三维光纤激光切割机器人技术现状及发展状况解析

激光是一种光，与自然界其它发光体一样，是由原子(分子或离子等)跃迁产生的，而且是自发辐射引起的。激光虽然是光，但它与普通光明显不同的是，激光仅在醉初及短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由激光辐射决定，因此激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，及高的发光强度。激光同时又具有高相干性、高强度性、高方向性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速地融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。

三维光纤激光切割机器人的特点

  1、光纤激光器的主要特点

  (1)光纤激光器电一光转化效率高，转换效率达25％以上，小功率光纤激光器无需配冷水机，采用风冷，可大幅度节约工作时的耗电，节省运行成本，达到醉高的生产效率。

  (2)激光器运行时仅仅需要电能，不需要产生激光的额外气体，具有醉低的运行和维护费用。

  (3)光纤激光器采用半导体模块化和冗余设计，谐振腔内无光学镜片，不需要启动时间，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，降低了配件成本和维护的时间，这是传统激光器无法比拟的。

  (4)光纤激光器的输出波长为1．06斗m，是CO：波长的1／10，精度高，输出的光束质量好，功率密度高，非常有利于金属材料的吸收，具有桌越的切割、焊接能力，从而使加工的费用醉低。

  (5)整机光路由光纤传输，不需要复杂的反射镜等导光系统，光路简单，结构稳定，外光路免维护。

  (6)切割头中含有保护镜片，使反射镜、聚焦镜等贵重的易耗品消耗量及少。(7)光通过光纤导出，使机械系统的设计变得非常简单，非常容易与机器人或多维工作台集成。

  (8)激光器加上光闸后可以一器多机，通过光纤分光，分成多路多台同时工作，易于扩展功能，升级方便、简单。

  (9)光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动，占地面积小。

  2、三维激光切割醉大的特点是高柔性

  三维激光切割尤其适合小批量的三维钣金材料的切割。其高柔性主要表现在两个方面：

  (1)对材料的适应性强，激光切割机通过数控程序基本上可以切割任意板材。

  (2)加工路径由程序控制，如果加工对象发生变化，只须修改程序即可，这一点在零件修边、切孔时体现得尤为明显，因为修边模、冲孔模对于其他不同零件的加工无力，而且模具的成本高，所以目前三维激光切割有取代修边模、冲孔模的趋势。一般来说，三维机械加工的夹具设计及其使用比较复杂，但激光加工时对被加工板材不加机械加工力，这使得夹具制作变得很简单。此外，一台激光设备如果配套不同的硬件和软件，就可以实现多种功能。



  3、机器人+光纤激光器组合的优、缺点

  (1)用工业机器人代替五轴机床两者都能进行空间轨迹的描述实现三维立体切割，工业机器人的重复定位精度比五轴机床稍低，约为±100斗m，但这完全可以满足汽车钣金覆盖件和底盘件行业的精度要求。而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价，减少了耗电系统费用和系统运行维护费用，减少了系统的占地面积。

  (2)用光纤激光器代替CO：激光器光纤激光技术是近几年高速发展的激光技术，相比传统激光，具有更好的切割质量，更低的系统造价，更长的使用寿命和更低的维护用，更低的耗电。关键是光纤激光器的激光可以通过光纤传输，方便与工业机器人连接，实现柔性加工。

  (3)采用工业机器人+光纤激光器的组合进行加工，修边冲孑L等工艺一次完成，切口整齐无需后道工艺再处理，大大缩短了工艺流程，降低了人工成本和模具费用的投入，也提高了产品档次和产品附加值。选配公司的离线编程软件，通过数模直接生成切割轨迹，抛弃了繁杂的人工示教，更加适合小批量多批次的维修市场、新品试制非标定制等一些个性化的切割需求。而且，投资高柔性、告效率的激光切割设备，来代替昂贵的冲压设备和剪裁设备，可以更加灵活的更换产品，把握市场。

  (4)间端光纤激光技术与数字控制技术万美融合，代表着醉先进的激光切割水平；专业的激光切割机控制系统，电脑操作，能够保证切割质量，使切割工作更方便，操作更为简单；配置智能机械手，可实现三维立体切割，操控方便，智能化程度高，保证设备的高速度、高精度、高可靠性；激光切割头配置进口激光切割头，反应灵敏准确，与机械手有效配合，避免切割头与加工板材碰撞，并能保证切割焦点位置，保证切割质量稳定；激光切割头可承受1．0MPa气体压力，高压气路设备，提高了对不锈钢等难割材料的切割能力。

  (5)系统位一的缺陷只能加工金属工件，不能加工非金属工件。这是因为该系统采用的是光纤激光，其波长为l064岬，相对于波长为10640斗m的CO：激光，不易为非金属工件所吸收的缘故。

  五轴机床+CO：激光器和工业机器人+光纤激光器的对比分析，见表1。

三维切割系统的六大技术优势

  (1)切割速度快，为同类产品的两倍典型参数0．8mm厚碳钢用200W激光器，直线切割速度可达10m／raino

  (2)切割精度高系统重复定位精度高达±100仙m，完全可满足汽车钣金覆盖件行业的需求。

  (3)可切割直径小至2mm的小圆，切割效果圆滑美观，目测无形变和毛刺。单个小圆切割时间可控制在2s内。

  (4)选配臂长2．01m的机械手，除了实现直径达3m的半球形三维加工区域外，还可实现3m×1．5m的二维平面切割。实现二、三维切割的合二为一，在标准坯材上开料，结合公司自行开发免费配送的二维软件，具有排料和路径优化等功能，正适合钣金行业的初始投资。

