三維激光切割機的發展現狀及未來動向

閆新華，付黎偉，甄守樂

（諾伯特智能裝備（山東）有限公司，山東 聊城 252000）

0 引言

激光切割是激光加工領域中應用最早、使用最多的應用技術，占整個激光加工領域的70%以上，在機械、汽車、航空航天、輕工紡織、食品醫療等行業應用廣泛[1]。

傳統的激光切割平面切割為主，隨著激光切割技術的發展，自由曲面三維工件的加工逐漸成為可能。從1979 年世界上第一臺五軸CO2激光切割機在Prima 公司問世以來，三維激光切割機即以柔性強、精度高、工裝設備需求少、生產準備時間短等優點受到諸多青睞，目前廣泛應用于汽車、機械制造、航空航天等領域對三維工件有加工需求的生產中[2]。

1 三維激光切割機的種類

為保證加工質量并高效利用激光束能量，三維激光切割過程中，切割頭在沿預設的空間軌跡運動的同時，其激光光軸須始終與被切割工件表面垂直。因此，三維激光切割機通常至少需要具有5 個軸，即三個直線運動軸（X、Y、Z 軸）和兩個旋轉軸（A、B、C軸中的兩個）。

目前，商業市場的三維激光切割機有龍門式和機器人式兩種基本結構。前者通常由床身或工作臺提供X、Y、Z 軸直線運動，切割頭提供其余兩軸旋轉（或擺動）運動；后者采用光纖傳輸（或內含反射鏡的關節臂）與機器人連接，實現三維激光切割。兩者性能對比如表1 所示[3-5]。

表1 龍門式、機器人式切割機性能對比

大功率激光器是激光切割設備的關鍵配件，根據使用激光器的種類不同，三維激光切割機通常也分為光纖激光切割機、CO2激光切割機和YAG 激光切割機三類。三類激光切割機主要性能對比如表2所示[6-8]。

表2 光纖、CO2、YAG 激光切割機性能對比

目前，商業市場的三維激光切割機以光纖激光切割機和CO2激光切割機為主。

2 國內外研究現狀

2.1 三維光纖激光切割機

相比CO2激光切割和YAG 激光切割，光纖激光切割在切割效率、光電能轉換效率、光路結構、維護成本、切割精度等方面均具有一定的優勢，近些年來，光纖激光切割機發展迅速，已逐漸取代傳統的CO2激光切割機，成為新的市場主流。

目前，國外生產三維光纖激光切割機的知名廠商主要有德國Trumpf 公司，意大利Prima Power 公司，美國PREISER 公司，以及日本小松公司、NTC 公司、小池公司、Mitsubishi 公司、AMADA 公司和MAZAK 公司。其中，Trumpf 公司的TruLaser Cell 3000 型、TruLaser Cell 5030 型、TruLaser Cell 8030型、Prima Power 公 司 的Rapido 型、Laserdyne 795型、小松公司的TLH-N 系列、AMADA 公司的LCG3015AJ II 等三維光纖激光切割機產品具有較高的知名度。

TruLaser Cell 3000 型五軸激光加工機床采用模塊化結構，可選用多種激光器，并可通過更換激光加工頭實施焊接、切割和激光熔覆等加工；便于實現機床自動化，可滿足大批量生產需要；其定位精度較高，X/Y/Z 軸定位精度為±0.015mm，A、C 軸定位精度0.02°。

TruLaser Cell 80303D 激光切割機適用于快速切割大尺度熱成型車輛側圍件，其X/Y/Z 軸移動范圍為3000mm/1300mm/600mm，軸加速度為4g；采用優化的旋轉加工臺，極大地減少了非生產時間，提高了效率和產能。如圖1 所示。

圖1 TruLaser Cell 3000 型

Rapido 三維五軸激光切割機采用2.0～4.0kW 光纖激光器，其工藝靈活，可適用于不同的切割、焊接應用，具有防撞系統以及無反沖、無磨損的直驅。

Laserdyne 795 多軸激光加工機床采用高精密加工表面和大直徑、高剛性傳動絲桿，機械精度高，適合高速切割加工，且適合光纖、CO2和YAG 等不同種類激光光源。如圖2 所示。

圖2 Laserdyne 795 多軸激光加工機床

TLH-N 系列超高速三維5 軸控制激光切割機具有高剛度、高速度（X/Y/Z 軸快進速度100m/min、A/C軸快進速度540°/s）、操作性好、采用單側OPEN、接近性高等特點。

LCG3015AJ II 高效光纖激光加工機具有高達170m/min 的快進速度和120m/min 的加工進給速度，生產效率高、可擴展性好，且擁有從工藝改善到工廠改革的全新的鈑金加工數字化改善解決方案。如圖3所示。

