許雙龍 金嘉琦
摘要:在激光應(yīng)用領(lǐng)域,激光切割進(jìn)行著飛速的發(fā)展。本文對(duì)激光切割的原理以及特點(diǎn)進(jìn)行簡單介紹,并對(duì)復(fù)雜曲面激光切割成套設(shè)備的末端執(zhí)行系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng),激光器以及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能等方面進(jìn)行分析與說明。
關(guān)鍵詞:激光切割;復(fù)雜曲面;成套設(shè)備
一、激光切割的原理以及相應(yīng)特點(diǎn)
激光是上世紀(jì)繼原子能和計(jì)算機(jī)之后的又一項(xiàng)重大高新技術(shù),是原子核外電子受激輻射經(jīng)光放大而形成的光輻射,具有單色性、相干性、方向性和高光強(qiáng)等特點(diǎn)。激光切割是激光加工中應(yīng)用最早、使用最多的加工方法。近二十年來,隨著科技的進(jìn)步,激光切割技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)得到了長足的發(fā)展[1,2],是各種加工手段中增長速度最快、也是最有競爭力的新興產(chǎn)業(yè)。在如今大力發(fā)展的航空母艦、載人航天、汽車加工等方面都有著不可或缺的重要性和廣泛應(yīng)用。
(一)原理
激光切割技術(shù)是利用高能量密度激光束的加熱作用,通過氧化等反應(yīng)過程,使材料表面迅速加熱到熔點(diǎn)或沸點(diǎn),再隨著氣化物和高壓輔助氣體(如氧氣、空氣或氮?dú)獾榷栊詺怏w)的壓力下將待加工材料形成縫隙,進(jìn)而達(dá)到切割的效果。
(二)特點(diǎn)
激光切割是當(dāng)前世界上最為先進(jìn)的切割工藝手段之一,它相比于其他切割工藝來說,擁有著切縫窄,速度快,能量集中,工件變形小,切割質(zhì)量高,可控性好等優(yōu)點(diǎn)。在無接觸切割領(lǐng)域有著非常強(qiáng)的實(shí)用性和靈活性。
二、復(fù)雜曲面激光切割成套設(shè)備
激光切割成套設(shè)備主要包括以下幾個(gè)部分,末端執(zhí)行器,激光系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)幾大部分。
(一)末端執(zhí)行系統(tǒng)
末端執(zhí)行器主要是由激光切割頭以及相關(guān)掃描傳感器和同軸顯微鏡組成。切割頭包括防碰撞機(jī)械臂和切割頭組成;并用防碰撞的光纖拖鏈連接。在防碰撞臂上還安裝著同軸CCD顯微鏡,它可以在線掃描測量以及追蹤功能,將掃描的結(jié)果上傳至控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。此外末端執(zhí)行器還需要非常精密的對(duì)焦系統(tǒng),通過調(diào)整工件與切割頭噴嘴的距離等參數(shù)來控制切割路徑和準(zhǔn)度。
作為切割執(zhí)行系統(tǒng)中最影響加工的對(duì)焦系統(tǒng),它是由噴嘴,輔助氣體以及透鏡所組成的,并有零對(duì)焦,正對(duì)焦和負(fù)對(duì)焦三種方式。零對(duì)焦是指焦點(diǎn)在工件表面,焦點(diǎn)在工件表面,切割相對(duì)比較光滑,一般適用于5mm以下的薄碳鋼。負(fù)焦距焦點(diǎn)在工件表面下,一般切割鋁材不銹鋼等工件。平滑面范圍較大,切割幅度較寬,切割氣體流量較大,穿孔的時(shí)間較長。正焦距是焦點(diǎn)在工件表面上,一般切割厚鋼材時(shí)采用。由于厚鋼板比較難切斷,切斷時(shí)的氧化作用必須從上面到底面。因此切幅也是三者最寬的,最粗糙的。
噴嘴的作用是控制噴射的形狀,提高切割表面質(zhì)量,易于清除殘?jiān)日迟N物。同時(shí)也為了防止熔渣等雜物反彈至激光切割頭,造成設(shè)備的損壞污染透鏡噴嘴的孔徑、高度、形狀、同軸度也會(huì)影響切割表面的質(zhì)量。
切割輔助氣體,一般使用氧氣切割普通碳鋼,低壓打孔高壓切割。一般用空氣切割非金屬,高低壓可一樣。氣體純度越高,切割質(zhì)量也就越好。氣體有助于助燃和散熱,吹掉熔渣,保證切割表面質(zhì)量,如果氣壓不足時(shí),將形成熔渣減少切割速度,氣壓過大則會(huì)導(dǎo)致切割表面質(zhì)量較差粗糙。
下圖為激光切割頭示意圖:
(二)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)
運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的機(jī)械臂,x、y、z三軸機(jī)械手以及旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和相對(duì)應(yīng)的工件夾具組成。這些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)復(fù)雜的待加工件進(jìn)行理想化的加工。共有5個(gè)自由度,也可通過AGV小車實(shí)現(xiàn)6自由度加工。該運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以自由根據(jù)工件曲線進(jìn)行加工并附有自動(dòng)檢測最終功能。在檢測工件的同時(shí)實(shí)時(shí)上傳,并反饋到控制系統(tǒng)。在固定夾緊工件方面。本套設(shè)備主要采用球鎖快速裝夾和T型槽結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同工件需求,可以切換不同的回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并通過定位銷,使工裝與工作轉(zhuǎn)臺(tái)固定。
(三)激光系統(tǒng)
激光系統(tǒng)主要包括能量源,激光器以及水冷機(jī)。激光器分為氣體、固體、和光纖激光器。相比氣體和固體激光器,作為第三代激光技術(shù)的代表,它有著散熱快,損耗低,熱轉(zhuǎn)化效率高(遠(yuǎn)高于二氧化碳激光器),易于調(diào)節(jié),穩(wěn)定性高,可以在惡劣環(huán)境下高效工作等特點(diǎn)。在低于5mm的板材切割有著不可比擬的優(yōu)勢。
