【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動態(tài)】三維五軸光纖激光切割機床被視為高功率激光加工設(shè)備皇冠上的明珠，其主要應(yīng)用于三維異形曲面的切孔和修邊，用于代替沖孔模和修邊模。早期，國內(nèi)采用手工等離子切割三維工件，切割效果不理想。近幾年國內(nèi)開發(fā)了機器人三維激光切割機，切割效果有一定的提升，但是受制于機器人的精度不高，切割精度不高，只是在一些要求不高的行業(yè)得到了一些應(yīng)用。而在汽車沖壓模具行業(yè)中試模，對切割精度要求較高，三維五軸光纖激光切割機床因其生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定等特點受到歡迎，但主要市場被國外設(shè)備所壟斷，如德國Trumpf(通快)、意大利Prima(普瑞瑪)、日本NTC、Mitsubishi(三菱)等公司。三維五軸光纖激光切割機產(chǎn)品圖如圖1所示。
 

圖1 三維五軸光纖激光切割機產(chǎn)品
 

　　一、技術(shù)發(fā)展背景
 

　　三維五軸光纖激光切割機是集光、機、電、氣一體化的機床裝備，應(yīng)用于汽車行業(yè)、模具行業(yè)、軍工及航空航天行業(yè)、家用電器行業(yè)以及異型管材類切割，主要適用于曲面薄板類的金屬切割。
 

　　三維五軸激光切割技術(shù)在90年代就已經(jīng)開始研制，研制及生產(chǎn)廠家僅有德國Trumpf、意大利Prima兩家，市場基本上被這兩家壟斷。在2008年后，日本NTC、Mitsubishi研制開發(fā)了低加速度、低速度、高精度的工作臺移動式的三維五軸CO2激光切割機。但一直以來，三維五軸激光切割機主要用于研發(fā)及小批量試制，對沖壓成形的三維零件進行修邊、切孔，取代傳統(tǒng)的修邊模和沖孔模，縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，降低制造成本，所以每年的市場銷量較少。在中國市場，一般一年的市場需求量在30-40臺左右。
 

　　但是由于汽車熱成形技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，改變了市場需求量少的狀況，一條汽車熱成形生產(chǎn)線一般配備4-5臺三維五軸激光切割機，市場需求呈爆炸式發(fā)展。截止目前，有近450條汽車熱成形生產(chǎn)線，跟隨配套生產(chǎn)的三維五軸激光切割機約有2000臺套。國內(nèi)有近170條熱成形生產(chǎn)線，跟隨配套生產(chǎn)的三維五軸激光切割機約有700臺套。
 

　　鋼板熱成形技術(shù)是指將鋼板經(jīng)過950℃的高溫加熱之后一次成形，又迅速冷卻，從而全面提升鋼板強度，屈服強度達(dá)1000Mpa以上，用在車身上后，車重沒有增加，但承受力提高了30%，安全性能顯著提高。由于鋼板強度太高，傳統(tǒng)的修邊模和沖孔模因鋼板高強度問題無法進行修邊和沖孔，只能使用激光進行生產(chǎn)，從而使三維五軸激光切割產(chǎn)品進入汽車批量生產(chǎn)線，成為不可替代的生產(chǎn)工藝及工序。
 

　　普通鋼板的屈服強度在140Mpa，適用于旅游觀光車、纜車；高強度鋼板的屈服強度在180-240Mpa，適用于卡車、叉車、客車、挖機、農(nóng)機等；高強度鋼板的屈服強度在260-320Mpa，適用于經(jīng)濟型轎車，經(jīng)濟型SUV車；超強度鋼板的屈服強度在340-700Mpa，適用于型轎車，型SUV車；而熱成形鋼板的屈服強度超過1000Mpa以上，一般熱成形鋼板的屈服強度在1500Mpa左右。目前，材料廠家正在研制熱成形鋼板的屈服強度在2000Mpa左右，越來越超高強度鋼板被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，這使得三維五軸激光切割機產(chǎn)品越來越得到更多的應(yīng)用。
 

