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得荔切割专题 minl. t on Eading io
三维光纤激光切割机器人的介绍及应用
新宏昌重工集团(燕郊)エ业园(廊坊市065201)武亚鹏侯建伟
摘要三维激光切割是利用工业机器人灵活和快速的动作性能,根据切割加工工件尺寸的大小不同,可以选
择将机器人进行正裝或者倒装对不同产品、不同轨迹进行示教编程或离线编程,机器人的第六轴装载光纤激光切
割头对不规则工件进行三维切割;光纤激光切割头上配备随动装置和光路传输装置,利用光纤将激光传输到切割
头上,再利用聚焦系统进行聚焦,针对不同厚度的板材开发出多套聚焦系统对多种三维金属板材进行多方位的切
割,满足生产的需求。
关键词:光纤激光机器人切割三维
中图分类号:TG485
0前言
三维光纤激光切割机就是由专用光纤激光切割
头、高精度电容式跟踪系统、光纤激光器以及工业机器
人系统对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔
性切割的先进的激光切割设备。三维机器人激光切割
机设备广泛地应用于金属加工、机械制造、汽车零部件
制造等对3D工件有加工需求的生产。
图1三维光纤激光切割机器人
1三维光纤激光切割机器人简介
规格;对不同功率的激光器配备制冷量不同的冷却系
统,以保障激光器的正常工作。同时要根据机械臂的
1.1三维激光切割原理
工作半径和加工工件的大小,选定合适长度的操作光
激光是一种光,与自然界其它发光体一样,是由原纤传输激光,以满足客户切割要求。
子(分子或离子等)跃迁产生的,而且是自发辐射引起1.3辅助气体的要求
的。激光虽然是光,但它与普通光明显不同的是,激光
三维光纤激光切割机采用的辅助气体是99.99%
仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射,此后的过程的氧气,这样对切割的精度、速度和切割的断面效果有
完全由激光辐射决定,因此激光具有非常纯正的颜色,很大的帮助。
几乎无发散的方向性,极高的发光强度。激光同时又具2三维光纤激光切割机器人的特点
有高相干性、高强度性、高方向性,激光通过激光器产2.1光纤激光器的主要特点
生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上
光纤激光器电一光转化效率高,转换效率达
使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加,25%以上,小功率光纤激光器无需配冷水机,采用风
使该点因高温而迅速地融化或者汽化,配合激光头的冷,可大幅度节约工作时的耗电,节省运行成本,达到
运行轨迹从而达到加工的目的,图1为三维光纤激光最高的生产效率。
切割机器人。
(2)激光器运行时仅仅需要电能,不需要产生激
1.2光纤的选择
光的额外气体,具有最低的运行和维护费用。
根据金属板材的厚度不同,所选光纤激光器的功
(3)光纤激光器采用半导体模块化和冗余设计,
率大小也不一样,做三维切割的光纤激光器的功率一诸振腔内无光学镜片,不需要启动时间,具有免调节、
般分为200W,300W,400W,500W,1000W等多种免维护、高稳定性的优点,降低了配件成本和维护的时
间,这是传统激光器无法比拟的。
收稿日期:2014-01-19
(4)光纤激光器的输出波长为1.06pm,是CO2
382014年第6期
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波长的1/10,精度高,输出的光束质量好,功率密度高,了耗电系统费用和系统运行维护费用,减少了系统的
非常有利于金属材料的吸收,具有卓越的切割、焊接能占地面积。
力,从而使加工的费用最低。
(2)用光纤激光器代替CO2激光器光纤激光技
5)整机光路由光纤传输,不需要复杂的反射镜术是近几年高速发展的激光技术,相比传统激光,具有
等导光系统,光路简单,结构稳定,外光路免维护。
更好的切割质量,更低的系统造价,更长的使用寿命和
6)切割头中含有保护镜片,使反射镜、聚焦镜等更低的维护费用,更低的耗电。关键是光纤激光器的
贵重的易耗品消耗量极少。
激光可以通过光纤传输,方便与工业机器人连接,实现
7)光通过光纤导出,使机械系统的设计变得非柔性加工。
常简单,非常容易与机器人或多维工作台集成。
(3)采用工业机器人+光纤激光器的组合进行加
(8)激光器加上光闻后可以一器多机,通过光纤工,修边冲孔等工艺一次完成,切ロ整齐无需后道工艺
分光,分成多路多台同时工作,易于扩展功能,升级方再处理,大大缩短了工艺流程,降低了人工成本和模具
便、简单。
费用的投入,也提高了产品档次和产品附加值。选配
(9)光纤激光器体积小,重量轻,工作位置可移公司的离线编程软件,通过数模直接生成切割轨迹,抛
动,占地面积小。
弃了繁杂的人工示教,更加适合小批量多批次的维修
2.2三维激光切割最大的特点是高柔性
市场、新品试制和非标定制等一些个性化的切割需求。
三维激光切割尤其适合小批量的三维钣金材料的而且,投资高柔性、高效率的激光切割设备,来代替昂
切割。其高柔性主要表现在两个方面
贵的冲压设备和剪裁设备,可以更加灵活的更换产品,
(1)对材料的适应性强,激光切割机通过数控程把握市场
序基本上可以切割任意板材。
(4)尖端光纤激光技术与数字控制技术完美融
(2)加工路径由程序控制,如果加工对象发生变合,代表着最先进的激光切割水平;专业的激光切割机
化,只须修改程序即可,这一点在零件修边、切孔时体控制系统,电脑操作,能够保证切割质量,使切割工作
现得尤为明显,因为修边模、冲孔模对于其他不同零件更方便,操作更为简单;配置智能机械手,可实现三维
的加工无能为力,而且模具的成本高,所以目前三维激立体切割,操控方便,智能化程度高,保证设备的高速
光切割有取代修边模、冲孔模的趋势。一般来说,三维度、高精度、高可靠性;激光切割头配置进口激光切割
机械加工的夹具设计及其使用比较复杂,但激光加工头,反应灵敏、准确,与机械手有效配合,避免切割头与
时对被加工板材不施加机械加工力,这使得夹具制作加工板材碰撞,并能保证切割焦点位置,保证切割质量
变得很简单。此外,一台激光设备如果配套不同的硬稳定;激光切割头可承受1.0MPa气体压力,高压气路
件和软件,就可以实现多种功能
设备,提高了对不锈钢等难割材料的切割能力。
2.3机器人+光纤激光器组合的优、缺点
(5)系统唯一的缺陷只能加工金属工件,不能
(1)用工业机器人代替五轴机床两者都能进行加工非金属工件。这是因为该系统采用的是光纤激
空间轨迹的描述实现三维立体切割,工业机器人的重光,其波长为1064pm,相对于波长为10640um的
复定位精度比五轴机床稍低,约为±100um,但这完全CO2激光,不易为非金属工件所吸收的缘故。
可以满足汽车钣金覆盖件和底盘件行业的精度要求。
五轴机床+CO2激光器和工业机器人+光纤激光
而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价,减少器的对比分析,见表
表1五轴机床+CO2激光器和工业机器人+光纤激光器的对比分析
对比项目
加工速度系统价位/万元充气系统耗电/kW冷却方式
加工范
重复定位
精度/m
五轴机床
据工件材质、工件
充He、Ne
CO2激光器料厚和选配激光400~100CO2等气体30左右水冷,体积庞大
金属和非
器功率大小而异<