激光切割相對于傳統(tǒng)的刀具加工,有速度快、非接觸等一系列的優(yōu)點,從上世紀70年代開始就進入了大規(guī)模的行業(yè)應用。目前,在鈑金、制衣制鞋等行業(yè),激光平面切割工藝大大地彌補了模具沖裁工藝的加工不足,實現(xiàn)了傳統(tǒng)行業(yè)的工藝革新。如今,曲面激光切割技術又提上了應用日程,在汽車內飾件加工過程中注塑工藝殘留的飛邊、五金件澆注過程殘留的水口、沖壓件的飛邊、箱包行業(yè)中的吸塑件孔的切割等等都是曲面激光切割工藝的市場需求。
激光器大致有三種,光纖激光器、射頻管激光器和玻璃管激光器。只有光纖激光器可以通過光纖傳送,也只有它才方便地與六軸的工業(yè)機器人配套實現(xiàn)曲面切割。但機器人的示教編程繁、加工范圍小,一般要和變位機配套使用,這種方案多在汽車等高附加值的行業(yè)中應用,在傳統(tǒng)的制造行業(yè)里難以推廣。
圖1 機器人曲面切割方案
射頻管激光器和玻璃管激光器都是屬于二氧化碳激光器,在非金屬激光加工行業(yè)里有廣泛的應用。但他們只能采用反射鏡傳導光路,難以和六軸機器人配合使用,所以研發(fā)適用于反射鏡光路的五軸激光切割機,是曲面激光切割工藝進入傳統(tǒng)行業(yè)的關鍵。
五軸激光切割機方案
五軸激光切割機方案有三種。
第一,固定工作臺,激光經(jīng)X、Y、Z三軸反射鏡后進入AC旋轉激光頭出光,這種方案工作臺靜止,適合大型工件加工,但它的光路長,光路技術要求高,光功率衰減大;
第二,雙回轉工作臺,激光經(jīng)X、Y、Z三軸反射鏡后出光,這種方案工作臺要在A、C方向回轉,適合小型工作加工,其優(yōu)點是光路短、實現(xiàn)方便。
第三,工作臺在Y方向移動,激光經(jīng)X、Z、AC旋轉激光頭出光,它和第一種方案類似,第一方案是動梁,第三種方案是靜梁,適合于長行程工況,也就是典型的五軸激光加工機方案。
圖2 典型的五軸激光加工機
五軸激光切割機的關鍵技術
五軸激光切割機的關鍵技術包括精密機械技術、激光光路技術、曲面切割編程技術、標定技術。
精密機械技術:
第一,精密三坐標運動平臺技術,影響精度的因素不僅僅是激光切割機的精度,更多的是激光光路的傳導要求運動平臺的直線度、垂直度。
第二,雙回轉工作臺(或AC回轉激光頭)的精密機械技術,事實上,精密回轉臺的精度除制造精度外,零間隙的減速機是關鍵。
圖3 精密回轉工作臺
圖4 精密AC激光頭
激光光路技術:
激光光路的技術問題在于反射鏡的安裝與調試技術。大行程的激光切割機,光路長,反射鏡在工作中由于溫度變化,角度會隨之改變,特別是前端的反射鏡角度變化,光路到后端的偏離更大,可能導致無法出光,甚至燒壞激光頭。激光光路的調試也是關鍵問題,AC回轉激光頭是封閉的,光路調式要設計專門工具才能實現(xiàn)。
圖5 AC回轉激光頭光路
曲面切割編程技術:
五軸編程有示教與離線編程兩種,五軸數(shù)控程序和設備結構與尺寸相關,一定要有編程與仿真軟件,才能實現(xiàn)編程。而激光曲面加工行業(yè)中,常常設有曲面的3D數(shù)據(jù)模型,因此示教與離線編程結合的編程模式創(chuàng)新,是解決這個問題的出路。
圖6 大族粵銘智能裝備公司的離線編程系統(tǒng)
標定技術:
精密機械的精度取決于制造技術與裝配技術,五軸激光切割機和五軸加工中心類似,它需要精密的標定技術,才能通過控制補償消除制造與裝配誤差。五軸加工中心已經(jīng)有相應的標準和工具實現(xiàn)標定,五軸激光切割機的激光頭不受力,且精密小巧,雙頻激光干涉儀的測量傳感器無法安裝,必須另行設計標定方法與標定元件,才能實現(xiàn)五軸激光切割機的精密標定。
大族粵銘智能裝備公司與暨南大學機器人智能技術研究院合作研發(fā)的五軸激光切割機如圖7所示。
圖7 SGF050403-A五軸激光切割機