三維五軸光纖激光切割機(jī)床被認(rèn)為是高功率激光加工設(shè)備皇冠上的珍珠，主要用于三維異形曲面的切割和邊緣修復(fù)，以取代沖孔模具和邊緣修復(fù)模具。早期，我國(guó)采用手工等離子體切割三維工件，切割效果不理想。近年來，我國(guó)開發(fā)了機(jī)器人三維激光切割機(jī)，切割效果有所提高，但由于機(jī)器人精度低，切割精度低，但在一些要求低的行業(yè)得到了一定的應(yīng)用。在汽車沖壓模具行業(yè)，切割精度要求較高，三維五軸光纖激光切割機(jī)床因其生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定而受歡迎，但主要市場(chǎng)被德國(guó)等國(guó)外設(shè)備壟斷Trumpf(快)，意大利Pri ** (普瑞瑪)，日本NTC、Mitsubishi(三菱)等公司。三維五軸光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品圖如圖1所示。

圖1 三維五軸光纖激光切割機(jī)產(chǎn)品

一、技術(shù)發(fā)展背景

三維五軸光纖激光切割機(jī)是集光、機(jī)、電、氣于一體的高端機(jī)床設(shè)備。主要用于汽車工業(yè)、模具工業(yè)、軍工航空航天工業(yè)、家電工業(yè)和異型管道切割。

自20世紀(jì)90年代以來，三維五軸激光切割技術(shù)已經(jīng)開開發(fā)和制造商中Trumpf、意大利Pri ** 市場(chǎng)基本上被這兩個(gè)壟斷了。2008年以后，日本NTC、Mitsubishi開發(fā)了低加速度、低速度、高精度工作臺(tái)移動(dòng)三維五軸CO2激光切割機(jī)。但長(zhǎng)期以來，三維五軸激光切割機(jī)主要用于研發(fā)和小批量試生產(chǎn)，修復(fù)和切割沖壓成型的三維零件，取代傳統(tǒng)的修復(fù)模具和沖壓模具，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低 ** 造成成本，因此年市場(chǎng)銷量較少。在中國(guó)市場(chǎng)，市場(chǎng)需求一般在30-40臺(tái)左右。

然而，由于汽車熱成型技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，市場(chǎng)需求較少。汽車熱成型生產(chǎn)線一般配備4-5臺(tái)三維五軸激光切割機(jī)，市場(chǎng)需求呈爆炸式發(fā)展。到目前為止，世界上有近450條汽車熱成型生產(chǎn)線，大約有2000臺(tái)三維五軸激光切割機(jī)。中國(guó)有近170條熱成型生產(chǎn)線，大約有700臺(tái)三維五軸激光切割機(jī)。

鋼板熱成型技術(shù)是指鋼板通過950℃高溫加熱后形成，冷卻迅速，全面提高鋼板強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度達(dá)到1萬Mpa以上，在車身上使用后，車輛重量沒有增加，但承載力增加了30%，安全性能顯著提高。由于鋼板強(qiáng)度過高，由于鋼板強(qiáng)度高，傳統(tǒng)的修邊模具和沖孔模具無法修邊沖孔，只能用激光生產(chǎn)，使三維五軸激光切割產(chǎn)品進(jìn)入汽車批量生產(chǎn)線，成為不可替代的生產(chǎn)工藝和工藝。

普通鋼板屈服強(qiáng)度為140Mpa，適用于旅游觀光車、纜車；高強(qiáng)度鋼板屈服強(qiáng)度為180-240Mpa，適用于卡車、叉車、公交車、挖掘機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。高強(qiáng)度鋼板的屈服強(qiáng)度為260-320Mpa，適用于經(jīng)濟(jì)型車，經(jīng)濟(jì)型車SUV車輛；超強(qiáng)鋼板屈服強(qiáng)度為340-700Mpa，適用于高端車、高端車SUV汽車；熱成型鋼板的屈服強(qiáng)度超過1萬Mpa以上一般熱成型鋼板屈服強(qiáng)度為1500Mpa左右。目前，材料廠家正在研制熱成形鋼板的屈服強(qiáng)度在2000Mpa左右，越來越多的超高強(qiáng)度鋼板被汽車工業(yè)廣泛使用，使得三維五軸激光切割機(jī)產(chǎn)品得到越來越多的應(yīng)用。

