数控多轴联动激光加工设备.docx
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数控多轴联动激光加工设备
数控多轴联动激光加工设备
激光加工是一种先进的和广泛应用的加工技术。
它是利用高能量密度的激光束作为工具对材料进行热处理、表面熔覆、切割和焊接等。
数控多轴联动激光加工机床集激光、机械、传感技术、自动检测、信息处理、计算机自动控制和伺服驱动等多项技术于一体，能完成二维平面和三维曲面的加工。
在国防建设、航空航天、工程机械等领域获得了广泛的应用。
第一节 数控激光切割设备
一、激光切割的原理、分类及特点
1．激光切割的原理
如图6－1所示，激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。
2．激光切割的分类
激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧化切割和激光划片与控制断裂等四类。
（1）激光汽化切割－利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸汽。
这些蒸汽喷出速度很大，在蒸汽喷出的同时，在材料上形成了切口。
材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。
激光汽化切割多用于极薄的金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。
（2）激光熔化切割
激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。
激光熔化切不需要使金属完全汽化，因此所需要能量只有汽化切割的1／10。
激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属材料的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金材料等。
（3）激光氧气切割
激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。
它是利用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。
喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。
由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1／2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。
激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。
（4）激光划片与控制断裂
激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。
激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。
控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。
3．激光切割特点
（1）切割质量好－激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0．05㎜。
切口表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。
材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性质几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横断面呈规则的长方形。
激光切割、氧乙炔切割、等离子切割方法的比较见表6－1，其中切割材料是板厚为6．2㎜的低碳钢。
表6－1 激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较
切割方法
切割宽度／㎜
热影响区宽度／㎜
切缝形态
切割速度
设备费用
激光切割
0．2~0．3
0．04~0．06
平行
快
高
氧乙炔切割
0．9~1．2
0．6~1．2
比较平行
慢
低
等离子切割
3．0~4．0
0．5~1．0
楔形且倾斜
快
中高
（2）切割效率高－由于激光的传输特性，激光切割机床上一般配有多方向的进给运动，整个切割过程可以全部实现数控。
操作时，只需改变数控加工程序，就可以适用不同工件、不同形状零件的切割。
（3）切割速度快－用功率1200KW的激光束切割2㎜厚的低碳钢板，切割速度可达600cm／min；切割5㎜厚的娶丙烯树脂板，切割速度可达1200cm／min。
