大幅面坡口激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文 洪超，周鵬飛，潘峻城，孫謙 江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司

隨著生產(chǎn)加工市場(chǎng)對(duì)大幅面鋼板的廣泛使用，對(duì)鋼板的平面加工和二維坡口加工能夠在同一道工序中一次性完成提出更高要求，同時(shí)由于光纖激光切割機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)火焰切割機(jī)在切割效率和精度上的優(yōu)勢(shì)，使得工程機(jī)械、船舶、軌道交通等行業(yè)市場(chǎng)對(duì)具有高功率、大幅面、二維坡口切割等多功能型的激光切割設(shè)備需求越來(lái)越大。本文將詳細(xì)介紹我司最新研發(fā)的WL12030F（B）型數(shù)控光纖坡口激光切割機(jī)，主要研究?jī)?nèi)容為大幅面分段式機(jī)身結(jié)構(gòu)、上下組合式橫梁、模塊化工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置、激光切割頭、隨動(dòng)除塵裝置、二維坡口切割控制功能、坡口激光切割工藝操作流程。

方案設(shè)計(jì)

WL12030F（B）型數(shù)控光纖激光切割機(jī)（坡口）整機(jī)示意圖如圖1 所示，其主要技術(shù)參數(shù)為切割幅面12000mm×3000mm，定位精度±0.05mm/m，重復(fù)定位精度±0.1mm/12m，X/Y 軸聯(lián)動(dòng)速度80m/min。該產(chǎn)品具有高功率、大幅面、二維坡口切割的功能特點(diǎn)，采用大幅面機(jī)身結(jié)構(gòu)、伺服控制系統(tǒng)、齒輪齒條驅(qū)動(dòng)、模塊化工作臺(tái)，具有速度快、穩(wěn)定性高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，操作維護(hù)方便快捷。設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中配置有安裝激光切割頭的A/B 軸旋轉(zhuǎn)裝置，其可驅(qū)動(dòng)激光切割頭在加工過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變激光光束的照射角度，以獲得不同角度的坡口加工零件。

圖1 WL12030F（B）型數(shù)控光纖激光切割機(jī)（坡口）整機(jī)示意圖

主要功能部件

大幅面分段式機(jī)身結(jié)構(gòu)

主機(jī)身采用分段式機(jī)架，如圖2所示，焊接后采用大型壁爐進(jìn)行回火處理，以徹底消除焊接應(yīng)力，保持精度的穩(wěn)定性。加工時(shí)采用進(jìn)口大型數(shù)控落地鏜銑床，保證了機(jī)架導(dǎo)軌精度的一致性。

圖2 分段式機(jī)身結(jié)構(gòu)

上下組合式橫梁

移動(dòng)橫梁由左側(cè)底座、右側(cè)底座、中間梁三個(gè)部分組成，如圖3 所示，中間梁經(jīng)有限元分析計(jì)算，具有高強(qiáng)度、低質(zhì)量的特性，保證機(jī)床系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能，具有較高的加減速性能。橫梁采用鋼板焊接箱式結(jié)構(gòu)，焊接后采用大型壁爐進(jìn)行回火處理，以徹底消除焊接應(yīng)力。導(dǎo)向采用高精度直線導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)精密齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，保證機(jī)床較高的定位精度和重復(fù)精度。

圖3 上下組合式橫梁結(jié)構(gòu)

圖4 模塊化工作臺(tái)

模塊化工作臺(tái)

工作臺(tái)與機(jī)身之間是分開(kāi)的，工作臺(tái)為分體式、模塊化設(shè)計(jì)，各組工作臺(tái)都是單獨(dú)一個(gè)模塊，可以自由組合擺放調(diào)整切割區(qū)域，也可以拓展其用于不同切割幅面的類似設(shè)備。其中每組工作臺(tái)均設(shè)計(jì)有可單獨(dú)更換的托料齒條，設(shè)備長(zhǎng)期使用使托料齒條損耗后，客戶可以自行單獨(dú)更換，使設(shè)備維護(hù)使用更加簡(jiǎn)單便捷。

旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置

設(shè)計(jì)使用了旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置作為額外的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并外掛精密激光切割頭，可實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的坡口切割作業(yè)，如圖5 所示。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要由精密激光切割頭、切割頭固定板、A/B 軸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和A/B 軸電纜連接孔組成。旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置靈活多變、具有可擴(kuò)展性，可調(diào)整激光功率的大小，可更改切割頭固定板的安裝孔位置、尺寸，適配不同類別、不同配置的激光切割頭。A 軸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的剛度要求，由電機(jī)、減速機(jī)組成，可在一定角度擺動(dòng)且采用穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性和高精度。B 軸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用輕量化設(shè)計(jì)，由小號(hào)的電機(jī)、減速機(jī)組成，可在一定角度擺動(dòng)，采用電機(jī)、減速機(jī)直連結(jié)構(gòu)，省去中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可靠性得以保證。同時(shí)采用牢靠的防塵設(shè)計(jì)，確保該機(jī)構(gòu)在較差的現(xiàn)場(chǎng)空氣環(huán)境中也能夠穩(wěn)定使用。旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置主要參數(shù)

