数控多轴联动激光加工设备.ppt

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1、第十一章 数控多轴联动激光加工设备,数控激光切割设备 数控五轴联动激光加工机床,学习导论,数控激光加工设备是集光、机、电技术于一体的先进加工设备，适合于加工和处理多种材料并能对加工过程进行自动控制，具有广泛的用途。要求掌握数控激光切割设备和数控多轴联动激光加工设备的基本构成、激光器的工作原理和类型、存在的基本运动和典型设备的基本结构及工作原理。,数控激光切割设备,一、激光切割的原理、分类及特点（1）,激光切割的原理如图所示，激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。,激光切割原理示

2、意图例,一、激光切割的原理、分类及特点（2）,激光切割的分类（1）激光汽化切割 利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸汽。这些蒸汽喷出速度很大，在蒸汽喷出的同时，在材料上形成了切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。,一、激光切割的原理、分类及特点（3）,激光切割的分类（2）激光熔化切割 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切不需要使金属完全汽化，因此所需要能量只有汽化切割的1/10

3、。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属材料的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金材料等。,一、激光切割的原理、分类及特点（4）,激光切割的分类（3）激光氧气切割 激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是利用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。,一、激光切割的原理

4、、分类及特点（5）,激光切割的分类（4）激光划片与控制断裂 激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。,一、激光切割的原理、分类及特点（6）,激光切割特点（1）切割质量好 激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达0.05。切口表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。材料经过激光

5、切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性质几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横断面呈规则的长方形。,一、激光切割的原理、分类及特点（7）,激光切割特点（2）切割效率高 由于激光的传输特性，激光切割机床上一般配有多方向的进给运动，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控加工程序，就可以适用不同工件、不同形状零件的切割。切割速度快 用功率1200W的激光束切割2厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min；切割5厚的娶丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光设备上切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。,一、激光

6、切割的原理、分类及特点（8）,激光切割特点（3）非接触式切割 激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损问题。加工不同形状的工件，不需要更换“刀具”，只需要改变加工程序和改变激光器输出的参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。,一、激光切割的原理、分类及特点（9）,激光切割特点（4）激光切割加工的适应范围广 与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。激光切割由于受激光器功率和体积的限制，激光切割只能切割中小厚度的板材和管材，而随着

7、工件厚度的增加，切割速度显著降低。,二、激光切割的应用范围,大多数激光切割机床都是数控机床。激光切割作为一种精密加工方法，几乎可以切割所有材料，包括薄金属板的二维切割和三维切割。激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割高硬度、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等，还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶板等。服装业用激光进行服装裁剪，可节省衣料10%12%，并可将工效提高3倍以上。,三、数控激光切割机床（1）,机床的主要构成（1）激光切割机床大都采用CO2激光器，从大的方面来说主要由激光器、导光系统、数控系统、伺服系统、割炬、操作台、气源、水源及抽烟系统构成。

8、典型的CO2激光切割设备的基本构成如图所示。,CO2激光切割机床基本构成图例,三、数控激光切割机床（2）,机床的主要构成（2）激光电源 供给激光振荡用的高压电源。激光振荡器 产生激光的主要设备。折射反射镜 用于改变激光的传输方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护。割炬 主要包括枪体、聚焦透镜、辅助气体喷嘴等。切割工作平台 用于安装被切割的板材或工件，能够按照数控指令进行运动，工作台各个方向的运动通常由伺服电动机驱动。割炬驱动装置 二维或三维曲线或曲面的加工是由工作台和割炬的共同运动实现的。割炬驱动装置由伺服电动机和丝杠等传动件组成。,三、数控激光切割机床（3）,机床的主要

9、构成（3）CNC数控装置 控制工作台和割炬的运动轨迹，切割出所要求的形状，同时也控制激光器在加工不同工件或材料时的输出功率。操作盘 是一个人机界面接口。既可以显示加工过程的状态，又可以通过操作盘对加工过程进行控制。气瓶 包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用的辅助气体。冷却水循环装置 用于冷却激光振荡器。激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换率一般为20%，剩余的80%能量转换成热能。冷却水的作用就是把多余的热量带走以维持激光振荡器的正常工作。空气干燥器 用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。,三、数控激