　　二、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
 

　　目前，生產(chǎn)三維五軸激光切割機主要廠家有德國Trumpf，意大利Prima，日本NTC、Mitsubishi，中國大族激光、華工。Trumpf、Prima由于生產(chǎn)較早，產(chǎn)品成熟，性能穩(wěn)定，市場客戶認(rèn)可度極高。日本NTC、Mitsubishi 兩家公司只生產(chǎn)低速度、低加速度的三維五軸CO2激光切割機，其生產(chǎn)效率較低，能耗較高(CO2激光器相比光纖激光器能耗非常高)，無法滿足汽車熱成形生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的要求。大族激光攻破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，既生產(chǎn)低速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機，又生產(chǎn)高速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機，技術(shù)緊跟Trumpf、Prima，成為目前市場上三維五軸光纖激光切割性價比很高的產(chǎn)品，解決了三維五軸光纖激光切割機關(guān)鍵核心技術(shù)：
 

　　1．機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及動態(tài)設(shè)計
 

　　對整機結(jié)構(gòu)進行CAE有限元分析，結(jié)合動、靜態(tài)剛度，靜態(tài)強度，熱特性進行分析，得到整機佳的剛度場與溫度場，經(jīng)過反復(fù)測試及驗證，進行設(shè)計改進，分析理論值與實際測試值數(shù)據(jù)的差異化的因素，當(dāng)理論值與實際測試值數(shù)據(jù)基本吻合，終獲得整機既經(jīng)濟又輕量的結(jié)構(gòu)設(shè)計。機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及動態(tài)設(shè)計方框圖與機床結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
 

圖2 機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及動態(tài)設(shè)計方框圖與機床結(jié)構(gòu)圖
 

　　2．提高動態(tài)性能和穩(wěn)定性
 

　　對高速度、大慣量、大尺寸的部件進行CAE有限元模態(tài)分析，對結(jié)合面阻尼、局部剛度、質(zhì)量分布進行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改進及優(yōu)化，經(jīng)過反復(fù)測試驗證，獲取動態(tài)性能和穩(wěn)定性良好的移動部件，確保產(chǎn)品的動態(tài)性能與穩(wěn)定性。提高動態(tài)性能和穩(wěn)定性方框圖與模態(tài)分析圖分別如圖3 、圖4所示。
 

圖3 提高動態(tài)性和穩(wěn)定性方框圖與模態(tài)分析圖
 

圖4 模態(tài)分析數(shù)據(jù)圖
 

　　3．提高高速度、高精度定位
 

　　對電機及伺服進給驅(qū)動系統(tǒng)進行測試及有限元分析，結(jié)合定位精度、響應(yīng)速度、熱特性、電機剛性進行分析及優(yōu)化，并跟蹤特性分析，對數(shù)控系統(tǒng)多軸聯(lián)動進行誤差補償，獲得高速度，高精度定位。伺服驅(qū)動系統(tǒng)分析方框圖如圖5所示。
 

圖5 伺服驅(qū)動系統(tǒng)分析方框圖
 

　　4．解決無限旋轉(zhuǎn)三維切割頭核心技術(shù)
 

　　精密的光學(xué)計算，制定系統(tǒng)幾何的空間算法，研制360°無線旋轉(zhuǎn)三維切割頭，自主創(chuàng)新，擁有核心技術(shù)，是繼德國Trumpf、意大利Prima、德國LT后，第四家能夠生產(chǎn)360°無線旋轉(zhuǎn)三維切割頭的廠家，打破了國外技術(shù)壟斷。360°無線旋轉(zhuǎn)三維五軸切割頭如圖6所示。
 

