基于二維激光切割機的型材多面切割裝置方案設計

倪國林，楊緒廣，蔡旭青，徐朝臣

（1.凱斯博電梯有限公司，江蘇 鹽城 224005；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250022）

0 前言

目前，超過40%的工業激光器用于金屬激光切割。金屬激光切割主要分為二維切割和三維切割。二維激光切割機的激光切割頭在橫梁上沿X軸方向左右移動、同時可與橫梁一起整體在床身導軌上沿Y軸方向前后移動，從而形成二維運動軌跡。在Z軸上切割頭只可以小范圍上下移動來調整光束焦點位置。三維激光切割機的激光切割頭在橫梁上除了可沿X、Y軸方向移動，還可在空間內的五個面上任意方向調整，從而形成三維運動軌跡。三維激光切割機的設備投資十分巨大，是二維激光切割機的3～4倍。因而，在二維激光切割機上實現三維加工要求具有重要的現實意義。本文對在二維激光切割機上加裝型材夾緊、旋轉、多面切割裝置提出了三種設計方案并進行分析研究。該項研究對激光設備、夾具以及激光加工等具有一定參考價值。

1 二維、三維激光切割機結構介紹

激光切割機主要由激光發生器、光路、床身、機械運動部件、數控系統、氣源、冷卻系統及除塵系統組成，激光發生器主要有CO2激光發生器和光纖發生器。二維激光切割機的基本構成如圖1所示，三維激光切割機切割頭部分照片如圖2所示。

2 型材多面切割裝置參數確定

圖1 典型CO2二維激光切割機的基本構成示意圖

圖2 三維激光切割機切割頭部分的照片

2.1 型材多面切割裝置的布局

本文所設計的型材多面切割裝置安裝于二維激光切割機上，可實現型材在二維激光切割機上的裝夾、旋轉等動作，從而使所需加工面均可在激光切割頭的垂直工作面上并在切割范圍內，最終達到型材三維切割目的。三種方案布局分別介紹如下。

（1）方案一：主要由卡盤座、卡盤、定位裝置、尾架橫梁、尾架卡盤等構成，如圖3所示。

圖3 型材多面切割裝置布局方案一

（2）方案二：主要由卡盤座、卡盤、旋轉手輪、尾架旋轉支撐、尾架升降裝置等構成，如圖4所示。

圖4 型材多面切割裝置布局方案二

（3）方案三：主要由工作臺（激光切割機原有的）、底板、定位靠山、夾緊螺栓等構成，如圖5所示。

圖5 型材多面切割裝置布局方案三

2.2 型材多面切割裝置參數的確定

合理選擇激光切割機用型材多面切割裝置工作參數，可節省設備投資，提高型材加工質量、加工精度，并可提高加工效率。目前二維激光切割機激光切割頭的Z軸行程基本在100mm～120mm，交換工作臺移出后的空間高度在300mm～320mm。本文所設計二維激光切割機用型材多面切割裝置可加工型材最大為20#型材，最大長度與激光切割機的長度切割范圍一致，可加工多種圖形，如圓孔、方孔、腰孔、矩形孔、異性孔等，也可以打標。

3 型材多面切割裝置結構設計

3.1 方案一結構設計

方案一裝置充分利用床身上的兩側六方導軌作為尾架支撐的運行導軌，尾架橫梁安裝在床身兩側六方導軌上，可根據型材需要長度移動尾架橫梁前后位置實現卡盤兩端的固定，避免槽鋼旋轉時出現甩尾現象，樣機如圖6所示。前后卡盤在安裝時通過芯棒保證同心，同軸度≤0.02/m，卡盤選用特殊四爪結構形式，夾爪上設有調節螺釘，能夠根據不同型材的大小調節螺釘長度，保證夾爪夾緊工件，端部特制卡盤安裝在分度盤上，可以用活動銷軸進行定位，也可以加裝伺服電機和編碼器并與數控系統相聯接，以實現自動化。其結構圖如圖7所示。

圖6 方案一裝置樣機

圖7 方案一裝置設計圖

3.2 方案二結構設計

方案二裝置主機前端安裝一個固定旋轉支架（圖8），內置軸承，因此具有支撐剛度并實現旋轉作用。旋轉支架面向加工區域的一側安裝有自定心四爪卡盤，用于卡緊型材。旋轉支架另一側安裝有分度手輪，用于旋轉轉軸，使卡盤帶動型材旋轉，實現加工型材不同型面的效果。主機尾端安裝有型材輔助支撐，該裝置在將型材尾端支撐并固定的同時，還安裝有軸承支撐的跟隨轉軸，保證型材在旋轉時與前端保持一致。避免了在切割槽鋼等非對稱截面型材時，因型材90°旋轉帶來的中心高度的變化，從而需要人工手動調整支撐高度的弊端。與此同時，尾端支撐可由氣缸驅動整體上下移動，以防止在切割平板時與工作臺發生碰撞干涉。

圖8 方案二裝置設計圖

尾端的型材輔助支撐設計成卡槽式，根據不同規格的型材選用對應的卡槽尾端輔助支撐，如圖8所示。

3.3 方案三結構設計

方案三裝置充分利用激光切割機本身的一套交換工作臺，在工作臺寬度方向一側，300mm的寬度上設計底板、定位塊、調整板、夾緊螺釘、支撐塊等，2塊調整板焊接在底板上，定位塊在支撐塊的內側。其結構見圖5，以槽鋼工件為例裝夾示意如圖9所示。

圖9 方案三以槽鋼工件為例裝夾示意圖

4 三種方案裝置比較及分析（表1）

在二維激光切割機上加裝型材多面切割裝置切割的型材工件實物照片如圖10所示。

表1 三種方案裝置比較

圖10 型材切割實物照片

5 總結

本文根據二維激光切割機的結構、型材的加工要求、機械加工夾具及自動控制等方面知識，對在二維激光切割機上加裝型材多面切割裝置提出了三種設計方案，對三種方案的結構設計進行了比較分析，用戶可根據待加工工件參考選擇。本文對新購激光切割機設備和技術改造用戶具有指導意義。

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