深度剖析三维五轴光纤激光切割机技术

三维五轴光纤激光切割机床被认为是高功率激光加工设备皇冠上的珍珠，主要用于三维异形曲面的切割和边缘修复，以取代冲孔模具和边缘修复模具。早期，我国采用手工等离子体切割三维工件，切割效果不理想。近年来，我国开发了机器人三维激光切割机，切割效果有所提高，但由于机器人精度低，切割精度低，但在一些要求低的行业得到了一定的应用。在汽车冲压模具行业，切割精度要求较高，三维五轴光纤激光切割机床因其生产效率高、性能稳定而受欢迎，但主要市场被德国等国外设备垄断Trumpf(快)，意大利Pri ** (普瑞玛)，日本NTC、Mitsubishi(三菱)等公司。三维五轴光纤激光切割机产品图如图1所示。

图1 三维五轴光纤激光切割机产品

一、技术发展背景

三维五轴光纤激光切割机是集光、机、电、气于一体的高端机床设备。主要用于汽车工业、模具工业、军工航空航天工业、家电工业和异型管道切割。

自20世纪90年代以来，三维五轴激光切割技术已经开开发和制造商中Trumpf、意大利Pri ** 市场基本上被这两个垄断了。2008年以后，日本NTC、Mitsubishi开发了低加速度、低速度、高精度工作台移动三维五轴CO2激光切割机。但长期以来，三维五轴激光切割机主要用于研发和小批量试生产，修复和切割冲压成型的三维零件，取代传统的修复模具和冲压模具，缩短新产品的研发周期，降低 ** 造成成本，因此年市场销量较少。在中国市场，市场需求一般在30-40台左右。

然而，由于汽车热成型技术的出现和应用，市场需求较少。汽车热成型生产线一般配备4-5台三维五轴激光切割机，市场需求呈爆炸式发展。到目前为止，世界上有近450条汽车热成型生产线，大约有2000台三维五轴激光切割机。中国有近170条热成型生产线，大约有700台三维五轴激光切割机。

钢板热成型技术是指钢板通过950℃高温加热后形成，冷却迅速，全面提高钢板强度，屈服强度达到1万Mpa以上，在车身上使用后，车辆重量没有增加，但承载力增加了30%，安全性能显著提高。由于钢板强度过高，由于钢板强度高，传统的修边模具和冲孔模具无法修边冲孔，只能用激光生产，使三维五轴激光切割产品进入汽车批量生产线，成为不可替代的生产工艺和工艺。

普通钢板屈服强度为140Mpa，适用于旅游观光车、缆车；高强度钢板屈服强度为180-240Mpa，适用于卡车、叉车、公交车、挖掘机、农业机械等。高强度钢板的屈服强度为260-320Mpa，适用于经济型车，经济型车SUV车辆；超强钢板屈服强度为340-700Mpa，适用于高端车、高端车SUV汽车；热成型钢板的屈服强度超过1万Mpa以上一般热成型钢板屈服强度为1500Mpa左右。目前，材料厂家正在研制热成形钢板的屈服强度在2000Mpa左右，越来越多的超高强度钢板被汽车工业广泛使用，使得三维五轴激光切割机产品得到越来越多的应用。

二、技术发展现状

目前，德国主要生产三维五轴激光切割机Trumpf，意大利Pri ** ，日本NTC、Mitsubishi，中国大族激光，华工。Trumpf、Pri ** 由于生产早，产品成熟，性能稳定，市场客户认可度高。NTC、Mitsubishi 两家公司只生产低速、低加速的三维五轴CO2激光切割机生产效率低，能耗高(CO与光纤激光器相比，2激光器能耗非常高），不能满足汽车热成型生产线生产效率的要求。大激光突破关键技术，掌握核心技术，生产低速、高精度的三维五轴光纤激光切割机，生产高速、高精度的三维五轴光纤激光切割机，技术紧跟其后Trumpf、Pri ** 解决了三维五轴光纤激光切割机的关键核心技术：

1.机床结构优化设计及动态设计

整机结构CAE有限元分析，结合动态、静态刚度、静态强度、热特性分析，获得******刚度场和温度场，经过反复测试验证，设计改进，分析理论值与实际测试值数据的差异化因素，当理论值与实际测试值数据基本一致时，最终获得经济轻的结构设计。机床结构优化设计和动态设计框架图和机床结构图如图2所示。

图2 机床结构优化设计及动态设计框图

2.提高动态性能和稳定性

高速、大惯量、大尺寸的零件CAE有限元模态分析，对结合面阻尼、局部刚度、质量分布进行分析，采取隔振、减振、抑振措施，对结构进行设计改进及优化，经过反复测试验证，获取动态性能和稳定性良好的移动部件，确保产品的动态性能与稳定性。提高动态性能和稳定性方框图与模态分析图分别如图3 、图4所示。

图3 提高动态稳定性方框图和模态分析图

图4 模态分析数据图

3.提高高速、高精度定位

测试和有限元分析电机和伺服进给驱动系统，分析和优化定位精度、响应速度、热特性和电机刚度，跟踪特性分析，补偿数控系统多轴联动的误差，获得高速、高精度定位。伺服驱动系统的分析框图如图5所示。

图5

4.解决无限旋转三维切割头的核心技术

开发360系统几何空间算法的精密光学计算°继德国之后，无线旋转三维切割头，自主创新，核心技术Trumpf、意大利Pri ** 、德国LT之后，第四家公司可以生产360°360°无线旋转三维五轴切割头如图6所示。