圖3 LCG3015AJ II 高效光纖激光加工機

我國工業激光的起步較晚，商品化的激光切割機技術的研究與發達國家相比有較大差距。隨著國家將激光加工技術列入重點科技攻關項目，國內興起了一股熱潮，越來越多的企業及科研院所開展了相關技術的研究。目前，國內已有大族激光、華工激光、楚天激光、百超迪能、濟南金威刻、鐳鳴激光等多家企業推出了三維光纖激光切割機產品。

其中，大族激光的HyRobot C20 光纖激光切割機、華工激光的AUTOBOT 汽車三維五軸激光切割機、SF 系列三維五軸激光切割機、迪能激光的FCCBD 大包圍自動互換臺光纖激光切割機、焦點激光的FK3015S 汽車三維五軸激光切割機、斯塔克公司的STK-S-3015 三維五軸激光切割機、鐳鳴激光的LMR 三維多軸智能激光切割裝備等具有較高的知名度。

目前，在主要技術指標方面，國產三維光纖激光切割機產品與國外主流產品相差不大。主要技術指標如表3 所示。

表3 三維光纖激光切割機主要技術指標

2.2 三維CO2 激光切割機

CO2激光切割機目前常用于厚度不超過12mm的不銹鋼和厚度不超過25mm 的非金屬材料的加工，在汽車內外飾工件以及其他行業的非金屬件的切割加工中有比較廣泛的應用。

目前，國外生產CO2激光切割機主要廠家有德國Trumpf 公司，意大利Prima Power 公司，以及日本小松公司、NTC 公司等。其中，Trumpf 公司的Tru-Laser Cell 7040 型三維CO2激光切割機、Prima Power 公司的Optimo 三維五軸激光切割機、小松公司的TLM系列三維5 軸控制激光切割機、NTC 公司的TLM610 雙交換工作臺的三維五軸激光切割機等產品具有較高的知名度。

TruLaser Cell 7040 型三維CO2激光切割機的X/Y/Z 軸行程為4000mm×2000mm×1000mm、B/C軸行程為±135°和n×360°，最大軸加速度4g，設有多個工作區，可根據需要方便選取，可選用多種激光器，并可通過更換激光加工頭實施焊接、切割和激光熔覆等多種加工工藝。如圖4 所示。

圖4 TruLaser Cell 7040 型三維激光切割機

Optimo 三維五軸激光切割機同樣適用于大型工件切割和焊接，其X/Y/Z 軸行程為4500mm×2500mm×1020mm、B/A 軸行程為±135°和360°，采用2.5～4kW 的速軸向流動和平板式CO2激光器。如圖5 所示。

圖5 Optimo 三維五軸激光切割機

TLM610 三維五軸激光切割機采用了龍門式床身、移動式工作臺、一點指向式切割頭，以及具有專利技術的搖桿控制箱、特殊割嘴結構及TDLC-04R高性能數控系統，并提供脫機編程功能。

目前，國內CO2激光切割主要應用于二維切割機產品，如民升激光科技有限公司研發的MS-1380激光切割機、縱通激光科技有限公司研發的ZT-CC1610 激光切割機等。暫未有產品化的三維CO2激光切割機產品。

3 發展動向

（1）高功率化。提高激光器的功率可提高加工能力和效率，降低加工成本。隨著激光器成本的下降，三維切割機主流產品的功率已由幾年前的2kW、3 kW 提升至4kW、6kW，現在也已出現了萬瓦級產品，相信未來幾年，萬瓦級產品將成為市場主流。

（2）高速高精度。提高定位速度和定位精度有助于提高機床加工效率、滿足工程機械及其他高附加值產品的性能要求、提升產品競爭力。目前，切割機主流產品的定位速度為100m/min，而高速切割機的定位速度最高可達280m/min。

（3）智能化。操作的自動化、智能化是工業4.0、智能制造的要求。越來越多的企業注重機床的智能化，如開放式系統、自動排料、自我故障診斷、工藝數據的智能管理、遠程控制等。

（4）功能多樣化。拓展機床的加工范圍可增大機床的柔性和適應能力，進而提升產品的競爭力。國外不少先進三維切割機產品具有較寬的工藝范圍，如Trumpf 公司的TruLaser Cell 3000 型和TruLaser Cell 7040 項三維激光切割機均具有三維切割、焊接金屬熔覆功能；Prima Power 公司的Rapido 三維五軸激光切割機可使用多種激光器，滿足多類焊接、切割加工的需要。

4 結語

在我國工業領域從傳統加工向高端制造轉型的大背景下，激光切割行業將保持高速發展的趨勢。未來三維激光切割裝備將向高功率化、高速高精度、智能化、功能多樣化等方向發展。目前，與德國、日本、意大利等發達國家相比，我國無論在三維激光切割機產品方面，還是在激光切割頭、高功率激光器等核心零部件方面，亦或在激光切割機理研究、高性能數控系統研發等關鍵技術領域，均存在較大差距，需要科技人員不斷進行深入研究。