三维激光切割的应用和研究

三维激光切割的应用和研究1引言由于CO2激光器和Nd：YAG激光器能产生很高的平均功率和能量，20世纪70年代激光技术开始应用于材料切割领域。1979年，第一台五轴CO2激光切割机在Prima工业公司建成，用于轿车内部塑料元件加工。随着激光配套设备(导光系统、调焦系统等)的不断完善，三维激光切割技术从20世纪80年代起在国外开始了大规模应用。我国对二维激光切割技术的研究较早，但由于种种原因，三维切割技术无论理论研究还是实际应用，都远落后于发达国家，亟需走从国外引进技术和自主研发相结合之道路来改变这一现状。2三维激光切割机设备结构三维表面的切割一般需要五轴。作为一种非接触的光加工，激光切割质量受到诸多因素影响，就设备硬件操作而言，主要包括光束传输、喷嘴类型、辅助气体种类和压力、光束聚焦、光束偏移和进给速度等。2.1激光切割设备分类通用的激光加工机可以大概分为龙门式激光加工机床和激光加工机器人，如图1所示。一般来讲，前者工作空间大、加工速度快、加工精度高，但允许加工工件的质量和尺寸较小，接近加工区的能力较差；相比之下，后者虽然加工速度和加工精度不及前者，但可允许加工的工件质量和尺寸较大，接近加工区的能力也比前者强。近年，随着大型龙门式机床的出现，其能加工的工件大小可达4.5m×2.5m×1m(见表1)以上；机器人由于其低廉的价格和高柔性，并可使用光纤传输YAG激光进行加工，其应用前景也被看好。图1激光加工机表1上海团结普瑞玛Pratico型和NTCTLM_914的精度比较2.2激光切割头及其位姿的实现三维切割要求喷嘴所产生的流场在工件表面的切割压力比较稳定，靠近焦点位置的气体流场不产生激波。使用较多的是超音速拉菲尔喷嘴，但其内部结构复杂，加工较为困难。图2为两种典型的五轴激光加工机床的切割头，图2(a)所示的偏置型切割头只采用了两块反射镜，结构紧凑、尺寸精巧，其喷嘴可以实现大于±90°的旋转(垂直水平面为0°)，适合有高差和纵深的工件加工。图2(b)为一点指向型激光切割头，这种切割头的特点是无论A轴、C轴(或B轴、C轴)怎么变化，喷嘴指向工件表面的位置始终不变，这使得工作变得较为容易，在材料表面的加工基本无死角。但其喷嘴运动范围限于水平面以上，不能做出偏置型激光头喷嘴旋转角度大于±90°时(垂直水平面为0°)的动作，加工有纵深或高差的工件时，Z轴容易和工件产生干涉。图2五轴激光加工机床切割头激光束的姿态对于三维激光切割的质量有着重要的影响，在保证激光头与材料不相互干涉的前提下，激光头(光轴)与被加工材料的表面必须垂直，如果工件表面是曲面，那么光轴方向应该与被加工点的法向一致。传统的方法是示教，费时费力精度不高，较好的做法是由传感器在加工点附近取若干个点，将这些点坐标传送到计算机里拟合成曲面，计算出拟合曲面在加工点的法向量，由此加工点和法向量来调整X、Y，Z轴的位移和A、C轴的角位移。这种办法可以实时调整激光头位姿，大大提高了激光光轴与加工表面的垂直度，而且省时省力，很大程度上也提高了切割质量和生产效率。2.3激光切割中离焦量的保证众所周知，影响激光切割质量的一个很重要的因素是离焦量。在二维切割中，为了保证一定的离焦量，通常使用电容式非接触传感器和差动变压式接触传感器。电容式传感器具有响应速度快，检测精度高的特点，所以传统的三维切割加工和高速切割中，大多使用它使喷嘴中心出口跟材料表面保持一定距离。这些年来，非接触式传感器发展很快，有氦氖激光式、红外传感式、CCD成像式、背压气隙式、电涡流式等各种传感器，以适应于各种不同的加工场合。2.4三维激光切割精度对于用户来讲，最关心的莫过于设备的加工精度，目前先进的三维激光切割机的各数控轴已全部采用光栅尺全闭环反馈控制，其定位精度和重复定位精度比市场上采用编码器半闭环控制的传统设备提高了一个数量级。表1是两种典型的三维五轴激光加工机床的精度比较。3三维切割的特点及其应用1979年问世的三维激光切割机，只能进行汽车内饰件的切割，而无法加工金属冲压件。1982年，Prima工业公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割设备中，使机床可以自动适应冲压件弹性变形造成的误差，从而使三维激光切割技术真正成为汽车车身加工的一种新的精密、灵活的加工手段，广泛应用于汽车、航天航空工业、工程机械、模具、健身器材、钣金加工等制造领域。与传统的板材切割方法相比，激光切割具有自己独特的优势，主要表现在：(1)切割精度高、质量好，切口宽度小，热影响区小，切口光洁；(2)切割速度快，加工效率高；(3)激光加工是一种非接触式加工，没有机械加工力，不变形，也不存在噪音、油污、加工屑等污染问题，是一种绿色加工；(4)材料适应性高，几乎可以切割任何金属和非金属材料。三维激光切割比二维切割有着更高的柔性，更智能化，不仅能够切割二维板材，对于复杂的三维零件，理沦上讲，只要厚度合适，都可以采用激光切割。激光切割应用最广泛的领域是汽车车身设计及制造，主要用来开发新车型、在线切割、变形车生产，例如切割样车零件，车身覆盖件的切孔、修边(见图3)，切割方向盘孔、车身挡风板、车顶盖支架孔、安全气囊部件、液压成型部件等。BMW、奔驰、Fiat、Volvo、大众、日产等公司都拥有用于车身加工的五轴激光加工机。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用，例如开行李架同定孔、顶盖滑轨孔、天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在航天航空中，该技术主要用来对已成形的不锈钢、英科乃尔(Inconel)合金、钛和铝材的飞机零件进行打孔、切割和修整。