三維光纖激光切割機器人的特點

　　1、光纖激光器的主要特點

　　(1)光纖激光器電一光轉(zhuǎn)化效率高，轉(zhuǎn)換效率達25％以上，小功率光纖激光器無需配冷水機，采用風(fēng)冷，可大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)省運行成本，達到最高的生產(chǎn)效率。

　　(2)激光器運行時僅僅需要電能，不需要產(chǎn)生激光的額外氣體，具有最低的運行和維護費用。

　　(3)光纖激光器采用半導(dǎo)體模塊化和冗余設(shè)計，諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，不需要啟動時間，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，降低了配件成本和維護的時間，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

　　(4)光纖激光器的輸出波長為1064nm，精度高，輸出的光束質(zhì)量好，功率密度高，非常有利于金屬材料的吸收，具有卓越的切割、焊接能力，從而使加工的費用最低。

　　(5)整機光路由光纖傳輸，不需要復(fù)雜的反射鏡等導(dǎo)光系統(tǒng)，光路簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外光路免維護。

　　(6)切割頭中含有保護鏡片，使反射鏡、聚焦鏡等貴重的易耗品消耗量極少。

　　(7)光通過光纖導(dǎo)出，使機械系統(tǒng)的設(shè)計變得非常簡單，非常容易與機器人或多維工作臺集成。

　　(8)激光器加上光閘后可以一器多機，通過光纖分光，分成多路多臺同時工作，易于擴展功能，升級方便、簡單。

　　(9)光纖激光器體積小，重量輕，工作位置可移動，占地面積小。

　　2、三維激光切割最大的特點是高柔性

　　三維激光切割尤其適合小批量的三維鈑金材料的切割。其高柔性主要表現(xiàn)在兩個方面：

　　(1)對材料的適應(yīng)性強，激光切割機通過數(shù)控程序基本上可以切割任意板材。

　　(2)加工路徑由程序控制，如果加工對象發(fā)生變化，只須修改程序即可，這一點在零件修邊、切孔時體現(xiàn)得尤為明顯，因為修邊模、沖孔模對于其他不同零件的加工無力，而且模具的成本高，所以目前三維激光切割有取代修邊模、沖孔模的趨勢。一般來說，三維機械加工的夾具設(shè)計及其使用比較復(fù)雜，但激光加工時對被加工板材不加機械加工力，這使得夾具制作變得很簡單。此外，一臺激光設(shè)備如果配套不同的硬件和軟件，就可以實現(xiàn)多種功能。

　　3、機器人+光纖激光器組合的優(yōu)、缺點

　　(1)用工業(yè)機器人代替五軸機床兩者都能進行空間軌跡的描述實現(xiàn)三維立體切割，工業(yè)機器人的重復(fù)定位精度比五軸機床稍低，但這完全可以滿足汽車鈑金覆蓋件和底盤件行業(yè)的精度要求。而采用工業(yè)機器人大大降低了系統(tǒng)的成本造價，減少了耗電系統(tǒng)費用和系統(tǒng)運行維護費用，減少了系統(tǒng)的占地面積。

　　(2)用光纖激光器代替二氧化碳激光器光纖激光技術(shù)是近幾年高速發(fā)展的激光技術(shù)，相比傳統(tǒng)激光，具有更好的切割質(zhì)量，更低的系統(tǒng)造價，更長的使用壽命和更低的維護用，更低的耗電。關(guān)鍵是光纖激光器的激光可以通過光纖傳輸，方便與工業(yè)機器人連接，實現(xiàn)柔性加工。

　　(3)采用工業(yè)機器人+光纖激光器的組合進行加工，修邊沖孔等工藝一次完成，切口整齊無需后道工藝再處理，大大縮短了工藝流程，降低了人工成本和模具費用的投入，也提高了產(chǎn)品檔次和產(chǎn)品附加值。選配公司的離線編程軟件，通過數(shù)模直接生成切割軌跡，拋棄了繁雜的人工示教，更加適合小批量多批次的維修市場、新品試制非標(biāo)定制等一些個性化的切割需求。而且，投資高柔性、高效率的激光切割設(shè)備，來代替昂貴的沖壓設(shè)備和剪裁設(shè)備，可以更加靈活的更換產(chǎn)品，把握市場。

　　(4)尖端光纖激光技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)完美融合，代表著最先進的激光切割水平；專業(yè)的激光切割機控制系統(tǒng)，電腦操作，能夠保證切割質(zhì)量，使切割工作更方便，操作更為簡單；配置智能機械手，可實現(xiàn)三維立體切割，操控方便，智能化程度高，保證設(shè)備的高速度、高精度、高可靠性；激光切割頭配置進口激光切割頭，反應(yīng)靈敏準(zhǔn)確，與機械手有效配合，避免切割頭與加工板材碰撞，并能保證切割焦點位置，保證切割質(zhì)量穩(wěn)定；激光切割頭可承受1．0MPa氣體壓力，高壓氣路設(shè)備，提高了對不銹鋼等難割材料的切割能力。

　　(5)系統(tǒng)唯一的缺陷只能加工金屬工件，不能加工非金屬工件。這是因為該系統(tǒng)采用的是光纖激光，其波長為l064nm，相對于波長為10640nm的二氧化碳激光，不易為非金屬工件所吸收的緣故。

　　五軸機床+二氧化碳激光器和工業(yè)機器人+光纖激光器的對比分析

　　三維光纖激光切割機器人的應(yīng)用

　　1、三維激光切割行業(yè)應(yīng)用

　　三維激光切割廣泛應(yīng)用于鈑金加工、金屬加工、廣告制作、廚具、汽車、燈具、鋸片、升降電梯、金屬工藝品、紡織機械、糧食機械、眼鏡制作、航空航天、醫(yī)療器械、儀器儀表等行業(yè)。特別是在鈑金加工行業(yè)中已取代傳統(tǒng)加工方式，深受行業(yè)用戶的青睞。

