多功能固體激光精密加工機床設計

張日升 李尚政 余 緯

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

激光加工一直是國家重點支持和推動應用的一項高新技術，已經成為材料有效加工手段之一。本項目根據用戶需求開發了一臺帶有在位測量功能的五軸固體激光精密加工機床，用于圖1 所示零件的精密切割加工。工件材質為1060，切割后要求滿足:切縫控制在1.4 ±0.05 mm，切割前后面型輪廓變形量不超過0.03 mm;同時切割不銹鋼和鋁板的最大厚度不低于4 mm。

1 機床總體方案設計

1.1 機床功能設計

機床可實現五軸四聯動，能完成由金屬材料或非金屬材料制成的各種零件的切割和打孔加工。利用本機床可以切割4 mm 鋁板和不銹鋼板。

1.2 機床主要構成

機床主要構成包括床身與激光器安裝部件、XYZ這3 個直線軸和AC 兩個回轉軸、FAGOR8070 系列數控系統、雷尼紹TP200 檢測傳感器、氣體增壓系統、切割氣路系統、防護罩、制冷機組、CCD 觀察裝置、400 W燈泵浦固體激光器系統等。

1.3 機床總體結構與布局設計

機床總體設計時主要考慮了整體吊裝方便、精度保持性好、剛性足、可靠性、維修性、保障性好等，所有零部件盡量采用機電一體化集成設計。機床采用固定懸臂梁的結構形式，Z 軸垂直固定在立柱上，XY 軸組合臺整體安裝在Z 軸溜板上，由Z 軸帶動整體作上下運動。

兩軸變位轉臺通過過渡安裝座安裝在XY 軸組合臺上，通過配重以平衡Z 軸整體負載。激光器安裝在橫梁上，激光切割頭安裝在激光器上，且切割頭上安裝有精密測量傳感器用于找正工件中心;CCD 觀察裝置與激光束偏軸安裝，通過棱鏡折射提取圖像。氣體增壓系統和切割氣路元件安裝在左側柜內，激光切割頭噴嘴中心與轉臺中心對正，且在XYZ 三個直線軸方向分別具有足夠的行程量。機床外形圖見圖2。

2 控制與伺服驅動系統設計

2.1 機床控制功能

機床控制系統可以實現任意五軸四聯動，除具備通用數控加工機床的功能外，還能夠實現對氣路系統、激光器、冷卻系統、導軌潤滑、精密測量系統等的集成控制，同時必須具備3 個直線運動軸的全閉環控制、刀具半徑補償、切割回退功能、氣體壓力自動調節、完善的故障報警與信息提示、良好的抗干擾能力等功能。

2.2 控制原理設計

數控系統選用FAGOR8070 -M 系統，采用CPU中央單元+10.4 英寸或以上彩色液晶顯示器(LCD)+全字母數字鍵盤+數控系統帶機床操作面板(MCP)+輔助操作面板(+F)+手操盒(+F1)，一體化結構見圖3。伺服運動軸X、Y、Z、A、C 軸采用FAGOR 的數字化交流伺服系統，正弦波PWM 控制方式，具有扭矩、速度和位置3 者數字化矢量控制功能。3 個直線軸采用AXD 驅動模塊+FXM 系列永磁同步無刷交流伺服電動機+滾珠絲杠+直線滾動導軌+直線光柵尺的全閉環控制形式;旋轉軸采用AXD 驅動模塊+FXM 伺服電動機+轉臺的形式，速度和位置測量由電動機內置編碼器完成，半閉環控制。控制原理和控制接口設計見圖4。

CNC 與每個伺服驅動模塊通過采用SERCOS 通訊標準的光纖進行通訊，光纖連接確保通訊過程無噪音，電源模塊和驅動模塊均設置過壓、過流、過速、過溫、電動機溫度、電網故障、硬件錯誤等保護，由PLC程序監控電源模塊和驅動模塊的使能、模塊準備好、MCC 接觸器吸合檢查等狀態。機床操作面板上有主軸倍率和進給倍率波段開關，有操作方式選擇、軸方向選擇、點動、快速、回零搜索、超程釋放、激光器開、光閘開等選擇按鍵。

機床的邏輯控制和其他輔助功能控制由系統內裝的PLC 負責。機床的操作集中在一塊操作面板上，它包括NC 的編程、顯示、報警、機床輔助部件的控制，手持單元方便進行機床手動調整。機床電氣控制柜安裝在機床背面，電氣控制系統安裝于電柜內，電柜內安裝各種電氣部件。

