數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耿仁賢

（蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校，蘇州 215123）

1 數(shù)控激光切割機(jī)概述

數(shù)控激光切割機(jī)主要是通過配置不同大小功率的光纖激光器對各種機(jī)械元件以及金屬材料進(jìn)行切割、打孔等精密加工操作。目前，在整個機(jī)械切割加工行業(yè)里，激光切割高精度加工方法占到70%以上，和其他的機(jī)械切割加工方法相比，數(shù)控激光切割具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如適用性廣（適用于合金鋼、陶瓷、有機(jī)玻璃等機(jī)械材料）、精度高、切割速度快、切割后切割縫隙小、熱影響區(qū)域小等。但是，除了外界因素影響以外，傳統(tǒng)的數(shù)控激光切割機(jī)由于自身的設(shè)計(jì)缺陷也會出現(xiàn)切割過程噪聲大、切割區(qū)域面質(zhì)量差等故障。因此，改善優(yōu)化數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)，使其更加適合行業(yè)生產(chǎn)的使用特點(diǎn)變得極其重要。

1.1 數(shù)控激光切割機(jī)的分類

數(shù)控激光切割機(jī)主要是由切割機(jī)機(jī)床、光纖激光器、數(shù)控系統(tǒng)、切割頭、工作臺、隨動系統(tǒng)等部分組成[1]。由于其適用行業(yè)較為廣泛，因此各個行業(yè)對數(shù)控激光切割機(jī)的使用要求各不相同，例如，汽車行業(yè)要求數(shù)控激光切割機(jī)不僅要能夠具有高速、可靠、精密等優(yōu)點(diǎn)，還要具備高速取料、去毛刺等功能；發(fā)電設(shè)備行業(yè)則需要其具有規(guī)格大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。但是，大部分行業(yè)對數(shù)控激光切割機(jī)都有以下幾個方面的要求：切割精密高、切割速度快、切割裂縫小、切割面質(zhì)量高。因此，后續(xù)設(shè)計(jì)主要圍繞這幾點(diǎn)展開。

目前，根據(jù)產(chǎn)生激光的原理不同，各個行業(yè)通用的數(shù)控激光切割機(jī)大致可以分為3種類型：光纖激光切割機(jī)、CO2激光切割機(jī)、數(shù)控YAG固體激光切割機(jī)[2]。

數(shù)控YAG固體激光切割機(jī)的工作原理是通過把高密度、高功率的激光光束聚焦在一起，照射機(jī)械元件表面上，元件被照射后迅速熔化甚至氣化，然后借助激光光束在同一水平軸形成高速氣壓流，對熔化的工件進(jìn)行吹出操作，進(jìn)而把機(jī)械元件切割。YAG固體激光切割機(jī)的使用成本和后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用都比同類的激光切割機(jī)要低很多，性價比高，它是數(shù)控激光切割機(jī)領(lǐng)域內(nèi)最為成熟和穩(wěn)定的產(chǎn)品之一[3]。

光纖激光切割機(jī)是數(shù)控激光切割機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的一種新型產(chǎn)品，它與YAG固體激光切割機(jī)的工作原理類似，也是利用激光光束使機(jī)械元件熔化從而完成切割，不同的是，光纖激光切割機(jī)發(fā)射的激光光束來源于一種新型光纖激光器。它的光束質(zhì)量好，體積小巧，相比其他兩種更加適合柔性加工要求的工件。由于激光光束波長的原因，光纖激光切割機(jī)只能切割金屬工件，對于非金屬材料的工件并不適用。

CO2激光切割機(jī)和以上兩種激光切割機(jī)的激光器有所不同，它是使用氣體分子激光器。一般使用氣體分子是CO2氣體分子，N2、He等氣體分子輔助，利用氣體分子的振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷來產(chǎn)生激光光束。CO2激光切割機(jī)的穩(wěn)定性能極好，激光器的能量轉(zhuǎn)化效率高，所以被廣泛應(yīng)用于高功率輸出的工件切割行業(yè)。

1.2 數(shù)控激光切割機(jī)的發(fā)展

國內(nèi)數(shù)控激光切割機(jī)的技術(shù)一部分來源于國外，因?yàn)閲鈱τ诩す馇懈罴夹g(shù)研究較早，美國的光學(xué)公司大約在1961年就開始研究光纖激光切割領(lǐng)域。而我國的第一臺數(shù)控激光切割器是在1994年湖南大學(xué)激光研究所研發(fā)出來的。隨后中科院物理研究所在2003年3月研制出了使用數(shù)控激光技術(shù)的管材加工設(shè)備，使我國的數(shù)控激光切割技術(shù)有了一個質(zhì)的飛躍。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對數(shù)控激光切割技術(shù)的關(guān)注核心點(diǎn)都在于降低閾值、調(diào)節(jié)波長等性能方面。

2 典型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)分析

近幾年來，國內(nèi)的數(shù)控激光切割機(jī)飛速發(fā)展。從設(shè)計(jì)分析的角度來看，其設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)表現(xiàn)側(cè)重點(diǎn)都有著很大的變化。下面挑一款典型的1530型數(shù)控激光切割機(jī)，分析其設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。

