及應用，改變了市場(chǎng)需求量少的狀況，一條汽車(chē)熱成形生產(chǎn)線(xiàn)一般配備4-5臺三維五軸激光切割機，市場(chǎng)需求呈爆炸式發(fā)展。截止目前，全球有近450條汽車(chē)熱成形生產(chǎn)線(xiàn)，跟隨配套生產(chǎn)的三維五軸激光切割機約有2000臺套。國內有近170條熱成形生產(chǎn)線(xiàn)，跟隨配套生產(chǎn)的三維五軸激光切割機約有700臺套。

鋼板熱成形技術(shù)是指將鋼板經(jīng)過(guò)950℃的高溫加熱之后一次成形，又迅速冷卻，從而全面提升鋼板強度，屈服強度達1000Mpa以上，用在車(chē)身上后，車(chē)重沒(méi)有增加，但承受力提高了30%，安全性能顯著(zhù)提高。由于鋼板強度太高，傳統的修邊模和沖孔模因鋼板高強度問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行修邊和沖孔，只能使用激光進(jìn)行生產(chǎn)，從而使三維五軸激光切割產(chǎn)品進(jìn)入汽車(chē)批量生產(chǎn)線(xiàn)，成為不可替代的生產(chǎn)工藝及工序。

普通鋼板的屈服強度在140Mpa，適用于旅游觀(guān)光車(chē)、纜車(chē)；高強度鋼板的屈服強度在180-240Mpa，適用于卡車(chē)、叉車(chē)、客車(chē)、挖機、農機等；高強度鋼板的屈服強度在260-320Mpa，適用于經(jīng)濟型轎車(chē)，經(jīng)濟型SUV車(chē)；超強度鋼板的屈服強度在340-700Mpa，適用于高端型轎車(chē)，高端型SUV車(chē)；而熱成形鋼板的屈服強度超過(guò)1000Mpa以上，一般熱成形鋼板的屈服強度在1500Mpa左右。目前，材料廠(chǎng)家正在研制熱成形鋼板的屈服強度在2000Mpa左右，越來(lái)越超高強度鋼板被汽車(chē)行業(yè)廣泛應用，這使得三維五軸激光切割機產(chǎn)品越來(lái)越得到更多的應用。

二、技術(shù)發(fā)展現狀

目前，生產(chǎn)三維五軸激光切割機主要廠(chǎng)家有德國Trumpf，意大利Prima，日本NTC、Mitsubishi，中國大族激光、華工。Trumpf、Prima由于生產(chǎn)較早，產(chǎn)品成熟，性能穩定，市場(chǎng)客戶(hù)認可度極高。日本NTC、Mitsubishi 兩家公司只生產(chǎn)低速度、低加速度的三維五軸CO₂激光切割機，其生產(chǎn)效率較低，能耗較高（CO₂激光器相比光纖激光器能耗非常高），無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)熱成形生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)效率的要求。大族激光攻破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，既生產(chǎn)低速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機，又生產(chǎn)高速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機，技術(shù)緊跟Trumpf、Prima，成為目前市場(chǎng)上三維五軸光纖激光切割性?xún)r(jià)比很高的產(chǎn)品，解決了三維五軸光纖激光切割機關(guān)鍵核心技術(shù)：

1．機床結構優(yōu)化設計及動(dòng)態(tài)設計

對整機結構進(jìn)行CAE有限元分析，結合動(dòng)、靜態(tài)剛度，靜態(tài)強度，熱特性進(jìn)行分析，得到整機最佳的剛度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，經(jīng)過(guò)反復測試及驗證，進(jìn)行設計改進(jìn)，分析理論值與實(shí)際測試值數據的差異化的因素，當理論值與實(shí)際測試值數據基本吻合，最終獲得整機既經(jīng)濟又輕量的結構設計。機床結構優(yōu)化設計及動(dòng)態(tài)設計方框圖與機床結構圖如圖2所示。

圖2 機床結構優(yōu)化設計及動(dòng)態(tài)設計方框圖與機床結構圖

2．提高動(dòng)態(tài)性能和穩定性

對高速度、大慣量、大尺寸的部件進(jìn)行CAE有限元模態(tài)分析，對結合面阻尼、局部剛度、質(zhì)量分布進(jìn)行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對結構進(jìn)行設計改進(jìn)及優(yōu)化，經(jīng)過(guò)反復測試驗證，獲取動(dòng)態(tài)性能和穩定性良好的移動(dòng)部件，確保產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能與穩定性。提高動(dòng)態(tài)性能和穩定性方框圖與模態(tài)分析圖分別如圖3 、圖4所示。

