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1.概述

三維光纖激光切割機(jī)是由專用光纖激光切割頭、高精度電容跟蹤系統(tǒng)、光纖激光器和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成的先進(jìn)設(shè)備。三維機(jī)器人激光切割機(jī)設(shè)備廣泛應(yīng)用于金屬加工、機(jī)械制造和汽車零部件制造3D在有加工要求的工件生產(chǎn)中。

2.三維光纖激光切割機(jī)

（1）激光三維激光切割原理激光通過激光產(chǎn)生后，通過反射鏡傳輸，通過聚集鏡照射加工項(xiàng)目，使加工項(xiàng)目（表面）熱能強(qiáng)，溫度急劇升高，因高溫迅速熔化或蒸發(fā)，結(jié)合激光頭運(yùn)行軌跡達(dá)到加工目的。

（2）光纖的選擇根據(jù)金屬板的厚度選擇不同的光纖激光功率，三維切割光纖激光功率一般分為200W、300W、400W、500W與1000W等多種規(guī)格；對(duì)不同功率的激光器配備不同的冷卻系統(tǒng)，以保障激光器的正常工作。同時(shí)要根據(jù)機(jī)械臂的工作半徑和加工工件的大小選定合適長度的操作光纖傳輸激光，以滿足客戶切割要求。

(3)三維光纖激光切割機(jī)使用的輔助氣體需要輔助氣體99.99%氧氣對(duì)切割的精度、速度和截面效果有很大幫助。

3.三維光纖激光切割機(jī)器人的特點(diǎn)

(1)高柔性特別適合小批量三維鈑金切割。

其高柔性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是對(duì)材料適應(yīng)性強(qiáng)，激光切割機(jī)基本上可以通過數(shù)控程序切割任何板材。

第二，加工路徑由程序控制。如果加工對(duì)象發(fā)生變化，只需修改程序，這在零件修邊和切孔時(shí)尤為明顯。由于修邊模和沖孔模對(duì)其他不同零件的加工無能為力，模具成本高，目前三維激光切割有取代修邊模和沖孔模的趨勢(shì)。一般來說，三維機(jī)械加工的夾具設(shè)計(jì)及其使用比較復(fù)雜，但激光加工時(shí)不會(huì)對(duì)加工板施加機(jī)械加工力，這使得夾具的制作非常簡(jiǎn)單。此外，如果激光設(shè)備配備不同的硬件和軟件，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。

簡(jiǎn)而言之，在實(shí)際生產(chǎn)中，三維激光切割在提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約原材料等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，雖然設(shè)備成本高，一次性投資大，但許多國內(nèi)汽車和飛機(jī)制造商購買了三維激光加工機(jī)，一些大學(xué)也購買了相應(yīng)的科研設(shè)備，三維激光技術(shù)必將在中國制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

（2）光纖激光切割機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)是**個(gè)。用工業(yè)機(jī)器人代替五軸機(jī)床可以描述空間軌跡，實(shí)現(xiàn)三維切割。工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度略低于五軸機(jī)床±100μm，然而，這完全可以滿足汽車鈑金覆蓋和底盤行業(yè)的精度要求；工業(yè)機(jī)器人的使用大大降低了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的耗電成本和運(yùn)行維護(hù)成本，降低了系統(tǒng)的占地面積。

第二，與傳統(tǒng)激光相比，光纖激光切割質(zhì)量更好，系統(tǒng)成本更低，使用壽命更長，維護(hù)成本更低，功耗更低。關(guān)鍵是光纖激光器的激光可以通過光纖傳輸，便于與工業(yè)機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)靈活加工。

第三，該系統(tǒng)**的缺點(diǎn)是只能加工金屬工件，不能加工非金屬工件。這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用光纖激光，波長為10 ** nm，10 相對(duì)于波長** 0nm的CO2非金屬材料不易吸收激光。

第四，采用工業(yè)機(jī)器人+光纖激光的組合加工，一次完成修邊沖孔等工藝，切口整齊，無需后處理，大大縮短了工藝流程，降低了勞動(dòng)力成本和模具成本的投資，提高了產(chǎn)品等級(jí)和附加值。選擇離線編程軟件，通過數(shù)值模擬直接生成切割軌跡，放棄復(fù)雜的人工教學(xué)，更適合小批量、多批量維修市場(chǎng)、新產(chǎn)品試生產(chǎn)、非標(biāo)準(zhǔn)定制等個(gè)性化切割需求。三種加工方法，如附表所示。

