1.概述
三維光纖激光切割機(jī)是由專用光纖激光切割頭、高精度電容式跟蹤系統(tǒng)、光纖激光器以及工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成，對(duì)不同厚度的金屬板材進(jìn)行多角度、多方位柔性切割的先進(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)械制造及汽車零部件制造等對(duì)3D工件有加工需求的生產(chǎn)中。
2.三維光纖激光切割機(jī)器人
（1）三維激光切割原理激光通過激光器產(chǎn)生后，由反射鏡傳遞并通過聚集鏡照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到強(qiáng)大的熱能而溫度急劇增加，使該點(diǎn)因高溫而迅速的熔化或者汽化，配合激光頭的運(yùn)行軌跡從而達(dá)到加工目的。
（2）光纖的選擇根據(jù)金屬板材的厚度不同，選用不同的光纖激光器功率，三維切割光纖激光器的功率一般分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）輔助氣體的要求三維光纖激光切割機(jī)采用的輔助氣體是99.99%的氧氣，這樣對(duì)切割的精度、速度和切割的斷面效果有很大的幫助。
三維光纖激光切割機(jī)
3.三維光纖激光切割機(jī)器人的特點(diǎn)
（1）柔性高尤其適合小批量的三維鈑金切割。
其高柔性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
第一，對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)，激光切割機(jī)通過數(shù)控程序基本可以切割任意板材。
第二，加工路徑由程序控制，如果加工對(duì)象發(fā)生變化，只須修改程序即可，這一點(diǎn)在零件修邊、切孔時(shí)體現(xiàn)得尤為明顯。由于修邊模、沖孔模對(duì)其他不同零件的加工無能為力，而且模具的成本高，所以目前三維激光切割有取代修邊模、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)對(duì)被加工板材不施加機(jī)械加工力，這使得夾具制作變得很簡(jiǎn)單。此外，一臺(tái)激光設(shè)備如果配套不同的硬件和軟件，就可以實(shí)現(xiàn)多種功能。
總之，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)省原材料等方面優(yōu)勢(shì)明顯。因此，盡管設(shè)備成本高、一次性投資大，國內(nèi)還是有很多汽車、飛機(jī)生產(chǎn)廠家購進(jìn)了三維激光加工機(jī)，部分高校也購進(jìn)了相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行科研，三維激光技術(shù)勢(shì)必在我國制造業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用。
（2）光纖激光切割機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)第一，用工業(yè)機(jī)器人代替五軸機(jī)床，兩者都能進(jìn)行空間軌跡描述實(shí)現(xiàn)三維立體切割。工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度比五軸機(jī)床稍低，約為±100μm，但這完全可以滿足汽車鈑金覆蓋件和底盤行業(yè)的精度要求；而采用工業(yè)機(jī)器人大大降低了系統(tǒng)的成本造價(jià)，減少了耗電系統(tǒng)費(fèi)用和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，減少了系統(tǒng)的占地面積。
第二，光纖激光相比傳統(tǒng)激光，具有更好的切割質(zhì)量，更低的系統(tǒng)造價(jià)，更長(zhǎng)的使用壽命和更低的維護(hù)費(fèi)用，更低的耗電。關(guān)鍵是光纖激光器的激光可以通過光纖傳輸，方便與工業(yè)機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)柔性加工。
第三，本系統(tǒng)唯一的缺陷是只能加工金屬工件，不能加工非金屬工件。這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用的是光纖激光，其波長(zhǎng)為1064nm，相對(duì)于波長(zhǎng)為10640nm的CO2激光，不易為非金屬材料所吸收。
第四，采用工業(yè)機(jī)器人＋光纖激光器的組合進(jìn)行加工，修邊沖孔等工藝一次完成，切口整齊無需后道工藝再處理，這樣既大大縮短了工藝流程，降低了人工成本和模具費(fèi)用的投入，也提高了產(chǎn)品檔次和附加值。選配離線編程軟件，通過數(shù)值模擬直接生成切割軌跡，拋棄了繁雜的人工示教，更加適合小批量多批次的維修市場(chǎng)、新品試制和非標(biāo)定制等個(gè)性化的切割需求。三種加工方式對(duì)比如附表所示。
