摘要：在实际应用中，经常出现数控激光切割机切割面不规则等问题，影响了切割效果。本文对数控激光切割机进行了总结，分析了典型数控激光切割机的设计特点，并对可能出现的问题进行了优化，这对数控激光切割机的应用具有重要意义。
关键词：机械化程度；数控激光切割机；高精度切割；优化设计
产品整体采用开放式悬臂结构设计，使操作者可以从3个方向接近工作区域，方便机床操作。光路采用飞行式光路设计，工件不动，激光焦点在加工区域内移动，保证加工精度。集成化设计整机占地面积小，减少用户的场地投入。
1.数控激光切割机概述
数控激光切割机主要是通过配置不同功率的光纤激光器对各种机械零件和金属材料进行切割、冲孔等精密加工作业。目前，在整个切削加工机械行业，激光切割和高精度加工方法占超过70%，相比之下，其他机械切削加工的数控激光切割方法有无可比拟的优势，如广泛的适用性（适用于合金钢、机械、陶瓷、有机玻璃材料），精度高，切割速度快，切割后切割孔径小，热影响区小等。然而，传统数控激光切割机除了受外部因素的影响外，由于自身的设计缺陷也会在切割过程中出现切割噪声、切割区域质量差等故障。因此，对数控激光切割机进行改进和优化设计，使其更适合工业生产特点的使用，显得尤为重要。
1.1 数控激光切割机的分类
数控激光切割机主要由切割机床、光纤激光器、数控系统、切割头、工作台、伺服系统等部件组成。因为它是广泛应用于工业，所以每个行业数控激光切割机的使用需求是不一样的，例如，汽车行业需要数控激光切割机不仅能够有高速、可靠、精度等优点，但也有高速喂养、去毛刺等功能；发电设备行业需要具有规模大、强度高的特点。然而，大多数行业对数控激光切割机都有以下几个方面的要求：切割精度高、切割速度快、切割裂纹小、切割表面质量高。因此，后续的设计主要围绕这些点展开。目前，根据激光生产原理，数控激光切割机可分为三种类型：光纤激光切割机、CO2激光切割机、YAG数控固体激光切割机。数控YAG固体激光切割机的工作原理
高功率激光束聚焦在机械元件表面，在辐照后，机械元件迅速熔化甚至气化。然后，在激光束的帮助下，在同一水平轴上形成高速的气压流，吹出熔化的工件，然后切割机械元件。YAG固体激光切割机的成本和后续维护成本远低于同类激光切割机，性价比高，是数控激光切割机领域中最成熟、最稳定的产品之一。光纤激光切割机是一种新的产品领域的数控激光切割机，它类似于YAG固体激光切割机的工作原理，也使用激光融化机械部件完成切割，所不同的是，光纤激光切割机的新型光纤激光器激光束。
1.2 数控激光切割机的发展
国内数控激光切割机的技术一部分来源于国外，因为国外对于激光切割技术研究较早，美国的光学公司大约在1961年就开始研究光纤激光切割领域。而我国的第一台数控激光切割器是在1994年湖南大学激光研究所研发出来的。随后中科院物理研究所在2003年3月研制出了使用数控激光技术的管材加工设备，使我国的数控激光切割技术有了一个质的飞跃。现阶段，国内外对数控激光切割技术的关注核心点都在于降低阈值、调节波长等性能方面。
2.典型数控激光切割机的设计分析
近几年来，国内的数控激光切割机飞速发展。从设计分析的角度来看，其设计理念和设计表现侧重点都有着很大的变化。下面挑一款典型的1530型数控激光切割机，分析其设计的优点及缺点。
图1 1530型数控激光切割机实物图
1530型数控激光切割机的机身总重达到9t，最大加工范围为1500mm×3000mm，工作台的最大载重为1250kg。其底座部分为了确保加工切割精度进行了加重设计。驱动结构部分选用了龙门式双边设计，这种设计使其具有最佳的对称受力条件，避免了切割机在操作时由于被切割工件的重心外悬摆动而产生振动，同时也避免切割机的传动及导向部件不会出现瞬间过载的故障。独立的伺服轴设计也是该机器的设计亮点之一，利用该设计可以保证激光光束从数控激光切割机的激光器出光口射出直到切割头的长度是不变的，能够维持原值。这样的设计保证了激光光束焦点位置的恒定及稳定性，但是由于1530型数控激光切割机被研发出来的时间较早，在那个阶段，市场对于数控激光切割机的要求主要是满足生产需要，功能完善即可。所以，它在很多方面不符合人机工程系的原理，忽略了人作为主体，在设计上存在很多不足。例如，该机器的落料口和入料口在开启和关闭时需要两个人同时操作，非常不方便；监视窗的角度和高度都过大过高，造成使用者在操作时难以观察机器内部加工过程，造成人为的误操作率上升等。
3.新型数控激光切割机结构设计
数控激光切割机的安装位置以及操作环境都和使用者存在着密切的交互关系，因此人们在对新型数控激光切割机进行设计时，除了要考虑到机器本身应具有的符合生产实际的功能外，还要考虑到人机交互关系是否合理、安全。新型数控激光切割机模型示意图如图2所示。
图2 新型数控激光切割机模型示意图
3.1切割机机床底座
数控激光切割机床是最基本的部分机器的床，因为机床包括螺旋传动机构和运动都有一定的运动加速度，对机床将产生一定影响，冲击力可使切割机床动态位移。机床床身一旦发生位移，就会对激光器发出的激光束产生干扰，使其不稳定，从而降低数控激光切割机的切割质量。因此，在设计新型数控激光切割机时重点要改进这一点，以保证电机和螺杆传动机构在高速运动时，也能保证机床的稳定性，尽量提高底座的质量，提高其惯量。总结以往的设计经验，机床底座的重量一般是机床冲击力的15倍。
3.2 随动机构
数控激光切割机的随动机构主要作用为检测和控制切割机运转时切割工件表面是否光滑。为了确定激光器所发射的激光光束聚焦后焦点是否在工件的位置，需要利用伺服电机和丝杠传动装置来调整切割头高度。而激光光束聚焦后焦点的位置在一定程度上对切割后的缝隙大小以及质量高低有着很大影响，因此对随动机构的要求就非常高，检测精度要在0.010mm左右。同时，随动机构的随动速度应该在5m/min左右，不能太高也不能太低，太高会导致切割头上下震动，太低会导致切割头跟不上。
3.3 运动机构
数控激光切割机的运动机构决定了切割机的性能好坏。在进行运动机构的设计时，首要考虑的因素为负载的惯量比值。目前，通用的电机的比值一般在1：10左右，但是为了数控激光切割机的机床驱动参数达到最佳状态，在设计时最好把数控激光切割机的负载的惯量比值控制在1：3左右。
结论
通过以上机床结构设计，我们开发了一个先进的数控激光切割机产品的大规模生产，但也希望产品可以在未来市场竞争的主导地位，打破国外高端机床的垄断，从而实现中国机床行业的转型从大到强。
参考文献：
[1]白京九.机床工人技术手册[M].辽宁：辽宁科学技术出版社出版，1989.
[2]吴祖育，秦鹏飞.数控机床（第三版）[M].上海：上海科学技术出版社，2010.
论文作者:梁伟豪
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
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