表1 激光器技術指標

3 激光器系統

由于固體激光波長短，與材料的作用效率高，因此本機床選用了燈泵浦固體激光器。該激光器峰值能量高，光束質量好，其控制采用PNP 型TTL 電平信號，技術參數見表1。

4 氣路系統設計技術

4.1 氮氣(氬氣)供氣氣路系統設計

氣路系統原理圖見圖5。

氮氣(氬氣)供氣氣路系統為切割過程提供吹氣源，即切割氣。此部分氣路分為兩部分:一部分為增壓系統提供被增壓氣，此路各元件承壓1 MPa，氣路過濾精度5 μm。另外一路是接受由增壓系統出口輸出的高壓氣，此路各元件耐壓力可達2 MPa，電氣比例調壓閥調壓范圍0～2 MPa。

4.2 壓縮空氣供氣氣路設計

本機床需要提供最高壓力1 MPa 的壓縮空氣，主要有兩個用途:一是為氣體增壓系統提供驅動氣;二是為兩軸變位轉臺A、C 軸提供制動氣。其流量設計要同時滿足增壓裝置供氣及兩軸變位工作臺制動所需的流量需求。

4.3 氣體增壓系統設計

氣體增壓裝置動力源采用氣體增壓泵，增壓泵整機采用鋁合金和不銹鋼制造。其增壓比為5:1，增壓介質為惰性氣體;出口設計有儲氣罐，維持氣壓穩定輸出，儲氣罐容積16 L 且滿足壓力容器的安全設計要求。驅動氣為壓縮空氣，氣壓0.3～0.8 MPa;最小入口壓力:0.35 MPa。輸出壓力1.5～4.0 MPa;壓力無級可調;輸出壓力穩定。增壓裝置最大耗氣量1200 LN/min。增壓系統工作原理圖見圖6。

5 精密測量系統設計

精密測量系統主要用于加工時找正工件中心，其硬件選用RENISHAW 公司TP200 測頭和PI200 數控接口單元，其中TP200 測頭可手動旋轉90°。TP200 測頭為觸發式測頭，有5 個敏感方向，分別是±X、±Y 和+Z 方向，重復測量精度為0.15 μm。傳感器觸發后輸出一個開關量信號，通過PI200 接口輸入到CNC 控制接口，數控系統接到此信號后，通過后臺PLC 程序立即讀取機床坐標值，根據讀取到的坐標值通過一定的運算即可知道測頭中心在機床坐標系或工件坐標系中的位置。

6 CCD 視覺采集系統設計

CCD 視覺采集系統主要用于調整激光光束和觀察切割過程，其包含CCD 一個、物鏡一個、反射棱鏡兩個和一個TFT 工業液晶顯示器。被測物被物鏡聚焦后通過兩個反射棱鏡反饋到CCD，即實現圖像的攝取，并通過VGA 接口輸入到顯示器進行顯示。

7 機床控制程序與軟件開發

7.1 PLC 控制程序

如圖6，在PLC 控制程序開發時，統籌兼顧PLC 程序的條理性、可讀性和功能優化，盡量把有關相同操作元素或控制功能的程序語句集中在同一模塊，便于調試和維修過程中分析及測試，為此，根據功能分類，將整個PLC 程序劃分為初始化循環、主程序和14 個子程序。

在初始化循環中，對所有M 標志位、寄存器、計時器、計數器、輸出點、報警及信息寄存器先進行了清零，確保PLC 上電后不輸出錯誤值，發生不期望的錯誤操作;還將必要的選擇檔位、停止零件程序執行、不執行下一段程序、進給暫停等對CNC 的信號預先初始化賦值。

在主程序中，主要是進行對14 個子程序塊的條件調用，依據各子程序功能對機床安全運行的關鍵程度，把有關急停、限位和運動判斷條件的子程序塊優先調用。

7.2 子程序編制

自動回零子程序:此程序用于機床啟動后，通過MDI 方式，實現各軸順序自動回零。

切割氣壓力控制子程序:此子程序用于切割時，在NC 程序中通過調用此程序實現切割氣壓力值的設定。

精密測量驅動子程序:此程序用于驅動傳感器開始測量。

8 工藝試驗

作了半環鋁試件的切割試驗，實現了半環鋁試件的切割，切割面切縫寬度在1.4 ±0.05 mm、切割前后輪廓變形量在0.03 mm 以內。機床用于切割純鋁和不銹鋼時的最大切割厚度不少于4 mm。

9 結語

實測與工藝試驗表明，機床的各項技術參數、精度指標、功能配置、工藝指標均等達到設計要求，且性能可靠，運行穩定。