材料在激光设备上切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。
（4）非接触式切割－激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损问题。
加工不同形状的工件，不需要更换“刀具”，只需要改变加工程序和改变激光器输出的参数。
激光切割过程噪声低，振动小，无污染。
（5）激光切割加工的适应范围广－与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。
但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。
表6－2显示了使用CO2激光器时，不同材料的激光切割性能。
（6）激光切割由于受激光器功率和体积的限制，激光切割只能切割中小厚度的板材和管材，而切随着工件厚度的增加，切割速度显著降低。
表6－2 各种材料激光切割性能的比较
材 料
吸收激光的能力
切 割 性 能
金属
Au、Ag、Cu、Al
对激光的吸收量小
一般说来，较难加工，1~2㎜的Cu和Al薄板可进行激光切割
W、Mo、Cr、Ta、Zr、Ti
（高熔点材料）
对激光的吸收量大
若用低速加工，薄板能进行切割。
但Ti、Zr等金属需用Ar作辅助气体
Fe、Ni、Pb、Sn
比较容易加工
非
金
属
有机
材料
丙烯酰、聚乙烯、聚丙烯、
聚酯、聚四氟乙烯
可透过白热光
大多数材料都能用小功率激光器进行切割。
但因这些材料是可燃的，切割面易被碳化。
丙烯酰、聚四氟乙烯不易碳化。
一般可用氦气或干燥空气作辅助气体
皮革、木材、布、橡胶、纸、玻璃
环氧树脂、酚醛塑料
透不过白热光
无机
材料
玻璃、玻璃纤维
热膨胀大
玻璃、陶瓷、瓷器等在加工过程中或加工后易发生开裂。
厚度小于2㎜的石英玻璃，切割性能良好
陶瓷、石英玻璃、石棉、云母、瓷器
热膨胀小
二、激光切割的应用范围
大多数激光切割机床都是数控机床。
激光切割作为一种精密加工方法，几乎可以切割所有材料，包括薄金属板的二维切割和三维切割。
在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。
德国大众汽车公司用功率500W的激光器切割形状复杂的车身薄板和各种曲面件。
在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。
用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。
激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。
不仅可以切割高硬度、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等，还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶板等。
服装业用激光进行服装裁剪，可节省衣料10%~12%，并可将工效提高3倍以上。
三、数控激光切割机床
1．机床的主要构成
激光切割机床大都采用CO2激光器，从大的方面来说主要由激光器、导光系统、数控系统、伺服系统、割炬、操作台、气源、水源及抽烟系统构成。
典型的CO2激光切割设备的基本构成如图6－2所示。
现将激光切割机床各部分的作用说明如下：
（1）激光电源－供给激光振荡用的高压电源。
（2）激光振荡器－产生激光的主要设备。
（3）折射反射镜－用于改变激光的传输方向。
为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护。
（4）割炬－主要包括枪体、聚焦透镜、辅助气体喷嘴等。
（5）切割工作平台－用于安装被切割的板材或工件，能够按照数控指令进行运动，工作台各个方向的运动通常由伺服电机驱动。
（6）割炬驱动装置－二维或三维曲线或曲面的加工是由工作台和割炬的共同运动实现的。
割炬驱动装置由伺服电机和丝杠等传动件组成。
（7）CNC数控装置－控制工作台和割炬的运动轨迹，切割出所要求的形状，同时也控制激光器在加工不同工件或材料时的输出功率。
（8）操作盘－是一个人机界面接口。
既可以显示加工过程的状态，又可以通过操作盘对加工过程进行控制。
（9）气瓶－包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用的辅助气体。
（10）冷却水循环装置－用于冷却激光振荡器。
激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换率一般为20%，剩余的80%能量转换成热能。