二、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，德國(guó)主要生產(chǎn)三維五軸激光切割機(jī)Trumpf，意大利Pri ** ，日本NTC、Mitsubishi，中國(guó)大族激光，華工。Trumpf、Pri ** 由于生產(chǎn)早，產(chǎn)品成熟，性能穩(wěn)定，市場(chǎng)客戶認(rèn)可度高。NTC、Mitsubishi 兩家公司只生產(chǎn)低速、低加速的三維五軸CO2激光切割機(jī)生產(chǎn)效率低，能耗高(CO與光纖激光器相比，2激光器能耗非常高），不能滿足汽車熱成型生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的要求。大激光突破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，生產(chǎn)低速、高精度的三維五軸光纖激光切割機(jī)，生產(chǎn)高速、高精度的三維五軸光纖激光切割機(jī)，技術(shù)緊跟其后Trumpf、Pri ** 解決了三維五軸光纖激光切割機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)：

1.機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

整機(jī)結(jié)構(gòu)CAE有限元分析，結(jié)合動(dòng)態(tài)、靜態(tài)剛度、靜態(tài)強(qiáng)度、熱特性分析，獲得******剛度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，設(shè)計(jì)改進(jìn)，分析理論值與實(shí)際測(cè)試值數(shù)據(jù)的差異化因素，當(dāng)理論值與實(shí)際測(cè)試值數(shù)據(jù)基本一致時(shí)，最終獲得經(jīng)濟(jì)輕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)框架圖和機(jī)床結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)框圖

2.提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性

高速、大慣量、大尺寸的零件CAE有限元模態(tài)分析，對(duì)結(jié)合面阻尼、局部剛度、質(zhì)量分布進(jìn)行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)及優(yōu)化，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，獲取動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性良好的移動(dòng)部件，確保產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定性。提高動(dòng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方框圖和模態(tài)分析圖

圖4 模態(tài)分析數(shù)據(jù)圖

3.提高高速、高精度定位

測(cè)試和有限元分析電機(jī)和伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分析和優(yōu)化定位精度、響應(yīng)速度、熱特性和電機(jī)剛度，跟蹤特性分析，補(bǔ)償數(shù)控系統(tǒng)多軸聯(lián)動(dòng)的誤差，獲得高速、高精度定位。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析框圖如圖5所示。

圖5

4.解決無限旋轉(zhuǎn)三維切割頭的核心技術(shù)

開發(fā)360系統(tǒng)幾何空間算法的精密光學(xué)計(jì)算°繼德國(guó)之后，無線旋轉(zhuǎn)三維切割頭，自主創(chuàng)新，核心技術(shù)Trumpf、意大利Pri ** 、德國(guó)LT之后，第四家公司可以生產(chǎn)360°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

解決以下關(guān)鍵和核心技術(shù)：

(1)密封三維五軸無限旋轉(zhuǎn)切割頭水、氣、光通

通過三維五軸切割頭，運(yùn)動(dòng)軌跡更加復(fù)雜C軸(無限旋轉(zhuǎn))機(jī)械傳動(dòng)部分傳輸?shù)墓艿腊ü饴?、水路、氣路和電信?hào)通道。C軸為無限旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，上述通道不能采用管道結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)具體的旋轉(zhuǎn)通道結(jié)構(gòu)傳輸。以下問題是解決運(yùn)動(dòng)通道水、氣、光的動(dòng)態(tài)密封問題。為突破這一主要障礙，選擇水、氣、光、電通道獨(dú)立傳輸?shù)男D(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)；針對(duì)C對(duì)于密封元件的技術(shù)要求，開發(fā)了基于新材料的旋轉(zhuǎn)通道密封元件。元件設(shè)計(jì)充分考慮了耐磨性、密封性、元件與管道動(dòng)摩擦之間的平衡在理論和經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下，調(diào)整密封元件與密封通道的公差，成功實(shí)現(xiàn)多個(gè)密封通道的高速無限旋轉(zhuǎn)C軸部件。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，自主研發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)密封元件的性能已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。

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

在旋轉(zhuǎn)軸中使用傳統(tǒng)電纜傳輸電信號(hào)會(huì)因軸的旋轉(zhuǎn)而纏繞甚至斷裂，多路電信號(hào)也會(huì)有信號(hào)相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免這些問題，確保多路電信號(hào)的抗電磁干擾傳輸，根據(jù)多路電信號(hào)通路的技術(shù)規(guī)范和獨(dú)特的滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，突破了高速旋轉(zhuǎn)軸上多路電信號(hào)的抗干擾傳輸。

