鋼鋁復合激光落料線工藝分析與相關技術研究

陳 康，胡志達，石 磊，于海飛，濮劍鋒

（江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200）

在汽車工業高速發展的今天，隨著國家碳中和與碳達峰目標的提出，環保壓力日益增大，發展新能源汽車與汽車輕量化設計成為汽車工業發展的重要方向[1]。高強度鋼、鋁合金、鋁基復合材料等輕量化材料將在未來汽車的整車占比中越來越高。

針對高強度鋼、鋁合金和鋁基復合材料等異形板的加工，傳統加工方式是采用機械壓力機配合成形模具沖切的落料線方案[2]，這種方案具有模具磨損過快、配備多種不同模具、模具配備周期長和模具鋁積屑瘤損傷板材表面等突出問題，尤其對抗拉強度達1200MPa 的高強度鋼材加工，采用成形模具加工十分困難。

與機械壓力機落料線不同，鋼鋁復合激光落料線最顯著的特點是無需模具，僅僅通過編程軟件更改加工程序，就可實現不同形狀落料要求的柔性切換，快速響應市場需求[3]。

1 主要設備組成及功能

鋼鋁復合激光落料線適用于各種冷軋薄板、電鍍鋅鋼板、高強度鋼板、鋁板及鋁合金板材的加工[4]，該線主要由開卷引料模塊、多輥校平模塊、糾偏夾送模塊、激光切割模塊、分揀堆垛模塊和智能控制模塊共六大功能模塊組成，如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

1.1 開卷引料模塊

開卷引料模塊由儲料臺、上料小車、開卷機、引料折頭、切頭剪、清洗裝置構成。行車把料卷從儲料臺吊到上料小車上，上料小車運行至開卷機處，完成料卷的對中，實現料卷的自動上料。開卷機采用恒張力開卷避免帶材過拉或散卷。引料折頭裝置將板材夾住向后送，實現自動穿帶。切頭剪將帶材頭部質量不好的部分切掉。對于板面要求高的帶材，采用濕式清洗機去除帶材表面的灰塵。

1.2 多輥校平模塊

多輥校平模塊由糾偏夾送、下動式19 輥校平機和活套構成。19 輥校平機用于消除帶材的波浪彎和瓢曲等板形缺陷，避免由于帶材不平造成帶材撞擊激光頭，影響順利切割，保證成品板所需的平整度。考慮到鋼材與鋁材在材料性質上的差異，校平機不能共用。為滿足鋼鋁復合加工，19 輥校平機為雙輥盒校平機[5]，配備換輥小車，可快速更換，滿足鋼板、鋁板的校平要求。設置活套可有效避免停機痕，使得帶材具有一定的自由度，便于糾偏。

1.3 糾偏夾送模塊

糾偏夾送模塊由柔性糾偏裝置、測量裝置和高速送料裝置組成。該柔性糾偏裝置可以實時檢測板材的位置。當板材跑偏時，會給后續加工單元提供反饋信號，后續的高速送料裝置會在線實時調整，實現板材數控柔性糾偏夾送功能，保證后續切割尺寸的精準。

1.4 激光切割模塊

激光切割模塊由兩個激光切割梁、隨動皮帶、除塵裝置等構成。兩個激光頭既可實現雙頭聯動，又可以協同分工，單獨工作，提升工作效率；有別于鋸齒鏈切割平臺，采用隨動皮帶，可有效避免板面劃傷，且避免激光閃回現象，對于切割過程中產生的灰塵，有效回收。

1.5 成品堆垛模塊

成品堆垛模塊由堆垛皮帶機、關節機器人、出料臺車和排廢機構組成。切割好的板材輸送到堆垛皮帶機上，由多個關節機器人協同同步跟隨分揀板材，之后將其堆垛到出料臺車上。

2 關鍵技術探討

2.1 多軸、多通道多頭聯動激光切割系統

基于每個切割頭4 個軸聯動、3 個切割頭之間聯動、切割頭組與送料軸（X 軸）聯動，以及輸送裝置多軸的同步隨動等復雜的控制需求，開發產品級多通道多頭控制技術，使各獨立的多軸插補信息交互，建立最大26 軸聯動工藝模型，結合多組控制、譯碼器和插補器模塊所構成的協同控制系統。