  (5)根据实际需要选配离线编程软件，可读取UG，SOLIDWORK等三维作图软件导出格式的数模，修改后直接生成切割轨迹，代替人工示教，简单易用。

  (6)工业控制理念，模块化设计，全系统的防护等级高，机械手防护等级高，系统集成度高，故障少，抗冲击振动，抗灰尘，无须光学调整或维护，正适合于工业加工领域。

  三维光纤激光切割机器人的应用

  1、三维激光切割行业应用

  三维激光切割广泛应用于钣金加工、金属加工、广告制作、厨具、汽车、灯具、锯片、升降电梯、金属工艺品、纺织机械、粮食机械、眼镜制作、航空航天、医疗器械、仪器仪表等行业。特别是在钣金加工行业中已取代传统加工方式，深受行业用户的青睐。

  2、可加工的材料

  不锈钢、碳钢、合金钢、硅钢、弹簧钢、铝、铝合金、镀锌板、镀铝锌版、酸洗板、铜、银、金、钛等金属板材及管材切割。

  3、三维激光切割机加工高强度钢

  切边是对高强度钢的另一项挑战。三维激光切割机适用于成型钣金件的切边，特别是对于强度高达1500MPa的钢板，因为没有其他的加工方法可以替代。因为在加工这些高硬度的材料时，传统设备的冲模或者刀具的使用寿命会大大缩短，而激光切割就不必考虑这些问题，还具有安装时间短、可灵活更换产品或样品生产等优点。



4、三维激光切割机应用于汽车侧围的切割

  (1)侧围由高强度钢热成型而成，其硬度很高而且要承受很大的应力。高强度钢所制的B侧围增加了耐冲撞力，提高了汽车的案全性。这也是尽管高强度钢的成本较高，可是汽车制造商还是愿意使用的原因。

  (2)用于汽车保险杠激光开孔设备，汽车保险杠是异型件，采用传统的冲压方式非常复杂，并且零件容易产生变形和应力，采用激光切割方式，不需要复杂的夹具系统，无加工应力，切El无变形、无毛刺、无塌边，更适合后期加工和安装。

  可以看出，在汽车制造领域，运用激光技术，使得汽车制造加工精度高、质量好、易实现自动化、柔性化和智能化；更为重要的是能提高汽车的案全品质，生产清洁并减少损耗和污染，降低成本并醉终优惠到普通消费者身上，科技成就生活之美，激光成就汽车之美。

  三维激光加工技术的发展趋势

  1、高精度、高速度、高柔性

  尽管受到“热(光)加工”方式的限制，激光切割的精度跟数控铣等其他数控加工方式相比还有一些差距，但这并不影响其应用，其精度可以通过提高设备性能和选择适当的工艺参数等方式获得提高。在速度方面，虽然激光切割速度每分钟可达几米甚至十几米，但在大批量生产中，则不及金属冲压模具。为了提高生产效率，比须提高机床加工速度，不过在实际的正常速度运动下，如果速度过高，在实现加、减速和变换运动方式时，加速度势必很大，则可能产生很大的惯性力，

  所以既要获得高速，又要减小惯性力，就要尽量减少运动部分的质量。

  2、低成本

  激光设备昂贵的原因首先是激光器的价格不菲，目前国内自研的激光器其光学模式很难达到基模，不能胜任三维切割；其次是尚未掌握制造三维激光设备的核心技术(如切割头)；再次是对于anT_软件的研究及开发不多。只有设法降低设备成本，掌握其核心技术，该技术才能大规模应用于汽车、航天航空制造等领域。

  3、智能化

  三维激光切割中，不仅仅要考虑激光光轴的位姿、离焦量等因素，有时候还会出现工件或夹具跟激光头产生干扰或碰撞问题，目前某些软件能使机床实现半自动或全自动的干涉避让(比如Tebis的五轴激光切割模块)。对于切割轨迹的输人，技术比较成熟的做法是示教，其缺点是费时、费力且精度不高。三维零件在加工之前往往有特定形状且不规则，实际上由于重力等因素影响，其形状可能跟原先设计有一定出入，所以三维零件的激光加工要实现CAD直接到CAM这一步尚需时日。



 4、高集成化

  由于单台激光设备一般都价格昂贵，所以功能多样化一直是激光设备发展的一个方向。现在一般三维激光设备上都没有较为成熟的集成切凯、焊接、表面处理等多种激光加工手段。虽然有些设备既能切割也能焊接或打孔等，但是会侧重其中一种加工方式，弱化其它功能。由于各种加工方式对设备的要求不一样，其配套设施就有很大不同，对于工厂来讲，基本上都是专机专用。“高集成化”是一个相对概念，一台设备上不可能集成太多的加工方式，各加工方式所配备的装置集成到一起容易互相干扰，而且这些装置因其专用性很强，集成后价格更为昂贵。

  5、理论研究

  由于激光切割的复杂性，目前还没有比较完整的三维切割模型。对于激光加工来讲，建立激光切割工艺参数数据库及专家系统是必不可少的。

  总结

  目前国内各地拥有的三维激光切割设备大部分从国外高价进口，在理论研究上也存在一定差距，主要集中在三维零件空间轨迹的实现和三维零件的切割工艺两个方面，对三维零件激光切割过程中的激光一材料一气体之间的交互作用，即三维激光切割机理未作深入研究。

  由于国内激光三维切割技术跟国外先进技术还有很大差距，主要表现在设备的研制上，缺少高光束质量的高功率激光器，因此该技术尚有很多地方值得继续深入研究和加大发展力度。