激光切割機精度保持性評估方法研究

梁瀾之，張華偉，司衛征，敖薈蘭，PLATZ Roland

(1.廣東省科學院智能制造研究所可靠性與裝備技術中心，廣東廣州 510070；2.廣東正業科技股份有限公司，廣東東莞 523808；3.弗勞恩霍夫協會結構耐久性與系統可靠性研究所，達姆施塔特 64289，德國)

0 前言

激光具有方向性好、亮度高、單色性好及能量密度高等特點，已廣泛應用于工業加工。激光切割是將激光束照射到工件表面時釋放的能量使工件融化并蒸發，以達到切割和雕刻的目的。激光切割機具有精度高、切割效率高、切縫窄等顯著優勢。同時，由于不受切割圖案限制，激光切割機可進行自動排版，從而降低加工成本。

激光切割機通常在校準后可以保證較高的加工精度，但是使用一段時間后，其加工精度會下降，無法滿足工件精度要求，因此需要重新進行校準。校準工作費時費力，大大降低了激光切割加工的效率以及成本。因此，激光切割機的精度影響因素、誤差產生原理以及精度提升的技術方法是眾多學者研究的方向。許怡如介紹了數控機床的靜動態精度測試對象和方法。劉玉霞分析了數控機床加工精度的故障診斷原則，并提出了3種精度異常的情況及其處理方法。李亞聰提出了影響國產機床熱誤差的因素與減小熱誤差的常用方法。張偉介紹了數控編程和數控機床系統誤差對加工精度的影響，并提出應給誤差處理預留必要的編程空間，以及結合參考點、反向間隙補償等因素來保證機床加工精度。何峰介紹了數控機床加工精度的主要故障模式，分別是進給機械傳動故障、系統或伺服參數誤差故障、電氣控制和輔助控制裝置故障等。賈平平運用激光干涉儀測量原理，通過分析和測量，確定機床測量精度不穩定的原因。劉杰運用有限元分析對激光切割機不同切割工位進行了靜力學研究。吳鵬等人提出的數控機床精度劣化模型可解決小樣本性能退化數據統計分析問題。劉慶杰等驗證了基于振動、電流信號信息融合的精度動態評估技術可用于評估機床精度。彭代波介紹了5種精度評估技術，包括采用信號處理分析的智能評估技術、采用運動模型分析的誤差源分析技術、熱誤差分析技術、位置精度檢測技術和幾何精度檢測技術等。秦華生介紹了運用原始信號處理和特征提取法進行信息融合，從而評估數控機床精度。

目前還沒有學者針對激光切割機的校準工序進行研究，因此，本文作者對激光切割機的校準工序開展研究，設計一套校準工序并進行標準化，同時還對激光切割機的歷史校準數據與加工數據進行分析，研究可能導致加工設備精度下降的部件運動、環境設置以及參數設置等。傳統的激光切割機使用適配的標定板或者校準板，結合操作系統中軟件的補償設置進行設備的校準，但是這只能保證在校準后設備的精度達到要求，卻不能檢驗激光切割機正常加工時的精度保持性狀態，也不能幫助確定激光切割機的設計、安裝、人員操作、環境參數設置等環節是否有不當情況。本文作者提出的標準化校準工序，可以避免人員操作的影響，以穩定環境參數。

用于FPCB板加工的激光切割機在完成裝配后，在每次開展加工工序前都需要進行一次校準，從開機預熱到固定位置鉆孔，再進行數控系統自動測量校準。本文作者提出一種評估方法，能在激光切割機精度校準后進行精度保持性評估，同時能及時發現激光切割機的設計、安裝、人員操作、環境參數設置等環節是否有不當情況出現，避免激光切割機加工精度出現非預期下降的情況。

首先，設計FPCB評估板，FPCB評估板應能夠覆蓋多個振鏡加工區域，每個方形的振鏡加工區域上設有相同的加工圖案；其次，校正激光切割機的加工精度；然后使用激光切割機對多張FPCB評估板進行加工，并采集每張FPCB評估板加工時的曲線及圓心坐標；最后，收集并整理所獲取的圓心坐標，計算加工曲線的圓心坐標與預設圓心坐標的偏差并繪圖，從而評估出激光切割機隨時間變化的精度保持性。

1 校準方法

原有方法是使用機器校準功能，在整個加工區域中取一個50 mm×50 mm的加工區域，進行激光打點(11×11個點)，通過高清攝像頭取打點坐標并進行運算得出校準參數，然后應用到實際加工過程中。這種方法雖然可以在短期達到目標精度，但是由于數據采集的局限性，無法考慮到加工平面中的所有加工區域的精度，因此設計新的校準打點方法。

新的校準方法中，取整個加工平面四角位置的振鏡加工區域、每個邊緣中心位置的振鏡加工區域以及整個加工平面的中心振鏡加工區域，共9個工作區域，按照正常加工順序依次進行校準。每個區域的校準采用原方法中的11×11激光打點的方式進行打點、取點坐標并進行運算。同時設計了一套標準化校準和生產的操作流程，目的在于盡可能減少外界對精度的影響。為此，可將激光切割機的設計分成機械整體、機器操作等，分別如圖1、圖2所示。

圖1 激光切割機機械子系統結構

圖2 激光切割機機器操作細分示意

本文作者首先研究了一個工作區域內加工孔的中心位置處的最大負向偏差與相對、方向上的設定值之間的關系。圖3和圖4分別為采用非標準化校準時，執行補償程序后、軸的偏差。在方向上，最大正誤差為0～0.08 mm，最大負誤差為-0.1～0 mm。在方向上，最大正誤差為0.02～0.06 mm，最大負誤差為-0.07～0 mm。

