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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(guò)激光產(chǎn)生后，通過(guò)反射鏡傳輸，通過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(kāi)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(guó)內(nèi)汽車和飛機(jī)制造商購(gòu)買了三維激光加工機(jī)，一些大學(xué)也購(gòu)買了相應(yīng)的科研設(shè)備，三維激光技術(shù)必將在中國(guó)制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)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(zhǎng)，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(guò)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(zhǎng)為10 ** nm，10 相對(duì)于波長(zhǎng)** 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(wú)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(guò)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(wú)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(zhǎng)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(guó)進(jìn)口的激光切割頭采用美國(guó)進(jìn)口的激光切割頭，通過(guò)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?yè)躏L(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(lái)，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(guó)激光三維切割技術(shù)與國(guó)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(kāi)發(fā)上，缺乏高光束質(zhì)量的高功率激光器。目前，我國(guó)各地的三維激光切割設(shè)備大多從國(guó)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(guò)程中-材料-氣體之間的交互作用，即3D激光切割機(jī)制沒(méi)有進(jìn)行深入研究，早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就開(kāi)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。