第五，先進(jìn)光纖激光技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)完美融合，代表著最先進(jìn)的激光切割水平；專業(yè)的激光切割機(jī)控制系統(tǒng)，電腦操作，能夠保證切割質(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)三維立體切割，操控方便，智能化程度高，保證設(shè)備的高速度、高精度、高可靠性；激光切割頭配置進(jìn)口激光切割頭，反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確，與機(jī)械手有效配合，可避免切割頭與加工板材碰撞，并能保證切割焦點(diǎn)位置，保證切割質(zhì)量穩(wěn)定；激光切割頭可承受1.0MPa氣體壓力，高壓氣路設(shè)備，提高了對(duì)不銹鋼等難切割材料的切割能力。
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)
第一，切割速度快，為同類產(chǎn)品的兩倍。
第二，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的小圓，切割效果圓滑美觀，目測(cè)無形變和毛刺。單個(gè)小圓切割時(shí)間可控制在2s內(nèi)。
第四，選配臂長(zhǎng)2.01m的機(jī)械手，除了實(shí)現(xiàn)直徑達(dá)3m的半球形三維加工區(qū)域外，還可實(shí)現(xiàn)3m×1.5m的二維平面切割。
第五，根據(jù)實(shí)際需要選配離線編程軟件，可讀取UG、SolidWork等三維軟件導(dǎo)出格式的數(shù)模，修改后直接生成切割軌跡，代替人工示教，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，可使產(chǎn)品整體質(zhì)量得到安全保障。光纖激光器具有散熱面積大、光束質(zhì)量好、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，同體積龐大的氣體激光器和固體激光器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
（3）采用美國進(jìn)口激光切割頭配置美國進(jìn)口的激光切割頭，通過機(jī)械手編程控制，保持最佳的焦距，確保最佳的切割效果，避免了材料不平整時(shí)，焦距變化問題引起的材料報(bào)廢。
（4）機(jī)械手控制系統(tǒng)采用機(jī)械人操控系統(tǒng)，可提供適合每一種零部件的全方位機(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、堅(jiān)固耐用、通用性等特點(diǎn)。
其操作速度更快，廢品率更低，在擴(kuò)大產(chǎn)能、提升效率方面，將起到舉足輕重的作用。其高精度由專利的TrueMoveTM運(yùn)動(dòng)控制軟件實(shí)現(xiàn)。IRB2600采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)身緊湊輕巧，節(jié)拍時(shí)間與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比可縮減多達(dá)25%。專利的QuickMoveTM運(yùn)動(dòng)控制軟件使其加速度達(dá)到同類最高，并實(shí)現(xiàn)速度最大化，從而提高產(chǎn)能與效率。IRB2600工作范圍大，安裝方式靈活，可輕松直達(dá)目標(biāo)設(shè)備，不會(huì)干擾輔助設(shè)備。優(yōu)化機(jī)器人安裝是提升生產(chǎn)效率的有效手段。模擬最佳工藝布局時(shí)，靈活的安裝方式更能帶來極大的便利。IRB2600的底座可與目標(biāo)設(shè)備靠得更近，從而縮小整個(gè)工作站的占地面積。小底座還為下臂進(jìn)行正下方操作創(chuàng)造了有利條件。
5.三維光纖激光切割機(jī)器人的應(yīng)用
（1）兩臺(tái)RX160轎車B柱熱成形件雙機(jī)器人切割①外框、孔位等的高精度光纖激光切割。②高速度提高效率，減少熱變形。③機(jī)器人柔性編程適應(yīng)不同產(chǎn)品需求。④低成本系統(tǒng)解決方案適合用戶大批量應(yīng)用。
（2）RX160L工程機(jī)械鈑金件切割①工程機(jī)械鈑金件3D激光切割。②大幅面活動(dòng)范圍適合大工件或多工位切割。③切割效率高，相當(dāng)于傳動(dòng)五軸激光切割機(jī)床切割速度的兩倍。④機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊且剛性好，有利于降低龍門架成本。
6.結(jié)語
未來三維激光加工技術(shù)將向高精度、高速度、高柔性、低成本、智能化及高集成化方向發(fā)展。我國激光三維切割技術(shù)跟國外先進(jìn)技術(shù)還有很大差距，首先表現(xiàn)在設(shè)備的研制上，缺少高光束質(zhì)量的高功率激光器。目前我國各地?fù)碛械?a href="http://piupo.cn/laser-cutter/586.html">三維激光切割設(shè)備大部分從國外高價(jià)進(jìn)口；其次在理論研究上也存在一定差距，主要集中在三維零件空間軌跡的實(shí)現(xiàn)和三維零件的切割工藝兩個(gè)方面，對(duì)三維零件激光切割過程中的激光-材料-氣體之間的交互作用，即三維激光切割機(jī)理未作深入研究，而國外早在20世紀(jì)70年代就有人開始提出其模型。因此，該技術(shù)還有很多地方值得繼續(xù)深入研究和發(fā)展。