5.軟件技術(shù)在線修改

大族自行開發(fā)HANS 3DEDIT在線修改程序軟件更方便快捷，更換速度快，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設(shè)備的硬件集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)RTCP設(shè)計(jì)了三維五軸光纖激光切割中各加工件的系統(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)由加工控制模塊、離線編程模塊和激光切割工藝數(shù)據(jù)庫三個(gè)功能塊組成。結(jié)合加工設(shè)備的硬件集成，對(duì)三維五軸光纖激光切割工藝的軟件進(jìn)行二次開發(fā)PC工業(yè)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)，開發(fā)三維五軸光纖激光切割控制應(yīng)用接口，實(shí)現(xiàn)三維五軸光纖激光切割機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和工藝調(diào)整。

(3)基于三維空間映射對(duì)三維五軸激光加工機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)計(jì)切割頭運(yùn)動(dòng)模擬。

(4)基于開發(fā)HMI的PC平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合功能需求使用SQL設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的具體功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的修改、添加、查詢、瀏覽和刪除。

7.研究三維復(fù)雜曲面激光切割工藝

(1)分析外光路模式，對(duì)光路進(jìn)行整形補(bǔ)償，確保******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）開發(fā)快速穿孔、切割狀態(tài)控制反饋技術(shù)，開發(fā)碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割孔、高功率光纖氮切割板碳鋼工藝方法、復(fù)雜圖形和圖像處理應(yīng)用，克服復(fù)雜圖形和小輪廓加工的工藝技術(shù)問題。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法和轉(zhuǎn)角激光切割方法。研究了三維蓋誤差補(bǔ)償、三維蓋角切割質(zhì)量控制和平板尖角切割質(zhì)量控制方法。

(4)基于開發(fā)CC編譯循環(huán)的Z軸模擬控制技術(shù)、圖形預(yù)覽和軌跡同步顯示技術(shù)，基于圖形預(yù)覽的靈活干預(yù)和靈活補(bǔ)充技術(shù)，基于激光脈沖方波的快速響應(yīng)PWM激光脈沖頻率與占空比、激光功率實(shí)時(shí)坡度調(diào)節(jié)技術(shù)。

建立完善的激光切割工藝專家數(shù)據(jù)庫，解決三維件拐角過熱、厚板尖角過熔、極限小孔切割、薄板快速穿孔等工藝問題，實(shí)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(dòng)調(diào)用。

三、技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

1.技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著三維五軸激光切割技術(shù)的發(fā)展，性能和功能越來越強(qiáng)大，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下：

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

（2）切割速度高、精度高：切割速度快，生產(chǎn)效率高，降低生產(chǎn)成本；定位速度高，重復(fù)定位精度高，切割精度高，滿足日益提高的產(chǎn)品質(zhì)量需求；

（3）自動(dòng)化和智能：勞動(dòng)力成本增加，產(chǎn)品需要向高自動(dòng)化、高智能方向發(fā)展；一方面，高自動(dòng)化可以降低勞動(dòng)力，節(jié)約成本；另一方面，高智能導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備技術(shù)操作簡(jiǎn)單，對(duì)人員技術(shù)依賴小，簡(jiǎn)單易學(xué)，也可以降低成本。

2.應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

一方面，產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化和改進(jìn)，產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，使越來越多的用戶能夠負(fù)擔(dān)得起，基本上可以采用三維五軸激光切割工藝，優(yōu)先，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(jìn)了產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)師可以發(fā)揮個(gè)性化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)更精致的產(chǎn)品，不再受傳統(tǒng)加工方法的限制。

此外，熱成形技術(shù)已進(jìn)入汽車工業(yè)，推動(dòng)三維五軸激光切割機(jī)成為汽車生產(chǎn)過程中不可替代的過程。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(jī)進(jìn)入汽車生產(chǎn)線。目前，只有高端汽車在使用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型汽車和新能源汽車也將采用熱成形技術(shù)。根據(jù)汽車行業(yè)的研究和分析，未來的汽車更新將會(huì)更快在過去，生產(chǎn)數(shù)百萬輛車型的時(shí)代已經(jīng)成為歷史。單車型數(shù)量逐漸下降，模具成本非常高。三維五軸激光切割機(jī)將反映較低的使用成本，以滿足《紐約時(shí)報(bào)》的發(fā)展需要。

綜上所述，在汽車行業(yè)，特別是在汽車熱成型行業(yè)，隨著三維五軸激光切割的不斷應(yīng)用和發(fā)展，汽車制造技術(shù)水平越來越先進(jìn)，生產(chǎn)效率越來越高，不僅可以解決汽車熱成型高強(qiáng)度鋼的問題，而且可以促進(jìn)汽車個(gè)性化設(shè)計(jì)的發(fā)展。