　　2、可加工的材料

　　不銹鋼、碳鋼、合金鋼、硅鋼、彈簧鋼、鋁、鋁合金、鍍鋅板、鍍鋁鋅版、酸洗板、銅、銀、金、鈦等金屬板材及管材切割。

　　3、三維激光切割機加工高強度鋼

　　切邊是對高強度鋼的另一項挑戰(zhàn)。三維激光切割機適用于成型鈑金件的切邊，特別是對于強度高達1500MPa的鋼板，因為沒有其他的加工方法可以替代。因為在加工這些高硬度的材料時，傳統(tǒng)設(shè)備的沖模或者刀具的使用壽命會大大縮短，而激光切割就不必考慮這些問題，還具有安裝時間短、可靈活更換產(chǎn)品或樣品生產(chǎn)等優(yōu)點。

　　4、三維激光切割機應(yīng)用于汽車側(cè)圍的切割

　　(1)側(cè)圍由高強度鋼熱成型而成，其硬度很高而且要承受很大的應(yīng)力。高強度鋼所制的B側(cè)圍增加了耐沖撞力，提高了汽車的安全性。這也是盡管高強度鋼的成本較高，可是汽車制造商還是愿意使用的原因。

　　(2)用于汽車保險杠激光開孔設(shè)備，汽車保險杠是異型件，采用傳統(tǒng)的沖壓方式非常復(fù)雜，并且零件容易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，采用激光切割方式，不需要復(fù)雜的夾具系統(tǒng)，無加工應(yīng)力，切El無變形、無毛刺、無塌邊，更適合后期加工和安裝。

　　可以看出，在汽車制造領(lǐng)域，運用激光技術(shù)，使得汽車制造加工精度高、質(zhì)量好、易實現(xiàn)自動化、柔性化和智能化；更為重要的是能提高汽車的安全品質(zhì)，生產(chǎn)清潔并減少損耗和污染，降低成本并最終優(yōu)惠到普通消費者身上，科技成就生活之美，激光成就汽車之美。

　　三維激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　1、高精度、高速度、高柔性

　　盡管受到“熱(光)加工”方式的限制，激光切割的精度跟數(shù)控銑等其他數(shù)控加工方式相比還有一些差距，但這并不影響其應(yīng)用，其精度可以通過提高設(shè)備性能和選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)等方式獲得提高。在速度方面，雖然激光切割速度每分鐘可達幾米甚至十幾米，但在大批量生產(chǎn)中，則不及金屬沖壓模具。為了提高生產(chǎn)效率，必須提高機床加工速度，不過在實際的正常速度運動下，如果速度過高，在實現(xiàn)加、減速和變換運動方式時，加速度勢必很大，則可能產(chǎn)生很大的慣性力，

　　所以既要獲得高速，又要減小慣性力，就要盡量減少運動部分的質(zhì)量。

　　2、低成本

　　激光設(shè)備昂貴的原因首先是激光器的價格不菲，目前國內(nèi)自研的激光器其光學(xué)模式很難達到基模，不能勝任三維切割；其次是尚未掌握制造三維激光設(shè)備的核心技術(shù)(如切割頭)；再次是對于軟件的研究及開發(fā)不多。只有設(shè)法降低設(shè)備成本，掌握其核心技術(shù)，該技術(shù)才能大規(guī)模應(yīng)用于汽車、航天航空制造等領(lǐng)域。

　　3、智能化

　　三維激光切割中，不僅僅要考慮激光光軸的位姿、離焦量等因素，有時候還會出現(xiàn)工件或夾具跟激光頭產(chǎn)生干擾或碰撞問題，目前某些軟件能使機床實現(xiàn)半自動或全自動的干涉避讓(比如Tebis的五軸激光切割模塊)。對于切割軌跡的輸人，技術(shù)比較成熟的做法是示教，其缺點是費時、費力且精度不高。三維零件在加工之前往往有特定形狀且不規(guī)則，實際上由于重力等因素影響，其形狀可能跟原先設(shè)計有一定出入，所以三維零件的激光加工要實現(xiàn)CAD直接到CAM這一步尚需時日。

　　4、高集成化

　　由于單臺激光設(shè)備一般都價格昂貴，所以功能多樣化一直是激光設(shè)備發(fā)展的一個方向?，F(xiàn)在一般三維激光設(shè)備上都沒有較為成熟的集成切凱、焊接、表面處理等多種激光加工手段。雖然有些設(shè)備既能切割也能焊接或打孔等，但是會側(cè)重其中一種加工方式，弱化其它功能。由于各種加工方式對設(shè)備的要求不一樣，其配套設(shè)施就有很大不同，對于工廠來講，基本上都是專機專用。“高集成化”是一個相對概念，一臺設(shè)備上不可能集成太多的加工方式，各加工方式所配備的裝置集成到一起容易互相干擾，而且這些裝置因其專用性很強，集成后價格更為昂貴。

　　總結(jié)

　　目前國內(nèi)各地?fù)碛械娜S激光切割設(shè)備大部分從國外高價進口，在理論研究上也存在一定差距，主要集中在三維零件空間軌跡的實現(xiàn)和三維零件的切割工藝兩個方面，對三維零件激光切割過程中的激光一材料一氣體之間的交互作用，即三維激光切割機理未作深入研究。

　　由于國內(nèi)激光三維切割技術(shù)跟國外先進技術(shù)還有很大差距，主要表現(xiàn)在設(shè)備的研制上，缺少高光束質(zhì)量的高功率激光器，因此該技術(shù)尚有很多地方值得繼續(xù)深入研究和加大發(fā)展力度。