冷却水的作用就是把多余的热量带走以维持激光振荡器的正常工作。
（11）空气干燥器－用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。
2．激光切割用激光器
切割用激光器主要有CO2气体激光器和钇铝石榴石固体激光器（即YAG激光器）。
CO2气体激光器与YAG激光器的基本特性及主要用途见表6－3。
切割加工性能比较见表6－4。
表6－3 CO2激光器与YAG激光器的基本特性及主要用途
激光器
波长／μm
振荡形式
输出功率
效率／％①
用 途
CO2激光器
1．06
脉冲／连续
1．8KW脉冲能量0．1~150J
3
打孔、焊接、切割、烧刻
YAG激光器
10．6
脉冲／连续
20KW
20
打孔、切割、焊接、热处理
①效率指投入激光器工作介质的能量与激光输出能量之比。
表6－4 CO2激光器与YAG激光器的切割加工性能比较
项目
CO2激光器
YAG激光器
聚焦性能
光束发散角小，易获得基模，聚焦后光斑小，功率密度高
光束发散角大，不易获得单模式（仅超声波Q开关YAG激光器能产生单模式），聚焦后光斑较大，功率密度低。
金属对激光的吸收率（常温）
低
高
切割特性
好（切割厚度大，切割速度快）
较差（切割能力低）
结构特性
结构复杂，体积较小，对光路的精度要求高
结构紧凑，体积小，光路和光学零件简单
维护保养性能
差
良好
加工柔性
差（光束的传达依靠反射镜，难以传送到不同加工共位）
好（可利用光纤维传送光束，1台激光器可用于多个工位，也可多台同型激光器连用）
CO2气体激光器是利用封闭在容器内的CO2气体（实际上是CO2、N2和He的混合气）作为工作物质经受激振荡后产生的光放大。
CO2气体激光器的基本结构如图6－3所示。
气体通过施加高压电形成辉光放电状态，借助设在容器两端的反射镜使其在反射镜之间的区域不断受激励并产生激光。
CO2气体激光器主要有气体封闭容器式、低速轴流式、高速轴流式和横流式（即放电方向、光轴方向与气体流动方向正交）等类型。
激光切割一般使用轴流式CO2气体激光器。
几种CO2激光器的主要特性见表6－5。
表6－5 几种CO2激光器的主要特性
类型
构成简图
实用输出功率／W
优点
缺点
气体
封闭式
100
结构简单
功率小，实用性差
低速
轴流式
1000
可获得稳定的基模式激光
外形尺寸大，维护保养较难
高速
轴流式
3000
可在体积不大的条件下获得较高的输出功率，维护保养方便
输出功率的稳定性（续）
取决于风机的可靠性
横流式
1500
可获得很高的输出功率
光束能量分布为复式，效率较低
注：
表示激光束，
表示气体流，
表示冷却介质流
YAG固体激光器的结构原理如图6－4所示。
它是借助光学泵作用将电能转化的能量传送到工作介质中，使之在激光棒与电弧灯周围形成一个泵室。
同时通过激光棒两端的反光镜，使光对准工作介质，对其进行激励以产生光放大，从而获得激光。
切割用YAG激光器的种类和主要用途见表6－6
表6－6 切割用YAG激光器的种类和主要通途
项 目
连续激光器
脉冲激光器
一般连续振荡
Q开关振荡
激励用灯
电弧灯
—
闪光灯
Q开关
—
超声波Q开关
—
脉冲宽度
—
50~500ns
0．1~20ms
重复频率／KHz
—
＜50
（1~500）×10－6
峰值频率／KW
—
10~250
1~20
平均输出功率／W
1~1800
100
1000
脉冲能量／MJ
—
1~30
100~150000
主要用途
用于碳素钢、不锈钢薄板（厚度小于3㎜）的切割
陶瓷和铝合金薄板（厚度约1㎜）的精密切割
铜、铝合金板（厚度小于20㎜）的精密切割
3．割炬
激光切割用割炬的结构如图6－5所示。
主要由割炬体、聚焦透镜、反射镜和辅助气体喷嘴等组成。
激光切割时，割炬必须满足下列要求：
1）割炬能够喷射出足够的气流；
2）割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴；
3）割炬的焦距能够方便调节；
4）切割时，保证金属蒸气和切割金属的飞溅不会损伤反射镜。
割炬的移动是通过数控系统进行调节的。
割炬与工件间的相对移动有三种情况：
1）割炬不动，工件通过工作台运动，主要用于尺寸较小的工件；
2）工件不动，割炬移动；
3）割炬和工作台同时运动。
（1）聚焦透镜聚焦透镜用于把射入割炬的平行激光束进行聚焦，以获得较小的光斑和较高的功率密度。
透镜经常采用能透过激光波长的材料制造。
固体激光常用光学玻璃，而CO2气体激光因透不过普通玻璃，则采用ZnSe、GaAs和Ge等材料制造，其中最常用的是ZnSe。
透镜的形状有双凸形、平凸形和凹凸形三种。
透镜的焦距对聚焦后光斑直径和焦点深度有很大影响。
聚焦光斑直径do与透镜焦距f和入射激光束直径D之间的关系如图6－6所示。