本套設(shè)備主要采用IPG光纖激光器,可以進(jìn)行連續(xù)或脈沖信號(hào)發(fā)送。光纖激光器是由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三個(gè)基本要素組成。光纖激光器用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器,在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度,造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”,當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出,并隨著光纖放大器的增強(qiáng)。最大脈沖能量可達(dá)150J,脈沖寬度在0.2ms10ms之間,脈沖頻率范圍在1Hz2000Hz之間。在水冷方面,保證工作環(huán)境溫度:5℃至45℃間即可。水溫可自動(dòng)加熱補(bǔ)償,離子吸附功能, 并且具有對(duì)水溫,流量,冷卻方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警功能。
(四)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要分為在線測量與路徑規(guī)劃以及集成控制這幾個(gè)模塊。
通過輪廓測量儀進(jìn)行在線測量與路徑規(guī)劃。首先構(gòu)建理論數(shù)模,再對(duì)切割路徑進(jìn)行規(guī)劃和位移指令,這樣可獲得與實(shí)際工件誤差很小的建模。測量傳感器器和測量儀在高速測量的同時(shí),每秒輸出64000個(gè)輪廓數(shù)據(jù),并可自動(dòng)位移補(bǔ)正。建立的三維建模通過以太網(wǎng)與工控機(jī)連接,高速傳輸數(shù)據(jù)上傳至集成系統(tǒng)。在線測量系統(tǒng)分別從兩個(gè)掃描方向根據(jù)數(shù)模自動(dòng)生成測量路徑。利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、微分幾何學(xué)相關(guān)理論,由點(diǎn)到曲線的方式,導(dǎo)入數(shù)模中的邊作為切割路徑,支持編輯路徑起點(diǎn)、路徑方向、安全起落方向等。根據(jù)數(shù)模上的加工路線和安全方向設(shè)置生成加工路徑。
集成控制系統(tǒng)包含激光切割工藝數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中對(duì)材質(zhì),板材厚度,焦距,位置,功率,切割速度,輔助氣體,噴嘴直徑,噴嘴高度等加工工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可隨時(shí)進(jìn)行歷史查詢及數(shù)據(jù)分析。集成系統(tǒng)通過在線測量進(jìn)行切割路徑規(guī)劃,再根據(jù)加工工藝參數(shù),進(jìn)行生成加工文件,再上傳到西門子840Dsl處理,最后反饋到集成系統(tǒng)中達(dá)到工件相關(guān)運(yùn)動(dòng)和激光切割補(bǔ)償?shù)炔僮鳌2捎肎語言進(jìn)行數(shù)控編程,進(jìn)行位置指令、設(shè)備控制指令、工藝參數(shù)設(shè)定指令等。測量和加工過程運(yùn)行之前,首先通過離線仿真系統(tǒng)模擬運(yùn)行,對(duì)可能出現(xiàn)的干涉情況進(jìn)行排除。在線仿真測量和加工過程運(yùn)行時(shí),監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),并通過3D仿真顯示運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)。本套設(shè)備集成控制系統(tǒng)采用C++/C#語言開發(fā)的應(yīng)用程序,C/S架構(gòu),可以運(yùn)行在Windows系統(tǒng)中。與西門子840Dsl通信采用libnodava或OPC通信,連接方式都為RJ45。840Dsl直接與激光器和激光頭連接,安全控制都由840Dsl直接控制。數(shù)據(jù)庫與測量末端等設(shè)備通信采用廠商提供的軟件DLL接口,采取二次開發(fā)把對(duì)應(yīng)功能集成到最終的集成系統(tǒng)中。
此外控制系統(tǒng)還需要對(duì)加工煙霧等有害顆粒進(jìn)行回收,即吸煙凈化系統(tǒng),該部分采用分體模塊組合形式,根據(jù)現(xiàn)場空間布置,布置靈活,空間利用率高。 通過配置風(fēng)壓傳感器,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)變頻,起到節(jié)約能耗及延長濾筒使用壽命的作用。
三、結(jié)語
本套復(fù)雜曲面激光切割成套設(shè)備,主要針對(duì)薄板鋼材進(jìn)行加工,可根據(jù)在線測量以及高自由度機(jī)械手進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工,相比其他激光切割設(shè)備,它擁有著對(duì)于復(fù)雜曲面更好地切割質(zhì)量,更全面更高效的集成系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng),同時(shí)更為環(huán)保,安全,節(jié)能等優(yōu)勢。在未來的機(jī)械制造行業(yè)中有著非常強(qiáng)的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn):
[1]王家金.激光加工技術(shù).北京:中國計(jì)量出版社,1992.
[2]李力鈞.現(xiàn)代激光加工及其裝備.北京:北京理工大學(xué)出版社,1993.
作者簡介:許雙龍(1993),漢族,沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向:機(jī)械制造及其自動(dòng)化和車輛工程。