多軸激光切割在胸杯膠殼制作的技術革新

楊偉明+曹著明

摘 要：激光加工是一種非接觸式的、高效、靈活、可控、穩定可靠的加工技術。目前已應用在國內外許多產業領域的生產線上。傳統胸杯膠殼樣板研發制造周期冗長，整個開發過程均須通過人手作業完成，從而衍生胸杯膠殼精準度、對稱度、重復度等質量問題。本文通過運用CAD/CAM技術，開發數控激光切割系統用于胸杯膠殼切割以解決上述問題。

關鍵詞：多軸激光；五軸加工；關鍵技術；工藝；設備；軟件

0 引言

近年來，多軸激光切割技術以加工應用范圍廣、加工精度高、質量好、工藝靈活多樣、易實現自動化、生產清潔、柔性化和智能化等優點正逐步取代傳統的加工方法。制衣業是一個需要大量加工和測試的生產型產業，也是激光技術應用最廣泛的行業之一。

過去內衣業運用傳統人手操作工具制造胸杯膠殼以作胸杯成品質量檢定之用。此膠殼不但常有誤差、制作耗時并需要大量有經驗的工人，而且浪費不少因人為錯誤而棄置的物料。與此同時，國外買家往往質疑傳統手作膠殼的精準度及重復性，提高了胸杯半成品被退貨的風險。傳統手工作業的所存在的問題包括：胸杯膠殼開發與制造周期十分長，開發成本昂貴；胸杯放碼完全依賴員工的經驗完成，立體膠殼通過人手構畫放碼線，難以保證放碼線準確性與尺寸精準度，現時的放碼線長度尺寸與型位尺寸精度僅僅可控制在±1mm范圍；如下圖1所示。人手剪切胸杯膠殼容易出錯，無論工人經驗如何豐富，要求工人隨手剪出順暢完美的立體弧位，始終有一定難度，錯誤幾乎不可避免；依賴人手開發制造胸杯膠殼無法保證左右兩邊胸杯的對稱度；客戶時常會質疑膠殼的準確度與對稱度，并以此作為退貨或重檢的理由；利用人手裁剪的胸杯膠殼作為胸杯成品質量監控的標準，客戶一般認為人手裁剪技術低而不準確，因此大量拒收成品，導致較高的廢品率；對于胸杯膠殼的數據沒有有效的管理，當客戶需要加單或翻單的時候。同一款的膠殼需要重新開發，且不能保證第一次交單的膠殼與最新加單的膠殼質量保持一致性；開發的周期再次體現過于冗長；現時通過人手作業，同一款的胸杯膠殼成品率平均只有30%，70%的膠殼通過本公司的QC及客戶的收貨檢驗后需要丟棄.

1 多軸激光切割在胸杯膠殼制造方案

1.1 基準底座設計

通過客戶現場師傅人手裁剪的要求及工具（剪刀）的特殊性，一般機械式運動加上工具（剪刀）無法進行復制人手裁剪的軌跡動作。故技術方案選擇為機械運動加上非接觸式切割介質以實現膠殼切割。采用CAD/CAM系統進行數據處理，可以有效地保存每次加工的數據，避免了因為不同的師傅經驗裁剪膠殼的差異性。在日后大貨翻單的時候，只需要在機器上直接調用程序數據即可切割出合格的膠殼。采用三維數據圖形設計作畫膠殼吸塑模型，并使用CNC自動加工技術制作吸塑模型，免除以往純手工制作石膏模的冗長周期；在石膏模型中，增加設計基準底座，如圖2所示。

1.2 激光切割方案

首先采集的胸杯膠殼技術參數，例如：外形尺寸大小范圍，膠殼關鍵尺寸精度，膠殼驗收標準等。激光切割設備采用兩個線性軸和一個固定傾斜角度的旋轉軸組合方式，傾斜的旋轉軸可讓激光在膠殼面上進行近乎曲面法向切割；工件可在三軸同步控制進行上下，前后及旋轉動作，如圖3所示。配合激光，以及大功率的電機等控制設備，系統配備對應的電器及激光安全標準的安全開關，安全門和安全電路；同時在激光下方設計氣體過濾裝置用于過濾切割過程中產生的氣體和煙塵.