由图可见，当入射激光束直径D值一定时，存在一个最佳的透镜焦距f值使聚焦光斑直径do最小。
焦点深度fd与透镜焦距f的关系如图6－7所示。
随着透镜焦距的减小，焦点深度也变小。
对于激光切割，希望聚焦光斑直径尽可能减小。
这样，功率密度就能提高，有利于实现高速切割。
但透镜焦距减小时，焦点深度也较小，在切割厚度较大的板时难以获得垂直度好的切割面。
另外，透镜焦距较小时，透镜与工件之间的距离也缩小，在切割过程中透镜易被溅沫等熔融物质弄脏，影响切割的正常进行。
因此，要求要根据切割厚度和切割质量要求等因素综合考虑，确定适当的焦距。
（2）反射镜反射镜的功能是改变来自激光器的光束方向。
对固体激光器发出的光束可使用由光学玻璃制造的反射镜，而对CO2气体激光切割装置中的反射镜常用铜或反射率高的金属制造。
反射镜在使用过程中，为避免反射镜受光照过热而损坏，通常需用水进行冷却。
（3）喷嘴喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。
如图6－8所示为激光切割常用的喷嘴形状，而喷孔的形状有圆柱形、锥形和缩放形等。
喷嘴的选用一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等再经试验后确定。
激光切割一般采用同轴（指气流与光轴同轴）喷嘴，若气流与光束不同轴，则在切割时易产生大量飞溅。
喷嘴孔的孔壁应光滑，以保证气流的顺畅，避免因出现紊流而影响切口质量。
为了保证切割过程的稳定性，一般应尽量减小喷嘴端面至工件表面的距离，常取0．5~2．0㎜。
当用惰性气体切割某些金属时，为保护切口区金属不致因空气入侵（一般喷嘴在切割方向突然改变时常有空气卷入切割区而发生氧化或氮化，则宜使用加保护罩的喷嘴。
加玻璃绒保护罩的喷嘴结构如图6－9所示。
4．数控激光切割设备的类型
随着激光切割应用范围的日益扩大，为适应不同尺寸零件切割加工的需要，开发出许多具有不同特性和用途的切割设备。
常用的主要有割炬驱动式切割设备、XY坐标切割台驱动式切割设备、割炬－切割台双驱动式切割设备、一体式切割设备和激光切割机器人等。
（1）割炬驱动式切割设备割炬驱动式切割设备中，割炬安装在可移动式门架上并沿门架大梁横向（Y轴方向）运动，门架带动割炬沿X轴运动，工件固定在切割台上。
由于激光器与割炬分离设置，在切割过程中，激光的传输特性、沿光束扫描方向的平行度和折光反射镜的稳定性都会受到影响。
割炬驱动式切割设备可以加工尺寸较大的零件，切割生产区占地相对较小，易与其他设备组成生产流水线，但是定位精度只有±0．04㎜。
割炬驱动式切割设备的典型结构如图6－10所示。
采用CO2气体连续激光，光束从激光器传送到割炬的距离为18m。
为了保持光束直径在这一传送距离内其形状的变化不妨碍切割加工的进行，振荡器反光镜的组合应仔细设计。
割矩驱动式切割设备的主要技术参数如下：
激光器输出功率 1．5KW（单模式），3KW（多模式）
割炬行程 X轴6．2m，Y轴2．6m
驱动速度 0~10m／min（可调）
割炬高度（Z向）浮动行程 150㎜
割炬高度调节速度 300㎜／min
加工钢板最大尺寸 12㎜×2400㎜×6000㎜
控制设备 数控综合控制方式
（2）XY坐标切割台驱动式切割设备XY坐标切割台驱动式切割设备，割炬固定在基架上，工件置于切割台上。
切割台按数控指令沿X、Y方向运动，驱动速度一般为0~1m／min（可调）或0~5m／min（可调）。
由于割炬相对工件固定，在切割过程中对激光束的调准对中影响小，因此能进行均一且稳定的切割。
当切割工作台尺寸较小、机械精度较高时，定位精度为±0．01㎜，切割精度相当好，特别适合于小零件的精密切割。
另外也有采用X轴方向行程2300~2400㎜、Y轴方向行程1200~1300㎜的切割工作台来加工较大尺寸的零件。
XY坐标切割台驱动式切割设备的主要技术参数如下：
激光器 CO2气体激光（半封闭直管式）
激光电源 输入电压：
200VAC
输出电压：
0~30KV
最大输出电流：
100mA
激光输出功率 550W
切割台行程 X轴2300㎜，Y轴1300㎜
切割台驱动速度（分级可调） 0．4~5．0m／min，0．2~2．5m／min，0．1~1．3m／min，0．05~0．6m／min
割炬高度（Z向）浮动行程 180㎜
加工板材最大尺寸 6㎜×1300㎜×2300㎜
控制设备 数控方式
（3）割炬一切割台双驱动式切割设备－割炬—切割台双驱动式切割设备介于割炬驱动式与XY坐标切割台驱动式之间。
割炬安装在门架上并沿门架大梁作横向（Y向）运动，切割台沿纵向驱动，兼有切割精度高和节省生产场地的优点。
定位精度为±0．01㎜，切割速度调节范围为0~20m／min，是应用较多的一种切割设备。
其中较大的切割设备Y轴方向行程为2000㎜，X轴方向行程为6000㎜，可切割大尺寸零件。