圖3 提高動(dòng)態(tài)性和穩定性方框圖與模態(tài)分析圖

圖4 模態(tài)分析數據圖

3．提高高速度、高精度定位

對電機及伺服進(jìn)給驅動(dòng)系統進(jìn)行測試及有限元分析，結合定位精度、響應速度、熱特性、電機剛性進(jìn)行分析及優(yōu)化，并跟蹤特性分析，對數控系統多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行誤差補償，獲得高速度，高精度定位。伺服驅動(dòng)系統分析方框圖如圖5所示。

圖5 伺服驅動(dòng)系統分析方框圖

4．解決無(wú)限旋轉三維切割頭核心技術(shù)

精密的光學(xué)計算，制定系統幾何的空間算法，研制360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維切割頭，自主創(chuàng )新，擁有核心技術(shù)，是繼德國Trumpf、意大利Prima、德國LT后，第四家能夠生產(chǎn)360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維切割頭的廠(chǎng)家，打破了國外技術(shù)壟斷。360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維五軸切割頭如圖6所示。

圖6  360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維五軸切割頭

對三維五軸切割頭產(chǎn)品，解決如下關(guān)鍵及核心技術(shù)：

（1）三維五軸無(wú)限旋轉切割頭水、氣、光通路的密封

三維五軸切割頭加工時(shí)運動(dòng)軌跡較為復雜，通過(guò)C軸（無(wú)限旋轉）機械傳動(dòng)部分傳輸的管道有光路、水路、氣路、電信號通路。由于C軸為無(wú)限旋轉結構，上述通道無(wú)法采用管道式的結構，需設計特定的旋轉式通道結構傳輸。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是要解決運動(dòng)通道水、氣、光的動(dòng)密封性。為突破此重大障礙，在多種備選設計方案中選擇水、氣、光、電各通道獨立傳輸的旋轉機械結構；針對C軸各旋轉傳輸通路對密封元件技術(shù)要求，開(kāi)發(fā)以新型材料為基礎設計的旋轉通道密封元件，元件設計充分地考慮了耐磨性、密封性和元件與管道動(dòng)摩擦力等綜合因素的平衡；結合理論與經(jīng)驗的指導適當調整密封元件與被密封通路的公差配合，成功地實(shí)現集成多個(gè)密封傳輸通道的高速無(wú)限旋轉C軸部件。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗驗證自主研發(fā)的高速旋轉密封元件性能已達到國外同類(lèi)產(chǎn)品水平。

（2）三維切割頭高速旋轉下電信號抗干擾屏蔽技術(shù)

采用傳統的線(xiàn)纜在旋轉軸中傳輸電信號會(huì )因軸的旋轉將線(xiàn)纜纏繞甚至拉扯斷裂，多路電信號同時(shí)在間距較小的空間內傳輸也會(huì )有信號互相串擾的風(fēng)險。為了避免此類(lèi)問(wèn)題并保證多路電信號的抗電磁干擾傳輸，根據多路電信號通路的技術(shù)規格，首創(chuàng )的獨特電滑環(huán)結構設計，突破多路電信號在高速旋轉軸上的抗干擾傳輸。

5．在線(xiàn)修改軟件技術(shù)

大族自行開(kāi)發(fā)的HANS 3DEDIT在線(xiàn)修改程序軟件，修改程序尺寸更加方便、快捷，換件速度快，提高了生產(chǎn)效率，節約了生產(chǎn)成本。在線(xiàn)修改軟件如圖7所示。

圖7 在線(xiàn)修改軟件

6．基于具備RTCP功能數控三維五軸光纖切割系統集成應用技術(shù)研究

（1）研究三維五軸光纖激光切割裝備硬件集成系統結構，分析具備RTCP功能數控系統的軟硬件接口，設計三維五軸光纖激光切割中各加工部件的系統集成控制方案。

（2）研究RTCP功能數據。三維五軸光纖激光切割系統由三大功能塊組成，分別是加工控制模塊、離線(xiàn)編程模塊以及激光切割工藝數據庫。結合加工裝備的硬件集成，面向三維五軸光纖激光切割工藝的軟件二次開(kāi)發(fā)，給予PC工控平臺設計數控系統控制類(lèi)函數，開(kāi)發(fā)三維五軸光纖激光切割控制應用程序接口，實(shí)現三維五軸光纖激光切割機床運動(dòng)控制以及工藝調節等功能。

（3）基于三維空間映射對三維五軸激光加工機床進(jìn)行運動(dòng)學(xué)分析，同時(shí)設計切割頭運動(dòng)仿真。

（4）開(kāi)發(fā)基于HMI的PC平臺的數據庫，并結合功能需求利用SQL進(jìn)行數據庫的具體功能設計，實(shí)現數據庫的修改、添加、查詢(xún)、瀏覽以及刪除等功能。

