桌面式激光切割機切割質量分析

魯 霞

（廣州城市職業(yè)學院 機電工程學院，廣州 510405）

激光是20世紀的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術潛力。激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領域，其發(fā)展速度快，應用廣，是除微電子技術之外其他技術無法比擬的。激光也被譽為“萬能加工工具”“未來柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）的共同加工手段”，是當代具有代表性的先進制造技術之一[1-2]。

激光切割加工是用不可見的光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械刀，具有精度高、切割快速、不局限于切割圖案限制、自動排版節(jié)省材料、切口平滑以及加工成本低等特點，將逐漸改進或取代傳統(tǒng)的金屬切割工藝。

隨著市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術的日新月異，激光切割技術已廣泛應用于汽車、機械、電力、五金以及電器等領域。近年來，激光切割技術正以前所未有的速度發(fā)展，每年都有15%～20%的速度增長。自1985年以來，我國更是以每年近25%的速度增長。當前，我國激光切割技術的整體水平與先進國家相比還存在不小的差距。可見，國內市場激光切割技術具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應用空間。

激光切割機將從激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件達到熔點或沸點，同時與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對位置的移動，最終可使材料形成切縫，從而達到切割的目的。

隨著激光切割技術的發(fā)展，基于創(chuàng)客、高等院校、K12教育以及小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的桌面級激光切割機應運而生。它具有高精度、高效益、高質量的非接觸式切割優(yōu)勢，為國內創(chuàng)客教育及新產(chǎn)品開發(fā)提供了有力的保障及技術支持。

1 桌面式激光切割機在創(chuàng)客教育及新產(chǎn)品開發(fā)中的應用優(yōu)勢

隨著計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術的成熟和激光切割機的小型化，激光切割機成為創(chuàng)客教育及新產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一個重要工具，優(yōu)勢日益凸顯。

（1）激光切割機使創(chuàng)客在材料選擇上具有更大的靈活度。激光切割機能夠加工木板、亞克力板、塑料以及金屬等材料，賦予了創(chuàng)客更多選擇的可能。設計者可以根據(jù)設計需要合理選擇最快捷、有效的材料進行加工，給創(chuàng)新增添了更多活力及自由度。

（2）激光切割機為創(chuàng)客及新產(chǎn)品開發(fā)帶來了時間和設計上的便捷。激光切割機不僅切割效率較手工提升數(shù)十倍，而且大幅提升了切割質量。此外，激光切割機的數(shù)字化設計設置也為設計者快速有效地制作及修改樣件，提供了高效的設計手段。

（3）激光切割技術可與機器人、3D打印等創(chuàng)新技術相結合，提高創(chuàng)新創(chuàng)造工作效率。

激光切割機還能幫助設計者更好地樹立工程思維，并通過激光切割技術驗證、提升設計者的工程思維。

2 桌面式激光切割機

激光切割技術有兩種：一是脈沖激光適用于金屬材料；二是連續(xù)激光適用于非金屬材料。后者是激光切割技術的重要應用領域。桌面式切割機能對木材、皮革、織物以及部分金屬等材料雕刻和切割，滿足了設計者多材料加工的需求。

桌面式激光切割機作為創(chuàng)客運動桌面制造工廠之一，其激光器普遍采用CO2激光器，能對木材、皮革、織物以及部分金屬等材料進行雕刻和切割。

CO2激光器具有諸多優(yōu)點。首先，它有較大的功率和較高的能量轉換效率。其次，它利用CO2分子振動-轉動能級間的躍遷，有比較豐富的譜線，在10 μm附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發(fā)現(xiàn)，高氣壓二氧化碳激光器甚至可做到9～10 μm連續(xù)可調諧的輸出。最后，它的輸出波段正好是大氣窗口（即大氣對這個波長的透過率較高）。此外，它還具有輸出光束的光學質量高、相干性好、線寬窄以及工作穩(wěn)定等優(yōu)點[3]。

3 桌面式激光切割機加工質量分析

桌面式激光切割機主要部分組成簡圖，如圖1所示。

圖1 桌面式激光切割機主要組成部分簡圖

桌面式激光切割機主要由高清攝像頭輔助加工系統(tǒng)、自動對焦系統(tǒng)、智能圖像提取系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及空氣過濾系統(tǒng)等部分組成[4]。其中，高清攝像頭輔助加工系統(tǒng)的運動精度及自動對焦系統(tǒng)的對焦精度，直接影響桌面式激光切割機的切割精度。

現(xiàn)有桌面式切割機的技術缺點總結匯總如下[5-6]：

（1）桌面式激光切割機進給機構穩(wěn)定性不高，磨損快，使用壽命不長；

（2）桌面式激光切割機工作平臺多為固定模式，結構單一；

（3）桌面式激光切割機激光對焦系統(tǒng)操作復雜，對操作者操作水平要求較高；

（4）桌面式激光切割機操作需要具有專業(yè)的設備操作水平。

針對以上問題，提出如下具體的解決措施。

首先，工作平臺可選用運動范圍廣、進給機構定位精度高以及穩(wěn)定性好的直線導軌機構，保證激光切割的精度。直線導軌機構還具有穩(wěn)定的平面度、操作簡便以及結構簡單等優(yōu)點，能夠滿足使用者對切割精度和操作簡便的需求。激光切割頭導向機構可以選用直線軸承機構，具有精度高、導向性好的優(yōu)點，可保證進給機構的進給精度和穩(wěn)定性，進而保證切割精度。

其次，充分利用高清攝像技術，通過高清廣角攝像頭，定點拍攝，輔助設計，大大降低制作、設計門檻，提高設計效率，使設計者能夠全心投入創(chuàng)作。此外，通過高清廣角攝像頭能實現(xiàn)智能圖像提取，省時省力。

最后，開發(fā)一鍵加工系統(tǒng)，降低激光雕刻的門檻，實現(xiàn)極簡制造。用戶在完成激光創(chuàng)意的設計后，通過傳輸文件到激光設備，點擊一鍵加工便可以快速實現(xiàn)設計。

4 結語

當下，全方位提升國內切割裝備的精度質量是行業(yè)的大勢所趨。因此，針對目前激光切割技術的發(fā)展，詳細分析目前桌面式激光切割機在創(chuàng)客及新產(chǎn)品開發(fā)中的作用，論述目前桌面式激光切割機的技術缺點，并提出針對性的解決措施，為桌面式激光切割機的技術發(fā)展提供參考。