在機床結構方面，由于傳統的多軸機器X/Y/Z/A/B/C運動結構體積龐大，不適用現場局限性的空間擺放，且每個軸需要做密封處理涉及成本較高。采用Y/Z軸直線運動及B軸旋轉的3軸運動模式代替傳統X/Y/Z/A/B/C的標準機械結構運動。B軸與YZ平面呈45°夾角，可以盡可能模仿人手使用剪刀裁剪膠殼時所呈現接近曲面法向的姿態。激光采用CO2發生器30瓦特功率，有效切割焦距為100mm。

1.3 NC程序設計

配合上述設計的機械系統，運用Cimatron軟件編寫適合該運動機構的聯動切割程序。圖形的定位根據機床樣式，以底座中心為原點，傾斜45°，如圖4（a）所示。由于機床的運動涉及“線性軸運動”及“旋轉軸”運動，在CAM系統中需要以五軸的運動模式呈現刀路軌跡切割模擬運動，故在Cimatron軟件中需要采用“5X production”編程模式完成刀軌設計。如圖4（b）所示；在『Surface paths』中的『Pattenrn』選擇『Project curvers』.投影曲線選擇對應的放碼曲線，投影曲面選擇胸杯曲面。如下圖4-2所示.在『Tool axis control』里面選擇『Output format』為『5 Axis』，刀軸的形式『Tilted with fixed angle to axis』，『Fix title angle』為與Z軸保持45°傾斜角度?！篟un tool』為『At Center』。由于實際機器切割時，是采用激光切割，對于刀具而言可以隨意設定為任何一把球刀，本文所設定的刀具為D2R1的任意長度球刀。然后計算所得的刀路樣式如圖4（c）所示。

2 試制技術特點

根據以上制造方案，采用如圖5所示的機床，成功切割出如圖5所示的合格產品。該技術方案的主要技術特點包括：利用CAD/CAM技術設計與制造膠殼吸塑模型，免除大量人手作業工作量，提升膠殼吸塑模型（石膏模）精度，從而提升膠殼產品的精度；重新建立石膏模型設計模式，在原有石膏模模型基礎上增加基準底座設計，保證石膏模型復位位的精度；實現以下三點改善；增加設計基準底座以保證設計與加工制造基準統一，保證該模型所生產的膠殼產品精度統一；用于后期自動激光切割系統裝夾與膠殼校正對位，以保證激光重復切割膠殼的精準度；保存設計基準，用于日后客戶對設計的變更隨時修改石膏模型，而不需要浪費時間重新設計制造。

采用三維CAD技術作畫胸杯膠殼放碼線能獲得以下改善：計算機三維CAD設計軟件輔助完成放碼線作畫，只需要在5～10分鐘內即可完成胸杯兩邊對稱放碼線作畫；放碼線長度尺寸及型位尺寸實現精確控制，達到客戶所提供的尺碼表要求數值，公差控制在±0.005范圍內；計算機三維CAD參數化設計，放碼線修改極致方便快捷；對客戶提出的產品數據變更可作出快速反應；通過計算機數據可直接地，實時地與歐美地區客戶實現實時通訊核對膠殼數據與放碼線樣式；免除以往通過地區速遞送貨或專人帶板至客戶現場確認樣板的漫長周期，極大限度地縮短膠殼樣板交付期。

建立自動化胸杯膠殼激光切割測試原型，替代以往人手裁剪膠殼工序，只需要短短的40秒時間即可完成一次膠殼裁剪的過程，且切割后膠殼輪廓順滑，無需人手打磨修整；使得裁剪工序的效率提升達90%。以往胸杯膠殼開發工作需要配備5名同事且未能完全應付所需產能，通過引進自動化胸杯膠殼激光切割系統，只需要配備2名同事即可輕松完成現有的胸杯膠殼開發工作量；由此可算，自動化胸杯膠殼激光切割系統可節省60%的人力資源成本。胸杯膠殼切割精準度達±0.2mm范圍以內，且輪廓周邊無批鋒，節省人手修整打磨工序，大大提升膠殼樣板尺寸精度與外觀質量。

3 結束語

通過新技術的開發及應用，改變手工開發胸杯膠殼的工序，引進自動化激光切割技術，實現高效精準自動切割膠殼，縮短膠殼樣板貨期，提升產品質量。該系統現時在港企業界已獲得廣泛的應用。