數控激光切割機結構設計

田敬黨

摘 要：數控激光切割機是具有高精度、高效率、高質量和高集成的特點，技術起點比較高，該產品采用模塊化方式設計，功能全面，性能穩定，節能環保，可根據用戶的不同要求，組成不同規格、型號的產品，實現對不同板材、管材的加工。

關鍵詞：數控激光切割機；結構；可靠性

中圖分類號：TP485 文獻標志碼：A

1 結構簡介

產品整體采用開放式懸臂結構設計，使操作者可以從3個方向接近工作區域，方便機床操作。光路采用飛行式光路設計，工件不動，激光焦點在加工區域內移動，保證加工精度。集成化設計整機占地面積小，減少用戶的場地投入。

2 機床結構

2.1 “鑄造大理石床身

如圖1所示，大理石床身鑄造工藝先進，常溫下冷澆鑄，無內應力。剛性高、抗震性能好。

電氣控制柜集成于床身后側空腔內，占地面積小。

2.2 變截面航空鑄鋁懸臂

如圖2所示，變截面鑄鋁懸臂具有如下特點：

多方向接近加工區域，開放性好，易于上下料，方便操作與維護。

單電機驅動，無雙邊同步驅動誤差。

工作臺與主機分離，切割時工作臺受熱變形，不會影響主機精度。

柔性強，可方便移除工作臺，配套旋轉切管輔機。

移動設備時，懸臂可折疊，免拆卸，便于更改場地

3 F軸

切割頭上安裝了一個專門用于移動透鏡位置的數控聚焦軸-F軸。自動調節激光焦點位置，切割不同的材料或者切割同一材料不同厚度板材時。

無需手動調整焦點與噴嘴表面間的距離。可以大大縮短切割厚板或高反射材料時的穿孔時間和穿孔質量（在切割時穿孔質量是非常重要的）如圖3所示。

因此，F軸技術有如下突出特點：（1）切割不同的材料或者切割同一材料不同厚度時，無需操作者人工調整焦點與噴嘴表面間的距離。（2）各種材料的切割工藝參數完全實現數控調節，使機床的使用更加簡單、安全，同時，降低了對操作者的專業知識要求。（3）可以大大縮短切割厚板或高反射材料時的穿孔時間和穿孔質量。可以在激光穿孔和切割過程中實現自動調節焦點位置。（4）可以在整個加工范圍內對焦點位置進行補償。

4 切割頭

切割頭允許快速更換不同焦距的透鏡（5和7.5焦距透鏡），而且更換后不需進行任何光路調節。本機床選用的透鏡都適合高壓切割應用。在切割頭上配備一個電容式傳感器，可以自動確定被加工材料表面的位置。

在切割頭上安裝有專門的電磁式防碰撞保護系統。在切割頭受到水平或垂直方向的撞擊后，可以快速恢復。保證機床的機械精度不受影響，如圖4所示。

5 傳動系統

整機絲杠、導軌等主要傳動部件采用國際知名品牌，可靠性高，使用壽命長。為保證機床的快速運動和具有較高的加速性能，避免震動和震蕩，X 軸選用大導程、高剛性、中空絲杠，并采用絲杠不轉，螺母旋轉的獨特結構，慣性小，剛性高，實現140m/min、1.2g的高速運動。

6 飛行式激光傳輸系統

激光器、導光系統與床身集成一體，光路系統穩定，調節十分方便，保證優質的光束質量。

導光系統包括反射鏡和聚焦透鏡，全部鏡片處于密封的等體積的并有一定壓力的環境中，避免灰塵的進入。反射鏡通過冷卻水帶走光束反射時產生的熱量，避免鏡面的曲率變化，保證光路的恒定。聚焦透鏡靠干燥清潔的空氣來進行冷卻，保證精確的聚焦條件。所有鏡片鏡拆裝、清潔十分方便。

7 高壓切割系統

比例閥、三聯閥等氣體控制元件選用德國進口品牌，質量可靠，控制精度高，響應迅速，可承受高達35bar的壓力。切割不銹鋼時使用高壓氮氣或其他保護氣體以減少切割時工件邊緣的氧化。系統由高壓氣體管路，聚焦透鏡以及氣體壓力反饋及控制單元組成。根據執行的程序，系統可以在不同的輔助氣體之間自動轉換并精確調節噴嘴出口壓力的大小。

8 交換工作臺

兩個臺面可在加工位置和上料位置之間進行交換。使用自動交換工作臺可以使機床的非加工時間控制在最小范圍內，大大提高生產效率。

在主機加工區域范圍內，工作臺下方帶有廢料收集裝置以及排風除塵裝置，其裝置在臺面下方分為幾個區域，當切割頭在一個區域進行切割時，此區域的排風除塵裝置進行工作，其余區域關閉，此優化設計可增加除塵效果，最大化處理，切割粉塵，并且能提高切割質量。

小的工件和廢料可由工作臺下的廢料收集裝置收集。

9 防護門

保證加工區域視野完全開闊。

防護門可以從側面和前面完全打開，使機床的可接近性達到最佳。

結語

通過以上的機床結構設計，我們開發出了一款先進的、可量產的數控激光切割機產品，同時也希望該產品能在未來的市場競爭中取得優勢地位，打破國外高端機床的壟斷地位，從而實現我國機床工具行業由大到強的轉變。

參考文獻

[1]白京九.機床工人技術手冊[M].遼寧：遼寧科學技術出版社出版，1989.

[2]吳祖育，秦鵬飛.數控機床（第三版）[M].上海：上海科學技術出版社，2010.