圖5 旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

隨動(dòng)除塵裝置

風(fēng)扇和吸塵窗口分別裝在橫梁兩側(cè)，跟隨橫梁一起前后運(yùn)動(dòng)，過(guò)濾，完成徹底的粉塵過(guò)濾。粉塵則被濾芯阻攔在其表面上，當(dāng)被阻攔的粉塵在濾芯表面不斷沉積時(shí)，濾芯內(nèi)外壓差不斷加大，當(dāng)壓差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，集塵器會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟在線清灰功能，此時(shí)脈沖電磁閥被打開(kāi)，壓縮空氣經(jīng)管道流入反吹清灰系統(tǒng)，通過(guò)清灰機(jī)構(gòu)的噴吹管瞬間噴向?yàn)V芯內(nèi)表面，使沉積在濾芯上的粉塵顆粒在高壓氣流作用下脫離濾芯表面掉落進(jìn)下方的可抽取式集塵小車，整個(gè)濾芯表面全部得到清理。凈化后的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)排出。從而使吸塵窗口始終靠近切割頭切割區(qū)域，如圖6 所示。同時(shí)在切割區(qū)域內(nèi)裝有除塵吸風(fēng)管道，將吸塵窗口與管道使用皮帶連接，利用管道負(fù)壓起到密封作用，管道的一端外接強(qiáng)力集塵器，實(shí)現(xiàn)切割區(qū)域較好的吸塵效果。集塵器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示，管道內(nèi)吸取的粉塵氣流在風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下，通過(guò)內(nèi)部管道先進(jìn)入預(yù)處理器過(guò)濾火星及大顆粒粉塵，再通過(guò)PTFE 覆膜聚酯纖維濾芯網(wǎng)

圖6 隨動(dòng)除塵裝置整體示意圖

圖7 集塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

應(yīng)用

二維坡口切割控制

二維坡口激光切割的控制要求具備高精度、高效率的特點(diǎn)，其主要功能包括視覺(jué)標(biāo)定、擺長(zhǎng)修正、參數(shù)設(shè)置、自定義PLC、模擬以及切割加工控制。在系統(tǒng)功能方面，支持dxf、lxd、nrp2、slp 等文件格式的二維圖紙導(dǎo)入，在打開(kāi)/導(dǎo)入DXF 等外部文件時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行去除重復(fù)線、合并相連線、去除極小圖形、自動(dòng)區(qū)分內(nèi)外模等優(yōu)化。在坡口切割功能方面，支持V/Y/X/K 多種坡口類型，以零件外輪廓的方式導(dǎo)入圖紙，確認(rèn)板材厚度后，可以靈活地對(duì)零件進(jìn)行坡口屬性設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)對(duì)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)建立三維數(shù)學(xué)模型，采用專業(yè)算法，通過(guò)視覺(jué)采樣裝置對(duì)模型進(jìn)行高精度采樣分析，規(guī)避安裝過(guò)程及結(jié)構(gòu)件精度帶來(lái)的加工誤差。在切割加工控制功能方面，針對(duì)板材變形設(shè)立相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制功能，通過(guò)提前采樣量化變形情況，保障各種材料及工況下的加工精度；在切割運(yùn)動(dòng)中支持法向量跟隨，規(guī)避不同噴嘴及不同切割角度帶來(lái)的尺寸偏差問(wèn)題；引入分刀邏輯功能，在不破壞零件底圖的情況下，可以更自由地編輯零件屬性；支持垂直穿孔、傾斜穿孔兩種穿孔功能模式；具有工藝節(jié)點(diǎn)編輯功能，解決拐角等特殊工藝場(chǎng)景的單獨(dú)編輯需求；功率曲線編輯功能，可設(shè)置起刀/收刀/頂點(diǎn)擺動(dòng)等相關(guān)參數(shù)；具有“直接過(guò)渡”及“拐角法向量?jī)?yōu)化”兩種拐角運(yùn)動(dòng)方式，兼顧了穩(wěn)定性及切割質(zhì)量?jī)煞N切割需求；高速電容尋邊功能，可通過(guò)該方式校正建立板材位置坐標(biāo)；加工斷點(diǎn)記憶，斷點(diǎn)前進(jìn)后退追溯功能；停止和暫停過(guò)程中定位到任意點(diǎn)，從任意位置開(kāi)始加工功能。

坡口激光切割工藝操作流程

⑴導(dǎo)入圖紙選擇要加工的圖紙文件。打開(kāi)菜單的右側(cè)區(qū)域可以預(yù)覽文件的加工圖形以及圖形尺寸。

⑵設(shè)置板材厚度及坡口屬性。坡口屬性里的刀序設(shè)置不會(huì)受排序功能影響。

⑶設(shè)置圖層工藝。選取零件或軌跡，點(diǎn)擊右側(cè)圖層工具欄即可設(shè)立對(duì)應(yīng)圖層，復(fù)合坡口可以使用單圖層多刀路，也可以設(shè)置為多圖層單刀路。在<工藝>設(shè)置內(nèi)，直接讀取工藝庫(kù)內(nèi)相應(yīng)的工藝參數(shù)，也可以分別設(shè)置具體的穿孔、切割等過(guò)程的工藝參數(shù)。

⑷選擇坡口種類。坡口切割分為直切、V形切、Y形切、X形切、K 形切。在選擇K 形切時(shí)，先確定板材實(shí)際板厚，然后輸入坡口截面參數(shù)角度1、角度2、上坡口寬度、下坡口寬度，如圖8 所示，然后根據(jù)不同的切割路徑設(shè)定三個(gè)獨(dú)立的工藝切割參數(shù)，分別使用A 參數(shù)、B 參數(shù)、C 參數(shù)來(lái)表示，三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)具有不同的切割速度、氣壓大小、功率大小、焦點(diǎn)位置等，需要注意的是由于切割過(guò)程中噴嘴是不更換的，所以要求使用同一規(guī)格的噴嘴參數(shù)進(jìn)行有效加工。

圖8 K 形切坡口截面參數(shù)

結(jié)束語(yǔ)

本文較為詳細(xì)地介紹了一種大幅面坡口激光切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作控制原理，該設(shè)備可應(yīng)用于工程機(jī)械、船舶制造等行業(yè)較大幅面焊接板件的加工，具有切割輪廓時(shí)同步加工焊接坡口的能力，減少了加工工序，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。