激光振荡器和割炬一起安装在门架上，切割精度相当好。
切割圆孔精度和切割速度的关系如图6－11所示。
由图可见，采用割炬—切割台双驱动式切割设备切割圆孔的精度相当好。
而且这种设备的生产效率也很高，在厚1㎜的钢板上，每分钟能切割直径为10㎜的圆孔46个。
（4）一体式切割设备
一体式切割设备中，激光器安装在机架上并随机架纵向移动，而割炬同其驱动机构组成一体在机架大梁上横向移动，利用数控方式可进行各种成形零件的切割。
为弥补割炬横向移动使光路长度变化，通常备有光路长度调整组件，能在切割区范围内获得均质的光束，保持切割面质量的同质性。
一体式切割设备一般采用大功率激光器，适用于中厚板（6~35㎜）大尺寸钢结构件的切割加工。
表6－7列出一体式激光切割设备的加工能力。
LMX型一体式激光切割设备的主要技术参数见表6－8。
表6－7一体式激光切割设备的加工能力
激光功率／KW
1．4
2
3
6
有效切割范围／㎜
1830×7000
2440×36000
4200×36000
2600×36000
切割碳素钢最大厚度／㎜
9
16
19
40
表6－8LMX型一体式激光切割设备的主要技术参数
型号
LMX25
LMX30
LMX35
LMX40
有效切割宽度／㎜
2600
3100
3600
4100
有效切割长度／㎜
可根据用户要求（标准6m）
轨距／㎜
有效切割宽度+1700
轨道总长／㎜
有效切割宽度+4800
切割机高度／㎜
2200
割炬高度浮动行程／㎜
200
驱动方式
齿轮齿条双侧驱动方式
切割进给速度／㎜·min－1
6~5000
快速进给速度／㎜·min－1
24000
割炬上下移动速度／㎜·min－1
1200
原点返回精度／㎜
±0．1
定位精度／㎜
±0．0001
激光器（CO2气体激光器）
TF3500（额定功率3KW）或TF2500（额定功率2KW）
第二节数控五轴联动激光加工机床
一、机床的构成、运动及主要技术参数
从大的方面来说，数控五轴联动激光加工机床由机床本体部分、激光器及外光路部分、数控系统部分构成。
整个机床的外形图如图6－12所示。
其中机床本体部分由龙门架及工作台构成。
工作台上安装待加工工件，并带动工件实现纵向进给运动（X向）。
光学系统安装在龙门架上，实现光束相对于工件的横向进给运动（Y向）。
为了获得满足加工要求的光斑直径大小和合适的功率密度，必须调整聚焦光头相对于工件表面的距离，因此光学系统有一个沿Z轴方向的垂直进给运动。
除此以外，该机床还存在两个方向的旋转运动：
光束绕Z轴的旋转运动及光束绕水平轴的旋转运动。
机床的主要技术参数如表6－9所示。
表6－9数控五轴联动激光加工机床的主要技术参数
工作台尺寸（长×宽）／㎜
3000×1500
工作行程／㎜
X轴
3000
空间加工范围（长×宽×高）／㎜
3000×1500×600
Y轴
1500
工作台最大承重／㎏
10000
Z轴
800
切割速度／／㎜·min－1
0~5
A轴
±90°
快速移动速度
X轴
8m／min
C轴
±270°
Y轴
激光器功率／KW
高阶模
5
Z轴
低阶模
3
A轴
10r／min
激光光束直径／㎜
高阶模
φ37
C轴
低阶模
φ20
二、机床所能实现的功能
数控五轴联动激光加工机床可以实现下面的功能：
1）平面与三维曲面的激光热处理和表面熔覆；
2）激光切割与焊接；
3）激光切割焦点位置的自动测量与控制；
4）三维曲面激光切割的示教录返。
三、机床的工作原理
1．激光热处理与表面熔覆
一般来说，用这种设备进行热处理和表面修复的零件较重，通常直接将工件装在工作台上。
激光器输出功率为5KW、直径φ37㎜的高阶模激光束。
从激光器出来的激光束外光路图如图6－13所示。
激光束通过反射镜1、2进入Y轴方向，经过反射镜3反射后沿Z轴方向传到反射镜4后，经聚焦头上的曲面反射镜5聚焦到工件9表面，光头保持垂直，沿Y轴移动，工作台沿X轴方向可进行平面加工。
如果加上Z、C、A轴的运动就能进行三维曲面的热处理和熔覆。
2．激光切割与焊接
在图6－13所示的外光路图上，机床若换上带聚焦透镜的聚焦光头，激光器输出可达3KW、直径为φ25㎜的低阶模激光光束，通过反射镜6反射，透镜7聚焦到工件表面，机床五轴联动可进行三维曲面的切割与焊接。
3．激光切割焦点位置自动测量与控制
为了保证激光切割的质量，通常要自动检测激光焦点的位置，且自动控制光头移动使焦点相对于工件表面保持在合适的位置上。
检测装置与数控系统构成反馈回路，通过将检测到的焦点位置与程序要求的焦点位置进行比较，根据比较结果由数控系统输出信号经过放大后驱动X、Y、Z三个坐标轴移动，控制光头的位置，使其朝着位置误差减小的方向移
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