10、光切割机床（4）,激光切割用激光器（1）切割用激光器主要有CO2气体激光器和钇铝石榴石固体激光器（即YAG激光器）。CO2气体激光器是利用封闭在容器内的CO2气体（实际上是CO2、N2和He的混合气）作为工作物质经受激振荡后产生的光放大。CO2气体激光器的基本结构如图所示。气体通过施加高压电形成辉光放电状态，借助设在容器两端的反射镜使其在反射镜之间的区域不断受激励并产生激光。,CO2气体激光器的基本结构图例,三、数控激光切割机床（5）,激光切割用激光器（2）YAG固体激光器的结构原理如图所示。它是借助光学泵作用将电能转化的能量传送到工作介质中，使之在激光棒与电弧灯周围形成一个泵室。同时通过激光

11、棒两端的反光镜，使光对准工作介质，对其进行激励以产生光放大，从而获得激光。,YAG固体激光器结构示意图例,三、数控激光切割机床（6）,割炬（1）激光切割用割炬的结构如图所示。主要由割炬体、聚焦透镜、反射镜和辅助气体喷嘴等组成。激光切割时，割炬必须满足下列要求：割炬能够喷射出足够的气流；割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴；割炬的焦距能够方便调节；切割时，保证金属蒸气和切割金属的飞溅不会损伤反射镜。,激光切割割炬结构图例,三、数控激光切割机床（7）,割炬（2）聚焦透镜 聚焦透镜用于把射入割炬的平行激光束进行聚焦，以获得较小的光斑和较高的功率密度。透镜经常采用能透过激光波长的材料制造。固体激

12、光常用光学玻璃，而CO2气体激光因透不过普通玻璃，则采用ZnSe、GaAs和Ge等材料制造，其中最常用的是ZnSe。透镜的形状有双凸形、平凸形和凹凸形三种。透镜的焦距对聚焦后光斑直径和焦点深度有很大影响。聚焦光斑直径do与透镜焦距f和入射激光束直径D之间的关系如图所示。由图可见，当入射激光束直径D值一定时，存在一个最佳的透镜焦距f值使聚焦光斑直径do最小。,聚焦光斑直径d0与透镜焦距f和入射激光束直径D之间的关系,三、数控激光切割机床（8）,割炬（3）焦点深度fd与透镜焦距f的关系如图所示。随着透镜焦距的减小，焦点深度也变小。,焦点深度fd与透镜焦距f的关系图例,三、数控激光切割机床（9）,反

13、射镜 反射镜的功能是改变来自激光器的光束方向。对固体激光器发出的光束可使用由光学玻璃制造的反射镜，而对CO2气体激光切割装置中的反射镜常用铜或反射率高的金属制造。反射镜在使用过程中，为避免反射镜受光照过热而损坏，通常需用水进行冷却。,三、数控激光切割机床（10）,喷嘴（1）喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。如图所示为激光切割常用的喷嘴形状，而喷孔的形状有圆柱形、锥形和缩放形等。喷嘴的选用一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等再经试验后确定。,激光切割常用喷嘴形状图例,a）b）c）d）,三、数控激光切割机床（11）,喷嘴（2）当用惰性气体切割某些金属时，为

14、保护切口区金属不致因空气入侵（一般喷嘴在切割方向突然改变时常有空气卷入切割区而发生氧化或氮化，则宜使用加保护罩的喷嘴。加玻璃绒保护罩的喷嘴结构如图所示。,加玻璃绒保护罩的喷嘴结构图例,三、数控激光切割机床（12）,数控激光切割设备的类型（1）割炬驱动式切割设备 割炬驱动式切割设备中，割炬安装在可移动式门架上并沿门架大梁横向（Y轴方向）运动，门架带动割炬沿X轴运动，工件固定在切割台上。由于激光器与割炬分离设置，在切割过程中，激光的传输特性、沿光束扫描方向的平行度和折光反射镜的稳定性都会受到影响。割炬驱动式切割设备的典型结构如图所示。采用CO2气体连续激光，光束从激光器传送到割炬的距离为18m。为