圖3 非標準測試X軸誤差

圖4 非標準測試Y軸誤差

隨機選擇兩組來自兩個不同工作區域的非標準校準后的數據進行分析，圖5和圖6分別為兩組數據相對和方向上的11×11=121個位置的偏差示意。可以發現：在每個工作區域的角落和邊界的誤差均比工作區域中部的誤差更大；平均誤差約為0.03 mm；每個工作區域的誤差特征各不相同，圖5中邊界的誤差比圖6中的小。

圖5 第一組校準數據標準差示意

圖6 第二組校準數據標準差示意

為了使激光切割機更好地校準，設計了新的校準流程。采用相同的FPCB校準板，進行一個工作區域121個點的激光打點，一共進行9個工作區域的打點，9個校準板平均放置在整個加工平臺上，通過覆蓋加工平臺的角落區域增加校準的精度。

采用新設計的校準流程進行測試，即測試當天上午進行一次校準，之后在一張FPCB板上進行多次重復加工，持續4 h之后再次進行校準，兩次校準獲得的數據如圖7和圖8所示。可知：、方向的最大偏差值都在±0.01 mm以內，對比圖3、圖4可知，該校準方法可有效改善校準后的漂移現象和偏差。

圖7 采用新校準流程兩次校準的X軸誤差數據 圖8 采用新校準流程兩次校準的Y軸誤差數據

圖9所示為采用標準校準流程后，隨機選取9張FPCB校準板中的1張的校準點絕對偏差值矩陣。可見：盡管使用了新的校準流程，工作區域邊緣的偏差值仍然比中心大，但是所有的偏差值都在0.01 mm以內。

圖9 標準校準流程后的121個校準點標準差

在實現校準流程標準化后，需要繼續評估激光切割機的精度保持性。因此，設計了評估方法，實施步驟如下：

步驟1，設計FPCB評估板，使尺寸能夠覆蓋多個振鏡加工區域，每個方形的振鏡加工區域上設有相同的加工圖形，如圖10所示；

圖10 FPCB評估板

步驟2，進行校準工序環境的標準化，操作包括：開機預熱、避免人為干預、關閉屏蔽護罩、穩定車間溫度等，并按照新設計的校準流程操作完成激光切割機的精度校準；

步驟3，在精度校準完成后，在加工平面內放上第1張步驟1所述的FPCB評估板，使用激光切割機對FPCB評估板上的全部加工圖形進行1次加工。結束后換下第1張FPCB評估板，運用光學方法，使用影像測量，通過選取曲線上3個點作垂線，記錄相交點作為曲線圓心坐標，記錄圓心坐標；

步驟4，換上第2張FPCB評估板，對FPCB評估板上的加工圖形進行多次重復加工，結束后換下第2張FPCB評估板；

步驟5，換上第3張FPCB評估板，使用步驟1所述的圖形進行一次加工，結束后換下第3張FPCB評估板，運用光學方法找取加工曲線圓心坐標并作記錄；

步驟6，將步驟3、步驟5中所獲取的圓心坐標進行收集整理，計算兩者與預設圓心坐標的偏差并作圖，預設圓心坐標是指步驟1中設計的FPCB評估板中所有圓的圓心坐標，從而評估出激光切割機隨時間變化的精度保持性，當第1、第2張FPCB評估板中的曲線坐標與預設圓心坐標的偏差值增大時，說明精度保持性隨時間增加而變差；如果偏差值無明顯增大，則說明在長時間加工情況下可以保證精度。

2 數據分析

將第1、第2張FPCB評估板上記錄下的圓心坐標歸納整理，并分別對加工區域角落處和加工區域邊線中間處的圓心坐標作圖，如圖11—圖14所示。

圖11 第1張加工FPCB板曲線圓心坐標差值(加工區域角落處)

圖12 第1張加工FPCB板曲線圓心坐標差值(加工區域邊線中間處)

圖13 第3張加工FPCB板曲線圓心坐標差值(加工區域角落處)

圖14 第3張加工FPCB板曲線圓心坐標差值(加工區域邊線中間處)

從圖11—圖14可以看出：在重復加工之前，加工區域角落處的圓心位置偏差最大為0.05 mm，在正象限上有較高的離散；每個工作區域的平均偏差保持在0.03 mm內(見圖11)；在重復加工后，偏差最大值在所有方向上都是0.10 mm且處于相對較高的離散，然而在正象限中的偏差值卻沒有變大(見圖13)；在重復加工后，每個工作區域的平均偏差在0.5 mm以內，整體的偏差離散比重復加工之前更大。

在重復加工之前，加工區域邊緣中心偏差最大約為0.03～0.04 mm，各象限上有著相對較低的離散(見圖12)，同時每個工作區域的平均偏差在0.02 mm之內。在重復加工后，偏差增加到0.07 mm(見圖14)，每個工作區域的平均偏差在0.02 mm之內，在重復加工之后，整體的離散比重復加工之前更大。

分析結果表明：在所有工作區域的中心位置上的鉆孔的偏差比所有邊界的低得多；在所有角落上都有最高的偏差，但是并沒有發現在重復加工FPCB板前后所有位置偏差的系統性改變；在負方向上的位置漂移最明顯。

3 結論

從結果上看，此次研究的激光切割機在經過新的標準化的校準流程后，精度有所提升，然而在重復加工后仍然出現了精度下降的趨勢，而且其精度不穩定性呈現不規則性。因此，考慮為裝配精度的缺陷導致加工時精度不穩定。為進一步開展精度不穩定研究，應利用激光干涉儀開展定位精度檢測、幾何精度檢測以及加工精度追蹤，從而更全面地掌握激光切割機的精度不穩定性特征，以改善其加工精度保持性。