圖1 1530型數(shù)控激光切割機(jī)實(shí)物圖

1530型數(shù)控激光切割機(jī)的機(jī)身總重達(dá)到9t，最大加工范圍為1500mm×3000mm，工作臺的最大載重為1250kg。其底座部分為了確保加工切割精度進(jìn)行了加重設(shè)計(jì)。驅(qū)動結(jié)構(gòu)部分選用了龍門式雙邊設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)使其具有最佳的對稱受力條件，避免了切割機(jī)在操作時由于被切割工件的重心外懸擺動而產(chǎn)生振動，同時也避免切割機(jī)的傳動及導(dǎo)向部件不會出現(xiàn)瞬間過載的故障。獨(dú)立的伺服軸設(shè)計(jì)也是該機(jī)器的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)之一，利用該設(shè)計(jì)可以保證激光光束從數(shù)控激光切割機(jī)的激光器出光口射出直到切割頭的長度是不變的，能夠維持原值。這樣的設(shè)計(jì)保證了激光光束焦點(diǎn)位置的恒定及穩(wěn)定性，但是由于1530型數(shù)控激光切割機(jī)被研發(fā)出來的時間較早，在那個階段，市場對于數(shù)控激光切割機(jī)的要求主要是滿足生產(chǎn)需要，功能完善即可。所以，它在很多方面不符合人機(jī)工程系的原理，忽略了人作為主體，在設(shè)計(jì)上存在很多不足。

例如，該機(jī)器的落料口和入料口在開啟和關(guān)閉時需要兩個人同時操作，非常不方便；監(jiān)視窗的角度和高度都過大過高，造成使用者在操作時難以觀察機(jī)器內(nèi)部加工過程，造成人為的誤操作率上升等。

3 新型數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控激光切割機(jī)的安裝位置以及操作環(huán)境都和使用者存在著密切的交互關(guān)系，因此人們在對新型數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，除了要考慮到機(jī)器本身應(yīng)具有的符合生產(chǎn)實(shí)際的功能外，還要考慮到人機(jī)交互關(guān)系是否合理、安全。新型數(shù)控激光切割機(jī)模型示意圖如圖2所示。

圖2 新型數(shù)控激光切割機(jī)模型示意圖

3.1 切割機(jī)機(jī)床底座

數(shù)控激光切割機(jī)機(jī)床最基礎(chǔ)的部件就是機(jī)床底座，由于機(jī)床上包括絲杠傳動機(jī)構(gòu)和電機(jī)，兩者都具有一定的運(yùn)動加速度，會對機(jī)床產(chǎn)生一定的沖擊力，這股沖擊力能夠使切割機(jī)機(jī)床底座產(chǎn)生動態(tài)的位移。一旦切割機(jī)機(jī)床底座出現(xiàn)位移會對激光器發(fā)射的激光光束造成干擾，使其不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)控激光切割機(jī)的切割質(zhì)量下降。所以，在設(shè)計(jì)新型數(shù)控激光切割機(jī)時重點(diǎn)要改善這一點(diǎn)，為了保證電機(jī)和絲杠傳動機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)動時，機(jī)器也能保證穩(wěn)定，盡量加重底座的質(zhì)量，提高其慣性。總結(jié)之前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)床底座的重量一般是機(jī)床所受沖擊力的15倍。

3.2 隨動機(jī)構(gòu)

數(shù)控激光切割機(jī)的隨動機(jī)構(gòu)主要作用為檢測和控制切割機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時切割工件表面是否光滑。為了確定激光器所發(fā)射的激光光束聚焦后焦點(diǎn)是否在工件的位置，需要利用伺服電機(jī)和絲杠傳動裝置來調(diào)整切割頭高度。而激光光束聚焦后焦點(diǎn)的位置在一定程度上對切割后的縫隙大小以及質(zhì)量高低有著很大影響，因此對隨動機(jī)構(gòu)的要求就非常高，檢測精度要在0.010mm左右。同時，隨動機(jī)構(gòu)的隨動速度應(yīng)該在5m/min左右，不能太高也不能太低，太高會導(dǎo)致切割頭上下震動，太低會導(dǎo)致切割頭跟不上。

3.3 運(yùn)動機(jī)構(gòu)

數(shù)控激光切割機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)決定了切割機(jī)的性能好壞。在進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時，首要考慮的因素為負(fù)載的慣量比值。目前，通用的電機(jī)的比值一般在1∶10左右，但是為了數(shù)控激光切割機(jī)的機(jī)床驅(qū)動參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時最好把數(shù)控激光切割機(jī)的負(fù)載的慣量比值控制在1∶3左右。

4 結(jié)語

數(shù)控激光切割機(jī)屬于精密工件加工裝置。在設(shè)計(jì)時，除了考慮機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定、激光光束的性能這些機(jī)構(gòu)性功能方面的要求外，也要把人機(jī)關(guān)系考慮在內(nèi)。因此，本文通過分析典型數(shù)控激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)所需要的功能。