15、了保持光束直径在这一传送距离内其形状的变化不妨碍切割加工的进行，振荡器反光镜的组合应仔细设计。,割炬驱动式切割设备的典型结构图例,三、数控激光切割机床（13）,数控激光切割设备的类型（2）XY坐标切割台驱动式切割设备 XY坐标切割台驱动式切割设备，割炬固定在基架上，工件置于切割台上。切割台按数控指令沿X、Y方向运动，驱动速度一般为01m/min（可调）或05m/min（可调）。由于割炬相对工件固定，在切割过程中对激光束的调准对中影响小，因此能进行均一且稳定的切割。当切割工作台尺寸较小、机械精度较高时，定位精度为0.01，切割精度相当好，特别适合于小零件的精密切割。另外也有采用X轴方向行程230

16、02400、Y轴方向行程12001300的切割工作台来加工较大尺寸的零件。,三、数控激光切割机床（14）,数控激光切割设备的类型（3）割炬切割台双驱动式切割设备 割炬切割台双驱动式切割设备介于割炬驱动式与XY坐标切割台驱动式之间。割炬安装在门架上并沿门架大梁作横向（Y向）运动，切割台沿纵向驱动，兼有切割精度高和节省生产场地的优点。定位精度为0.01，切割速度调节范围为020m/min，是应用较多的一种切割设备。其中较大的切割设备Y轴方向行程为2000，X轴方向行程为6000，可切割大尺寸零件。激光振荡器和割炬一起安装在门架上，切割精度相当好。切割圆孔精度和切割速度的关系如图所示。,切割圆孔精度

17、和切割速度的关系图例,三、数控激光切割机床（15）,数控激光切割设备的类型（4）一体式切割设备 一体式切割设备中，激光器安装在机架上并随机架纵向移动，而割炬同其驱动机构组成一体在机架大梁上横向移动，利用数控方式可进行各种成形零件的切割。为弥补割炬横向移动使光路长度变化，通常备有光路长度调整组件，能在切割区范围内获得均质的光束，保持切割面质量的同质性。,数控五轴联动激光加工机床,一、机床的构成、运动及主要技术参数（1）,从大的方面来说，数控五轴联动激光加工机床由机床本体部分、激光器及外光路部分、数控系统部分构成。整个机床的外形图如图所示。,数控五轴联动激光加工机床外形图例,一、机床的构成、运动及

18、主要技术参数（2）,机床本体部分由龙门架及工作台构成。工作台上安装待加工工件，并带动工件实现纵向进给运动（X向）。光学系统安装在龙门架上，实现光束相对于工件的横向进给运动（Y向）。为了获得满足加工要求的光斑直径大小和合适的功率密度，必须调整聚焦光头相对于工件表面的距离，因此光学系统有一个沿Z轴方向的垂直进给运动。除此以外，该机床还存在两个方向的旋转运动：光束绕Z轴的旋转运动及光束绕水平轴的旋转运动。,二、机床所能实现的功能,数控五轴联动激光加工机床可以实现下面的功能：平面与三维曲面的激光热处理和表面熔覆；激光切割与焊接；激光切割焦点位置的自动测量与控制；三维曲面激光切割的示教录返。,三、机床的

19、工作原理（1）,激光热处理与表面熔覆一般来说，用这种设备进行热处理和表面修复的零件较重，通常直接将工件装在工作台上。激光器输出功率为5KW、直径37的高阶模激光束。从激光器出来的激光束外光路图如图所示。激光束通过反射镜1、2进入Y轴方向，经过反射镜3反射后沿Z轴方向传到反射镜4后，经聚焦头上的曲面反射镜5聚焦到工件9表面，光头保持垂直，沿Y轴移动，工作台沿X轴方向可进行平面加工。如果加上Z、C、A轴的运动就能进行三维曲面的热处理和熔覆。,激光加工机外光路图例,三、机床的工作原理（2）,激光切割与焊接在上图所示的外光路图上，机床若换上带聚焦透镜的聚焦光头，激光器输出可达3KW、直径为25的低阶模