图6 360°无线旋转三维五轴切割头

解决以下关键和核心技术：

(1)密封三维五轴无限旋转切割头水、气、光通

通过三维五轴切割头，运动轨迹更加复杂C轴(无限旋转)机械传动部分传输的管道包括光路、水路、气路和电信号通道。C轴为无限旋转结构，上述通道不能采用管道结构，需要设计具体的旋转通道结构传输。以下问题是解决运动通道水、气、光的动态密封问题。为突破这一主要障碍，选择水、气、光、电通道独立传输的旋转机械结构；针对C对于密封元件的技术要求，开发了基于新材料的旋转通道密封元件。元件设计充分考虑了耐磨性、密封性、元件与管道动摩擦之间的平衡在理论和经验的指导下，调整密封元件与密封通道的公差，成功实现多个密封通道的高速无限旋转C轴部件。经过大量实验，自主研发的高速旋转密封元件的性能已达到国外同类产品的水平。

(2)电信号抗干扰屏蔽技术高速旋转三维切割头

在旋转轴中使用传统电缆传输电信号会因轴的旋转而缠绕甚至断裂，多路电信号也会有信号相互干扰的风险。为了避免这些问题，确保多路电信号的抗电磁干扰传输，根据多路电信号通路的技术规范和独特的滑环结构设计，突破了高速旋转轴上多路电信号的抗干扰传输。

5.软件技术在线修改

大族自行开发HANS 3DEDIT在线修改程序软件更方便快捷，更换速度快，提高了生产效率，节约了生产成本。在线修改软件如图7所示。

图7 在线修改软件

6．基于具备RTCP功能数控三维五轴光纤切割系统集成应用技术研究

(1)研究三维五轴光纤激光切割设备的硬件集成系统结构RTCP设计了三维五轴光纤激光切割中各加工件的系统集成控制方案。

(2)研究RTCP功能数据。三维五轴光纤激光切割系统由加工控制模块、离线编程模块和激光切割工艺数据库三个功能块组成。结合加工设备的硬件集成，对三维五轴光纤激光切割工艺的软件进行二次开发PC工业控制平台设计数控系统控制函数，开发三维五轴光纤激光切割控制应用接口，实现三维五轴光纤激光切割机床的运动控制和工艺调整。

(3)基于三维空间映射对三维五轴激光加工机床进行运动学分析，设计切割头运动模拟。

(4)基于开发HMI的PC平台数据库，结合功能需求使用SQL设计数据库的具体功能，实现数据库的修改、添加、查询、浏览和删除。

7.研究三维复杂曲面激光切割工艺

(1)分析外光路模式，对光路进行整形补偿，确保******切割光束模式，开发三维五轴激光切割专用工艺控制软件。

（2）开发快速穿孔、切割状态控制反馈技术，开发碳钢厚板尖角切割、厚板极限切割孔、高功率光纤氮切割板碳钢工艺方法、复杂图形和图像处理应用，克服复杂图形和小轮廓加工的工艺技术问题。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法和转角激光切割方法。研究了三维盖误差补偿、三维盖角切割质量控制和平板尖角切割质量控制方法。

(4)基于开发CC编译循环的Z轴模拟控制技术、图形预览和轨迹同步显示技术，基于图形预览的灵活干预和灵活补充技术，基于激光脉冲方波的快速响应PWM激光脉冲频率与占空比、激光功率实时坡度调节技术。

建立完善的激光切割工艺专家数据库，解决三维件拐角过热、厚板尖角过熔、极限小孔切割、薄板快速穿孔等工艺问题，实现大轮廓、小轮廓、拐角、标准图形等激光切割工艺参数的自动调用。

三、技术及应用发展趋势

1.技术发展趋势

随着三维五轴激光切割技术的发展，性能和功能越来越强大，技术发展趋势如下：

(1)高加速度、高速度:产品加速度越来越高，产品效率越来越高；

（2）切割速度高、精度高：切割速度快，生产效率高，降低生产成本；定位速度高，重复定位精度高，切割精度高，满足日益提高的产品质量需求；

（3）自动化和智能：劳动力成本增加，产品需要向高自动化、高智能方向发展；一方面，高自动化可以降低劳动力，节约成本；另一方面，高智能导致机械设备技术操作简单，对人员技术依赖小，简单易学，也可以降低成本。

2.应用发展趋势

一方面，产品性能不断优化和改进，产品价格不断下降，使越来越多的用户能够负担得起，基本上可以采用三维五轴激光切割工艺，优先，取代传统的加工方法。

另一方面，三维五轴激光切割技术促进了产品的个性化设计，工程设计师可以发挥个性化设计，设计更精致的产品，不再受传统加工方法的限制。

此外，热成形技术已进入汽车工业，推动三维五轴激光切割机成为汽车生产过程中不可替代的过程。随着越来越多的车型采用热成形技术，越来越多的三维五轴激光切割机进入汽车生产线。目前，只有高端汽车在使用，但随着技术的发展，经济型汽车和新能源汽车也将采用热成形技术。根据汽车行业的研究和分析，未来的汽车更新将会更快在过去，生产数百万辆车型的时代已经成为历史。单车型数量逐渐下降，模具成本非常高。三维五轴激光切割机将反映较低的使用成本，以满足《纽约时报》的发展需要。

综上所述，在汽车行业，特别是在汽车热成型行业，随着三维五轴激光切割的不断应用和发展，汽车制造技术水平越来越先进，生产效率越来越高，不仅可以解决汽车热成型高强度钢的问题，而且可以促进汽车个性化设计的发展。