7．三維復雜曲面激光切割工藝的研究

（1）分析外光路模式，對光路進(jìn)行整形補償，確保最佳切割光束模式，開(kāi)發(fā)三維五軸激光切割專(zhuān)用工藝控制軟件。

（2）研發(fā)快速穿孔、切割狀態(tài)控制反饋技術(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割小孔、高功率光纖氮氣切割中薄板碳鋼工藝方法、復雜圖形及圖片處理與應用等工藝方法，攻克復雜圖形及小輪廓加工的工藝技術(shù)難題。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、轉角的激光切割方法。對三維覆蓋件誤差補償、三維覆蓋件拐角切割質(zhì)量控制和平板上尖角切割質(zhì)量的控制方法進(jìn)行研究。

（4）開(kāi)發(fā)基于CC編譯循環(huán)的Z軸仿形控制技術(shù)，圖形預覽及軌跡同步顯示技術(shù)，基于圖形預覽的靈活介入和靈活補切技術(shù)，基于快速響應激光脈沖方波PWM發(fā)生器的激光脈沖頻率與占空比、激光功率實(shí)時(shí)坡度調節技術(shù)。

解決三維件拐角過(guò)燒，厚板尖角過(guò)熔和極限小孔切割，薄板的快速穿孔等工藝難題，建立完善的激光切割工藝專(zhuān)家數據庫，實(shí)現大輪廓、小輪廓、拐角、標準圖形等激光切割工藝參數的自動(dòng)調用。

三、技術(shù)及應用發(fā)展趨勢

1．技術(shù)發(fā)展趨勢

伴隨三維五軸激光切割技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)及進(jìn)步，性能及功能越來(lái)越強大，技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

（1）高加速度、高速度：產(chǎn)品加速度越來(lái)越高，產(chǎn)品速度越來(lái)越快，生產(chǎn)效率越來(lái)越高；

（2）高切割速度、高精度：切割速度快生產(chǎn)效率才能高，生產(chǎn)成本才能降低；高的定位速度及高的重復定位精度，才能有高的切割精度，才能滿(mǎn)足日益提高的產(chǎn)品質(zhì)量需求；

（3）自動(dòng)化、智能化：人工成本日益增高，產(chǎn)品需要向高自動(dòng)化、高智能化方向發(fā)展；一方面高自動(dòng)化可以減少人力，節約成本；另一方面，高智能化致使機器裝備技術(shù)操作簡(jiǎn)單，對人員技術(shù)的依賴(lài)較小，簡(jiǎn)單、易學(xué)，也可降低成本。

2．應用發(fā)展趨勢

一方面，產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化改進(jìn)，產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，致使越來(lái)越多的用戶(hù)都可以買(mǎi)得起，基本上能夠采用三維五軸激光切割的工序，優(yōu)先采用，取代傳統的加工方法。

另一方面，三維五軸激光切割技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)品個(gè)性化設計，工程設計師可以發(fā)揮個(gè)性化的設計，設計出更加精美的產(chǎn)品，不再受傳統加工方式的制約。

再有，熱成形技術(shù)進(jìn)入汽車(chē)行業(yè)，促使三維五軸激光切割機成為汽車(chē)生產(chǎn)工序上不可替代的工序，隨著(zhù)越來(lái)越多的車(chē)型采用熱成形技術(shù)，越來(lái)越多的三維五軸激光切割機進(jìn)入汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)。目前，只有高端車(chē)在使用，但隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟型車(chē)、新能源車(chē)也會(huì )采用熱成形技術(shù)。據汽車(chē)行業(yè)調研分析，今后汽車(chē)更新?lián)Q代將更加快速，過(guò)去一個(gè)車(chē)型生產(chǎn)上百萬(wàn)輛的時(shí)代已經(jīng)成為歷史。單一車(chē)型的數量逐步在下降，模具的成本非常高，三維五軸激光切割機就會(huì )體現較低的使用成本從而順應時(shí)代發(fā)展需求。

綜上所述，在汽車(chē)行業(yè)，特別是在汽車(chē)熱成形行業(yè)中，隨著(zhù)三維五軸激光切割不斷應用與發(fā)展，汽車(chē)制造技術(shù)水平越來(lái)越先進(jìn)、生產(chǎn)效率越來(lái)越高，不僅可以解決汽車(chē)熱成形高強鋼強度大的問(wèn)題，還能促進(jìn)汽車(chē)個(gè)性化設計發(fā)展。