圖6  360°無線旋轉(zhuǎn)三維五軸切割頭
 

　　對三維五軸切割頭產(chǎn)品，解決如下關(guān)鍵及核心技術(shù)：
 

　　(1)三維五軸無限旋轉(zhuǎn)切割頭水、氣、光通路的密封
 

　　三維五軸切割頭加工時運動軌跡較為復(fù)雜，通過C軸(無限旋轉(zhuǎn))機械傳動部分傳輸?shù)墓艿烙泄饴贰⑺贰饴贰㈦娦盘柾贰Ｓ捎贑軸為無限旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，上述通道無法采用管道式的結(jié)構(gòu)，需設(shè)計特定的旋轉(zhuǎn)式通道結(jié)構(gòu)傳輸。隨之而來的問題就是要解決運動通道水、氣、光的動密封性。為突破此重大障礙，在多種備選設(shè)計方案中選擇水、氣、光、電各通道獨立傳輸?shù)男D(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)；針對C軸各旋轉(zhuǎn)傳輸通路對密封元件技術(shù)要求，開發(fā)以新型材料為基礎(chǔ)設(shè)計的旋轉(zhuǎn)通道密封元件，元件設(shè)計充分地考慮了耐磨性、密封性和元件與管道動摩擦力等綜合因素的平衡；結(jié)合理論與經(jīng)驗的指導(dǎo)適當(dāng)調(diào)整密封元件與被密封通路的公差配合，成功地實現(xiàn)集成多個密封傳輸通道的高速無限旋轉(zhuǎn)C軸部件。經(jīng)過大量實驗驗證自主研發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)密封元件性能已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。
 

　　(2)三維切割頭高速旋轉(zhuǎn)下電信號抗干擾屏蔽技術(shù)
 

　　采用傳統(tǒng)的線纜在旋轉(zhuǎn)軸中傳輸電信號會因軸的旋轉(zhuǎn)將線纜纏繞甚至拉扯斷裂，多路電信號同時在間距較小的空間內(nèi)傳輸也會有信號互相串?dāng)_的風(fēng)險。為了避免此類問題并保證多路電信號的抗電磁干擾傳輸，根據(jù)多路電信號通路的技術(shù)規(guī)格，獨特電滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計，突破多路電信號在高速旋轉(zhuǎn)軸上的抗干擾傳輸。
 

　　5．在線修改軟件技術(shù)
 

　　大族自行開發(fā)的HANS 3DEDIT在線修改程序軟件，修改程序尺寸更加方便、快捷，換件速度快，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在線修改軟件如圖7所示。
 

圖7 在線修改軟件
 

　　6．基于具備RTCP功能數(shù)控三維五軸光纖切割系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)研究
 

　　(1)研究三維五軸光纖激光切割裝備硬件集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析具備RTCP功能數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件接口，設(shè)計三維五軸光纖激光切割中各加工部件的系統(tǒng)集成控制方案。
 

　　(2)研究RTCP功能數(shù)據(jù)。三維五軸光纖激光切割系統(tǒng)由三大功能塊組成，分別是加工控制模塊、離線編程模塊以及激光切割工藝數(shù)據(jù)庫。結(jié)合加工裝備的硬件集成，面向三維五軸光纖激光切割工藝的軟件二次開發(fā)，給予PC工控平臺設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)控制類函數(shù)，開發(fā)三維五軸光纖激光切割控制應(yīng)用程序接口，實現(xiàn)三維五軸光纖激光切割機床運動控制以及工藝調(diào)節(jié)等功能。
 

　　(3)基于三維空間映射對三維五軸激光加工機床進行運動學(xué)分析，同時設(shè)計切割頭運動仿真。
 

　　(4)開發(fā)基于HMI的PC平臺的數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合功能需求利用SQL進行數(shù)據(jù)庫的具體功能設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的修改、添加、查詢、瀏覽以及刪除等功能。
 

　　7．三維復(fù)雜曲面激光切割工藝的研究
 

　　(1)分析外光路模式，對光路進行整形補償，確保佳切割光束模式，開發(fā)三維五軸激光切割專用工藝控制軟件。
 

　　(2)研發(fā)快速穿孔、切割狀態(tài)控制反饋技術(shù)，同時開發(fā)碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割小孔、高功率光纖氮氣切割中薄板碳鋼工藝方法、復(fù)雜圖形及圖片處理與應(yīng)用等工藝方法，攻克復(fù)雜圖形及小輪廓加工的工藝技術(shù)難題。
 