20、激光光束，通过反射镜6反射，透镜7聚焦到工件表面，机床五轴联动可进行三维曲面的切割与焊接。,三、机床的工作原理（3）,激光切割焦点位置自动测量与控制为了保证激光切割的质量，通常要自动检测激光焦点的位置，且自动控制光头移动使焦点相对于工件表面保持在合适的位置上。检测装置与数控系统构成反馈回路，通过将检测到的焦点位置与程序要求的焦点位置进行比较，根据比较结果由数控系统输出信号经过放大后驱动X、Y、Z三个坐标轴移动，控制光头的位置，使其朝着位置误差减小的方向移动。,三、机床的工作原理（4）,二维曲面的加工及三维曲面激光切割的示教录返对于简单图形或二维曲线、曲面，光束运动轨迹的控制可以通过数控编程来实

21、现。同时机床还配备了CAD/CAM软件系统，具有图文设计、汉字矢量化处理、优化排样、NC程序自动生成和加工过程仿真等多项功能。而对于三维的曲面激光切割，由于被加工对象的形状复杂，难以建立精确的数学模型，通常采用示教录返装置进行编程。,四、机床的机械结构,该机床能够实现五轴联动，对于每一个运动，都由独立的伺服电动机驱动。X、Y、Z三个直线运动的行程均小于4m，用滚珠丝杠螺母副将电动机的旋转运动转换成这三个方向的直线运动。采用这种传动装置不仅摩擦力小，刚性好，同时还可以进行消除侧向间隙的处理。提高运动精度。X、Y、Z三个直线运动部件的导向及承载部件采用直线滚动导轨副，导向精度高。C、A两个方向转动

22、是电动机通过蜗杆副实现。,五、数控系统,五轴联动激光加工机床数控系统框图如图所示。从图中可以看出，控制系统由计算机部分、外围设备部分、机床控制部分构成，采用工控机和PLC联合控制的方式及采用了模块化设计，便于维修和扩展。,五轴联动激光加工机床CNC系统框图例,学习小结（1）,数控激光加工设备能对材料进行热处理、表面熔覆、切割和焊接、并能对加工过程进行自动控制，因而在工业具有广泛用途。数控激光切割设备是利用高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而实现将工件割开。分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割等类型。激光切割机床主要由激光器、导光系统、数控系统、伺

23、服系统、割炬等构成，通过割炬、工作台的相互运动，可以切割出具有各种曲线或曲面的工件，满足不同的切割加工要求。常用的激光器有CO2激光器和YAG激光器，使用时要注意激光模式的选择、光斑直径大小的调整以及割炬透镜焦距的调整等。,学习小结（2）,数控五轴联动激光加工机床是一种多功能加工设备，可以实现热处理、表面熔覆、切割、焊接、焦点位置的自动检测与控制等功能。由机床本体、激光器、外光路系统及数控系统构成。通过激光束处于不同的模式（高阶模、低阶模）以及更换不同的“光头”，获得不同的加工效果。机床本体能够实现五轴联动，对于每一个运动，都由独立的伺服电动机驱动。机床的CNC系统的功能由工控机实现。,思考与练习题,试述激光切割常见的类型及各自的特点。为了切割不同形状的工件，割炬与工件之间可以有几种运动方式？请详细说明。分析割炬透镜焦距与形成的光斑直径及焦点深度之间的关系。是不是透镜焦距越小越好，为什么？如图11-10所示，分析割炬驱动式切割设备的基本构成及基本运动。分析数控五轴联动激光加工机床的基本构成、基本运动以及实现热处理、表面熔覆、切割、焊接、自动检测等的工作原理。,