第五，先進(jìn)的光纖激光技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)的**結(jié)合，代表了**進(jìn)的激光切割水平；專業(yè)的激光切割機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)操作，可以保證切割質(zhì)量，使切割工作更方便，操作更簡(jiǎn)單；配置智能機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)三維切割，操作方便，智能程度高，確保設(shè)備高速、高精度、高可靠性；激光切割頭配備進(jìn)口激光切割頭，反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確，與機(jī)械手有效配合，避免切割頭與加工板碰撞，確保切割焦點(diǎn)位置，確保切割質(zhì)量穩(wěn)定；激光切割頭可承受1.0MPa氣壓、高壓氣路設(shè)備，提高了不銹鋼等難切材料的切割能力。

4.三維光纖激光切割機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)三維切割系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

一是切割速度快，是同類產(chǎn)品的兩倍。

二是切割精度高。系統(tǒng)重復(fù)定位精度高達(dá)±100um。

第三，可切割<φ2mm小圓，切割效果光滑美觀，目測(cè)無形變和毛刺。單個(gè)小圓的切割時(shí)間可以控制在2s內(nèi)。

第四，選擇臂長2.01m除了實(shí)現(xiàn)直徑達(dá)到的機(jī)械手3m除了半球形三維加工區(qū)，還可以實(shí)現(xiàn)3m×1.5m二維平面切割。

第五，根據(jù)實(shí)際需要選擇離線編程軟件，可讀取UG、SolidWork等待三維軟件導(dǎo)出格式的數(shù)模，修改后直接生成切割軌跡，而不是人工教學(xué)，簡(jiǎn)單易用。

（2）采用IPG光纖激光器和激光電源激光器性能穩(wěn)定，可以安全保證產(chǎn)品的整體質(zhì)量。光纖激光器具有散熱面積大、光束質(zhì)量好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，與大型氣體激光器和固體激光器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(3)美國進(jìn)口的激光切割頭采用美國進(jìn)口的激光切割頭，通過機(jī)械手編程控制，保持**焦距，保證**切割效果，避免不均勻時(shí)焦距變化引起的材料報(bào)廢。

（4）機(jī)械手控制系統(tǒng)采用機(jī)械人控制系統(tǒng)，可為各部件提供全方位的機(jī)器人生產(chǎn)解決方案。具有可靠性強(qiáng)、速度快、精度高、功率大、耐久性強(qiáng)、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

其運(yùn)行速度更快，廢品率更低，在擴(kuò)大產(chǎn)能、提高效率方面發(fā)揮著重要作用。其高精度是專利的TrueMoveTM實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制軟件。IRB2600采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)身緊湊輕便，節(jié)拍時(shí)間可比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)減少25%。QuickMoveTM運(yùn)動(dòng)控制軟件使其加速度達(dá)到同類**，并實(shí)現(xiàn)速度**化，從而提高產(chǎn)能與效率。IRB2600工作范圍大，安裝方法靈活，可輕松直接到達(dá)目標(biāo)設(shè)備，不干擾輔助設(shè)備。優(yōu)化機(jī)器人安裝是提高生產(chǎn)效率的有效手段。在模擬**工藝布局時(shí)，靈活的安裝方法更方便。IRB2600底座可以更靠近目標(biāo)設(shè)備，從而縮小整個(gè)工作站的面積。小底座也為下臂的正下操作創(chuàng)造了有利條件。

5.三維光纖激光切割機(jī)器人的應(yīng)用

廣泛應(yīng)用于汽車和摩托車行業(yè)，包括電動(dòng)自行車和頭盔領(lǐng)域：如車身蓋、方向盤孔、車身擋風(fēng)板、車頂蓋支架孔、安全氣囊部件、液壓成型部件等。三維激光切割在車身組裝后的加工也非常有用，如行李架固定孔、頂蓋滑軌孔、天線安裝孔、車輪擋泥板形狀修改等。

未來，三維激光加工技術(shù)將向高精度、高速度、高靈活性、低成本、智能化、高集成化方向發(fā)展。我國激光三維切割技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)仍存在較大差距。首先，它體現(xiàn)在設(shè)備的開發(fā)上，缺乏高光束質(zhì)量的高功率激光器。目前，我國各地的三維激光切割設(shè)備大多從國外高價(jià)進(jìn)口；其次，理論研究存在一定差距，主要集中在三維零件空間軌跡的實(shí)現(xiàn)和三維零件的切割過程中-材料-氣體之間的交互作用，即3D激光切割機(jī)制沒有進(jìn)行深入研究，早在20世紀(jì)70年代，國外就開始提出其模型。因此，該技術(shù)仍有許多地方值得進(jìn)一步研究和發(fā)展。