　　(3)研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、轉(zhuǎn)角的激光切割方法。對三維覆蓋件誤差補償、三維覆蓋件拐角切割質(zhì)量控制和平板上尖角切割質(zhì)量的控制方法進行研究。
 

　　(4)開發(fā)基于CC編譯循環(huán)的Z軸仿形控制技術(shù)，圖形預(yù)覽及軌跡同步顯示技術(shù)，基于圖形預(yù)覽的靈活介入和靈活補切技術(shù)，基于快速響應(yīng)激光脈沖方波PWM發(fā)生器的激光脈沖頻率與占空比、激光功率實時坡度調(diào)節(jié)技術(shù)。
 

　　解決三維件拐角過燒，厚板尖角過熔和極限小孔切割，薄板的快速穿孔等工藝難題，建立完善的激光切割工藝專家數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)大輪廓、小輪廓、拐角、標(biāo)準(zhǔn)圖形等激光切割工藝參數(shù)的自動調(diào)用。
 

　　三、技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展趨勢
 

　　1．技術(shù)發(fā)展趨勢
 

　　伴隨三維五軸激光切割技術(shù)越來越先進及進步，性能及功能越來越強大，技術(shù)發(fā)展趨勢如下：
 

　　(1)高加速度、高速度：產(chǎn)品加速度越來越高，產(chǎn)品速度越來越快，生產(chǎn)效率越來越高；
 

　　(2)高切割速度、高精度：切割速度快生產(chǎn)效率才能高，生產(chǎn)成本才能降低；高的定位速度及高的重復(fù)定位精度，才能有高的切割精度，才能滿足日益提高的產(chǎn)品質(zhì)量需求；
 

　　(3)自動化、智能化：人工成本日益增高，產(chǎn)品需要向高自動化、高智能化方向發(fā)展；一方面高自動化可以減少人力，節(jié)約成本；另一方面，高智能化致使機器裝備技術(shù)操作簡單，對人員技術(shù)的依賴較小，簡單、易學(xué)，也可降低成本。
 

　　2．應(yīng)用發(fā)展趨勢
 

　　一方面，產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化改進，產(chǎn)品價格不斷下降，致使越來越多的用戶都可以買得起，基本上能夠采用三維五軸激光切割的工序，優(yōu)先采用，取代傳統(tǒng)的加工方法。
 

　　另一方面，三維五軸激光切割技術(shù)促進產(chǎn)品個性化設(shè)計，工程設(shè)計師可以發(fā)揮個性化的設(shè)計，設(shè)計出更加精美的產(chǎn)品，不再受傳統(tǒng)加工方式的制約。
 

　　再有，熱成形技術(shù)進入汽車行業(yè)，促使三維五軸激光切割機成為汽車生產(chǎn)工序上不可替代的工序，隨著越來越多的車型采用熱成形技術(shù)，越來越多的三維五軸激光切割機進入汽車生產(chǎn)線。目前，只有車在使用，但隨著技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟型車、新能源車也會采用熱成形技術(shù)。據(jù)汽車行業(yè)調(diào)研分析，今后汽車更新?lián)Q代將更加快速，過去一個車型生產(chǎn)上百萬輛的時代已經(jīng)成為歷史。單一車型的數(shù)量逐步在下降，模具的成本非常高，三維五軸激光切割機就會體現(xiàn)較低的使用成本從而順應(yīng)時代發(fā)展需求。
 

　　綜上所述，在汽車行業(yè)，特別是在汽車熱成形行業(yè)中，隨著三維五軸激光切割不斷應(yīng)用與發(fā)展，汽車制造技術(shù)水平越來越先進、生產(chǎn)效率越來越高，不僅可以解決汽車熱成形高強鋼強度大的問題，還能促進汽車個性化設(shè)計發(fā)展。