基于EtherCat、Profinet 總線和DCOM分布式控制，及HMI、基于WPF、WCF，開創性地開發了適應不同底層NC 控制的統一的CNC 系統，如圖2 所示。CNC 具備了多切割頭協同切割的功能，實現板材連續運動下多切割頭的準確定位與銜接、多段與多軸輸送的同步。

圖2 全線CNC 控制模型

通過多軸、多通道多頭聯動CNC 控制技術，通過建立最大26 軸聯動工藝模型與程序開發，實現兩個激光頭并行加工與全線協同，如圖3 所示，連續加工速度達60m/min，可加工典型零件發動機蓋板25片/min。并運用MCD 通過“軟件在環”完成虛擬調試。

圖3 雙激光頭并行協同切割

2.2 多頭路徑分解、高效切割工藝集成的CAM 軟件系統

基于多頭加工軌跡自動分解、高效協同的自動編程的需求，通過對多切割頭的切割路徑優化、切割輪廓的合理高效分工、切割干涉避讓的算法、切割起點的合理選擇等技術的研究，集成薄板切割所需要的高加速、高速的伺服控制的再編程及參數優化能力、切割頭高速隨動及運行軌跡優化、掃描切割等工藝，開發了專用的自動編程CAM系統。該系統確立了可配置式模塊化的軟件拓撲架構，實現復雜切割頭任務自動分解、運動規劃和柔性加工。該CAM系統可將CAD 圖形導入即可實現復雜切割路徑規劃、運動分解和加工代碼生成，如圖4 所示，產品切換時間≤10min。

圖4 CAM系統路徑規劃

2.3 輕量化切割梁

通過動力學模型，定義動態響應和剛度、阻尼和振動等動態性能指標，先后采用形狀、尺寸、拓撲結構優化方法，通過切割梁、輸送裝置的動態結構，以及切割頭與板材距離高頻響應的控制研究，深入研究剛—柔—控制的耦合建模和優化，滿足結構輕量化、高剛性、運動的高速、高動態和設備高可靠性要求。

通過采用鋼鋁復合結構組裝，保證切割梁高剛性的前提下降低自身重量。實現結構輕量化、高剛性和運動的高速、高加速度，切割速度達到60m/min，加速度達到3G。運用ANSYS 有限元分析優化切割梁，控制切割梁在3G 慣性負載作用下X 軸撓度變形≤0.095mm，切割頭位移≤0.032mm，保證激光頭動態切割精度。

2.4 高動態響應防劃傷隨動輸送皮帶

從位姿誤差作用機理等方面研究運動組高精度運動控制理論與方法，解決板料跑偏后切割點重合偏差大造成的割不斷等質量問題。開發了一套高動態響應隨動輸送皮帶，如圖5 所示，隨動輸送皮帶兩兩之間留有激光切割所需的氣道，氣道與激光頭X軸方向保持相對靜止，避免激光閃回和皮帶燒傷；隨動輸送皮帶下設廢料收集箱，廢料自動落下與工件分離。采用伺服電機控制送料速度與切頭速度匹配，高效控制板材與輸送皮帶之間的速差，加減速階段速差＜3%，可有效保證板面無劃傷，避免板料互相疊壓。

圖5 隨動輸送皮帶

3 結語

伴隨汽車輕量化技術的發展、軌道交通的快速發展以及國產大飛機適航量產步伐的加快，超高強鋼、鋁合金及鋁基復合材料將得到大量應用。相應板材處理設備的需求量也將大幅增長，因此能夠同時兼顧碳鋼板及鋁合金板材加工的設備將會得到長遠的發展，鋼鋁復合激光落料線的出現將會在很大程度上解決這個難題。鋼鋁復合激光落料線將大幅提升綠色制造水平，突破超高強度、高檔鋁合金材料落料加工裝備受制于人的狀況，實現自主可控，填補我國智能化高效、高精度柔性激光落料技術的空白區域，有力推動汽車、航空航天、軌道交通、工程機械等行業異形板柔性加工的轉型升級。