图3激光切割车身覆盖件激光三维切割技术还广泛应用在模具制造、雕刻、石油工业等行业之中。在印刷行业中，激光雕刻切割机利用激光的高能量性和高效率性，通过程序控制对橡胶版进行烧蚀，制造出的印刷版不仅成本低，而且雕刻精细，质量很高；利用激光的高能量特性对刀模板进行深度烧蚀，可以制造出各种高精度的刀模来。在模具制造领域，可以用于加工模具、试模、制造模具。由模具CAD和激光切割相结合能够完成模具内部的复杂结构制造，如深孔、型孔、中空体以及复杂的冷却水道；用激光精细切割薄钢板，然后将其叠加成凹模或凸模。在石油工业中，用该技术来加工割缝筛管。三维激光切割最大的特点就是柔性高，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闭；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能为力，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施加机械加工力，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。总之，在实际生产中，三维激光切割在提高产品质量、生产效率，缩短产品开发周期、降低劳动强度、节省原材料等方面优势明显。因此，尽管设备成本高、一次性投资大，国内还是有很多汽车、飞机生产厂家购进了三维激光加工机，部分高校也购进了相应设备进行科研，三维激光技术势必在我国制造业中发挥着越来越大的作用。4三维切割的研究国外除了对设备进行研究之外，对于激光切割的数学模型也做了很多有意义的工作。由于穿透加工的复杂性及切割机理的多样性(如熔化剪力、蒸发、化学分解等)，所以难以建立一个能比较全面模拟激光切割的模型。国内外的学者从各个角度提出了各种激光加工的传热学模型和有限元模型。较典型的是Modest提出的用于蒸发打孔和切割的三维瞬态模型门，MeungJungKim采用有限元的方法提出的激光平面气化切削三维有限元计算模型同。三维切割模型要考虑的因素比二维切割要多而复杂，目前，三维激光切割模型还鲜见报导。20世纪80、90年代，激光加工技术被列入国家重点科技攻关项目，在三维激光切割技术方面取得了一些具有实用价值的成绩。1991年华中科技大学研制成功数控多坐标联动激光划线切割机，该机机床具有六轴运动五轴联动功能，能够对大型三维曲面覆盖体和平板体进行激光划线和切割加工，并在国内首次解决了三维曲面的激光切割难题。段正澄等采用样条函数作为机床三维加工轨迹的拟合工具，而且在后续处理中，对样条曲线直接进行插补，较好地实现了在高速切割时激光加工机的高加工精度；并研究了三维激光切割加工中曲面法矢获取算法、三维激光切割加工法矢测量系统、基于激光测距的三维激光加工示教编程系统、基于激光测距的三维激光切割加工法矢获取系统等。国家自然科学基金委在1997年把“大功率CO2及YAG激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助，国家产学研激光技术中心左铁钏教授及其课题组成员对此进行了系统研究，为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了较大贡献。他们研究了激光加工六轴机械手离线编程技术、CO2激光三维方位切割的人工神经网络分析、三维激光加工轨迹生成、三维工件激光切边自动编程、激光三维加工轨迹计算机仿真、三维激光加工轨迹规划等，并开发了具有自主知识产权的CAM三维加工软件LaserCAM2000。另外，黄开金等经研究发现空间曲率半径对三维激光切割质量有着重要影响，王继跃研究了变参数激光三维加工方法，并作了相应的实验。我国激光三维切割技术跟国外先进技术还有很大差距，首先表现在设备的研制上，缺少高光束质量的高功率激光器。目前我国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-材料-气体之间的交互作用即三维激光切割机理未作深入研究，而国外早在20世纪70年代就有人开始提出其模型。虽然我国三维激光加工技术起步较晚，可喜的是，有越来越多的科研单位、高校加入其中，北京工业大学、华中科技大学相关研究开展得较早，湖南大学也购入了一台由上海团结普瑞玛激光设备有限公司生产的大型三维五轴激光加工机，用于车身零部件的激光加工研究。5三维激光加工技术的发展趋势尽管激光二维加工技术在国外应用比较成熟，该技术还有很多地方值得继续深入研究和发展。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，必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在于首先是激光器的价格不非，目前我国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；其次我们还未掌握制造三维激光设备的核心技术(如切割头)；再次，对于加工软件的研究及开发也不是很多。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，现在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)。对于切割轨迹的输入，技术比较成熟的做法是示教，其缺点是费时费力而且精度不高。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割、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